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1、第三章 金属切削过程的基本理论教学目的与要求教学目的与要求:通过本章的学习,掌握金属切削变形、切削力、切削热和刀具的破损与磨损的原因和刀具耐用度的基本概念。教学内容摘要教学内容摘要：本章主要介绍切削变形区、变形程度的表示方法、切削力的来源与影响因素；切削热的产生与传出、计算、对切削加工的影响；刀具磨损与破损的形态、磨损的原因和刀具耐用度的选用。教学重点与难点教学重点与难点：重点重点是切削变形程度的表示方法、切屑的种类及积屑瘤成因、切削力的影响因素、切削热的计算及影响因素分析、刀具磨损与破损的原因和刀具耐用度的选择。难点难点是切削变形、切削力与切削热影响因素分析。第三章 金属切削过程的基本理论
2、研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论,对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。指导意义。在金属切削过程在金属切削过程(cutting process)中，始终存在着中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切一系列物理现象，如
3、切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。等。一、切屑的形成过程及切屑类型一、切屑的形成过程及切屑类型（一）切屑的形成过程（一）切屑的形成过程1.1.切削变形的力学本质切削变形的力学本质 切削金属形成切切削金属形成切屑的过程是一个屑的过程是一个类似类似于金属材料受挤压作于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变而产生剪切滑移的变形过程。形过程。第一节第一节 金属切削层的变形金属切削层的变形压缩变形后沿压缩变形后沿45o方方向开裂向开裂(a)压缩塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金属先
4、后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂（b）切削以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。金属切削层的变形和切屑金属切削层的变形和切屑金属切削过程与挤压过程相似。金属切削过程与挤压过程相似。切塑性金属时：切塑性金属时：1）金属受前刀面的挤压）金属受前刀面的挤压,在在OA(始始滑移面滑移面)以左产生弹性变形以左产生弹性变形;2）应力逐渐变大，在）应力逐渐变大，在AOE内产内产生塑性变形生塑性变形;3）应力达到强度极限，在）应力达到强度极限，在OE(终终滑移面滑移面)上发生剪切滑移上发生剪切滑移;4）在
5、）在OE(终滑移面终滑移面)以上以上,金属被金属被切离形成切屑。切离形成切屑。塑性金属的切削过程经历了四个塑性金属的切削过程经历了四个阶段：阶段：弹性变形、塑性变形、剪弹性变形、塑性变形、剪切滑移和切离过程切滑移和切离过程。切削塑性金属的三个变形区切削塑性金属的三个变形区（一）第一变形区（一）第一变形区OAOA始滑移线始滑移线OMOM终滑移线终滑移线变形的主要特征：变形的主要特征：剪切滑移变形剪切滑移变形 加工硬化加工硬化一般速度范围内一区一般速度范围内一区宽度为宽度为0.020.020.2mm0.2mm，速度越高，宽度越小，速度越高，宽度越小，可看作一个可看作一个剪切平面剪切平面（剪切滑移区
6、）（剪切滑移区）（二）第二变形区（二）第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。前刀面平行。（挤压摩擦区）（挤压摩擦区）（三）第三变形区第三变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。工硬化。（挤压摩擦回弹区）（挤压摩擦回弹区）刃前区：刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复
7、杂，被切削层在此与工件本体材料分离力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程：绝对滑移S相对滑移变形系数剪切角二、金属切削变形程度的表示方法二、金属切削变形程度的表示方法1.1.绝对滑移绝对滑移 S S，相对滑移，相对滑移 2.2.变形系数变形系数剪切角:剪切角是出自金属切削层产生剪切滑移的一个特定参数。=45-+0刀和屑界面的摩擦角（）；tan=；为刀和屑界面的摩擦系数。当刀和屑界面出现粘结和滞留层时，值（内磨擦）比一般外摩擦时大得多。剪切角 剪切面积变形程度切削力。剪切角 变形系数影响切削变形和前刀面摩擦系数的主要因素影响切削变形和前刀面摩擦系数的主要因
8、素工件材料切削厚度刀具前角切削速度进给量上述五个因素是影响前刀面摩擦系数的主要因素。切削厚度ac增加时，也略为下降，如10钢的ac从0.1mm增大到0.18mm，从0.74降至0.72。=s/av工存材料的强度、硬度提高，切削温度增高，摩擦系数下降，剪切角增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形。而切削塑性较高的材料，则变形较大。前角对变形系数的影响增大前角0，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切屑变形减小。前角对摩擦系数的影响增大前角0，摩擦系数增加。切削速度对变形系数的影响以中碳钢为例。vc超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，致使摩擦系数下降，故变形系数
