第3章3.1金屬切削過程

1、2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1/72第三章第三章 切削過程及控制切削過程及控制3.1 3.1 切削變形規(guī)律切削變形規(guī)律3. 2 切削力切削力3. 3 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度3. 4 刀具磨損與刀具耐用度刀具磨損與刀具耐用度3. 5 磨削過程與磨削機(jī)理磨削過程與磨削機(jī)理2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2/72引言2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院4/723.13.1 金屬切削變形過程金屬切削變形過程v 三個(gè)變形區(qū)三個(gè)變形區(qū)v 變形程度的表示方法變形程度的表示方法v 積屑瘤積屑瘤v 切屑變形的變化規(guī)律切屑變

2、形的變化規(guī)律v 切屑的類型切屑的類型2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5/72直角自由切削直角自由切削 刀刃垂直于切削運(yùn)動(dòng)方向。 只有一條直線刀刃參與切削。 其特點(diǎn)是刀刃上各點(diǎn)切屑流出方向一致 。2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院6/72通過觀察試件側(cè)面的規(guī)則網(wǎng)格線的變形情況，研究金屬切削變形的基本規(guī)律。切削變形的研究方法切削變形的研究方法2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院7/72V試件變形區(qū)的劃分及變形特征變形區(qū)的劃分及變形特征側(cè)面網(wǎng)格變形法側(cè)面網(wǎng)格變形法2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院8/72切削層滑移線示意圖切削層滑移線示意圖 MIAO刀具刀具工件工件切

3、屑切屑金屬切削過程中滑移線和流線示意圖2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院9/72 以塑性材料的切屑以塑性材料的切屑形成為例，金屬切削區(qū)形成為例，金屬切削區(qū)可大致劃分為：可大致劃分為： 三個(gè)變形區(qū)三個(gè)變形區(qū)第一變形區(qū)第一變形區(qū) 第二變形區(qū)第二變形區(qū) 第三變形區(qū)第三變形區(qū) 一、切屑形成過程一、切屑形成過程OA線：線：始剪切線始剪切線OM線：線：終剪切線終剪切線2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院10/72 變形區(qū)的劃分變形區(qū)的劃分u第一變形區(qū)（第一變形區(qū)（OAM區(qū)域區(qū)域, ,剪切滑移）剪切滑移）u第二變形區(qū)（刀屑接觸區(qū)）第二變形區(qū)（刀屑接觸區(qū)）u第三變形區(qū)（刀工件接觸區(qū)擠壓區(qū)）第三變

4、形區(qū)（刀工件接觸區(qū)擠壓區(qū)）切削變形區(qū)第一變形區(qū)：（基本變形區(qū)）第一變形區(qū)：（基本變形區(qū)）OAOAOMOM之間的區(qū)域，是切削過之間的區(qū)域，是切削過程中的主要變形區(qū)，是切削力程中的主要變形區(qū)，是切削力和切削熱的主要來源。和切削熱的主要來源。主要特征：主要特征：剪切面的滑移變形剪切面的滑移變形第二變形區(qū)：第二變形區(qū)：切屑底層與前刀面之間的摩擦切屑底層與前刀面之間的摩擦變形區(qū)。主要影響切屑的變形變形區(qū)。主要影響切屑的變形和積屑瘤的產(chǎn)生。和積屑瘤的產(chǎn)生。第三變形區(qū)第三變形區(qū)第二變形區(qū)第二變形區(qū)第一變形區(qū)第一變形區(qū)第三變形區(qū)：工件已加工表面與刀第三變形區(qū)：工件已加工表面與刀具后刀面之間的擠壓、摩擦變形區(qū)具

5、后刀面之間的擠壓、摩擦變形區(qū)域。造成工件表面的纖維化與加工域。造成工件表面的纖維化與加工硬化。該區(qū)域?qū)ぜ砻娴臍堄鄳?yīng)硬化。該區(qū)域?qū)ぜ砻娴臍堄鄳?yīng)力以及后刀面的磨損有很大的影響。力以及后刀面的磨損有很大的影響。OA始滑移線始滑移線OM終滑移線終滑移線變形的主要特征：變形的主要特征： 剪切滑移變形剪切滑移變形 加工硬化加工硬化一般速度范圍內(nèi)一區(qū)一般速度范圍內(nèi)一區(qū)寬度為寬度為0.020.2mm，速度越高，寬度越小，速度越高，寬度越小，可看作一個(gè)剪切平面可看作一個(gè)剪切平面（一）第一變形區(qū)（一）第一變形區(qū)（剪切滑移區(qū)）（剪切滑移區(qū)） 切屑沿前刀面排出時(shí)進(jìn)一步受到前刀面的擠壓和摩切屑沿前刀面排出時(shí)進(jìn)一

6、步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面的金屬纖維化，基本與前刀面平行。擦，使靠近前刀面的金屬纖維化，基本與前刀面平行。（二）第二變形區(qū)（二）第二變形區(qū)（擠壓摩擦區(qū)）（擠壓摩擦區(qū)）2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院14/72 第二變形區(qū)的變形特征第二變形區(qū)的變形特征圖34晶粒滑移示意圖第二變形區(qū)（刀屑接觸區(qū)）的變形特征：切屑底層金第二變形區(qū)（刀屑接觸區(qū)）的變形特征：切屑底層金屬受摩擦擠壓后的塑性變形及晶粒纖維化屬受摩擦擠壓后的塑性變形及晶粒纖維化2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院15/72 第二變形區(qū)的變形特征第二變形區(qū)的變形特征圖35 滑移與晶粒的