9、h减小。vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数h减小vc20m/min时，h值最小vc在2040m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小，h增大。此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。进给量对变形系数的影响第二节第二节 切屑的类型切屑的类型切屑的控制切屑的控制 1)切屑的形状 2)卷屑和断屑二、二、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 （一）什么是积屑瘤（一）什么是积屑瘤（二）积屑瘤的形成原因（二）积屑瘤的形成原因（三）积屑瘤对起削过程的影响（
10、三）积屑瘤对起削过程的影响（四）抑制或消除积屑瘤的措施（四）抑制或消除积屑瘤的措施第三节第三节 切削力切削力 切削过程中，刀具切削过程中，刀具施加于工件使工件材料施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，料变为切屑所需的力，称为切削力称为切削力(cutting(cutting force)force)。一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率1.1.切削力的来源切削力的来源切削力来自于金属切削过程中克服切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑
11、之间摩擦刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。阻力。2.2.切削力的分解切削力的分解 通常将合力通常将合力F F分解分解为相互垂直的三个分为相互垂直的三个分力：力：切削力切削力 F Fc c 、进进给力给力 F Ff f 、背向力背向力 F Fp p 。切削力切削力F Fz z(F Fc c)总切削力在主运动方向的分力，总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的大小约占总切削力的80%80%90%90%。FcFc消耗的功率最多，约占总消耗的功率最多，约占总功率的功率的90%90%左右，是计算机床左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及核机
12、床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参计算刀具强度等必不可少的参数。数。背向力背向力 F Fy y（F Fp p）进给力进给力F Fx x(F(Ff f)总切削力在垂直于工作总切削力在垂直于工作平面方向的分力，平面方向的分力，FpFp不不消耗功率。但容易使工消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数动时，所必须的参数。总切削力在进给方向的分力，总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总
13、功进给力也作功，但只占总功的的1%1%5%5%。是设计、校核机。是设计、校核机床进给机构，计算机床进给床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数功率不可缺少的参数 3 3切削功率切削功率单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用p表示：N/mm2P=Fz/Ac=Fz/(fap)式中，Fz主切削力（N）；Ac切削面积（mm2）；ap背吃刀量（mm）f进给量（mm）4.4.单位切削力单位切削力5.5.切削力计算的经验公式切削力计算的经验公式用单位切削力计算主切削力kC=Fc/AD=Fc/(apf)=FC/(bDhD)(3-12)式中AD-切削面积（mm2）；ap-背吃刀量（mm）；f-进给量（m
14、m/r）；hD-切削厚度（mm）；bD-切削宽度（mm）。已知单位切削 kc,求主切削力FcFc=kcapf=kchDbD二、影响切削力的因素二、影响切削力的因素1.1.工件材料工件材料影响较大的因素主要是工件材影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。削力也就越大。2.2.切削用量切削用量进
15、给量进给量f f和背吃刀量和背吃刀量a ap p 进给量进给量f f和背吃刀量和背吃刀量a ap p增加，增加，使切削力使切削力F Fc c增加。增加。图3-19切削速度对切削力的影响 切削速度切削速度c c 3.3.刀具几何参数刀具几何参数负倒棱的影响主偏角对切削力的影响FyFxycosr；FxFxysinr当主偏角r加大时，Fy减小，Fx加大。刃倾角对切削力的影响后刀面磨损对切削力的影响刀具材料对切削力的影响刀具材料对切削力影响很小，但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因而是对切削力也有一定的影响对于加工同一种材料，切削用量相同的情况下，刀具材料对切削力的影响一般按立方碳化硼
16、（CBN）刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，切削力依次增大。切削液对切削力的影响以冷却为主的水溶液对切削力影响很小，而润滑性能强的切削油能较明显地降低切削力，因其可降低摩擦和塑性变形。其他因素 刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。1研究金属切削变形过程有什么意义?2研究金属切削变形过程有哪些实验方法？3怎样划分金属切削变形区?4在第一变形区里发生了怎样的变形?5怎样衡量金属切削变形程度？6切屑有哪些种类?各种类切屑有什么特征?各种类切屑在什么情况下形成?7试描述积屑溜现象及成因。8积屑瘤对切削过程有哪些影响?9试述影响切削变形的因素及其影响。作 业10切屑形状有哪些种类?11为什么要研究切削力?说明切削力在切削原理和实际应用中的作用。12分析切削力的来源。13切削合力为什么要分解为三个分力?说明各分力的作用与应用价值。14何谓单位切削力?有何用途?15如何计算切削功率？16切削力有哪些影响因素?分别说明它们的影响规律。作作 业业本讲结束,谢谢!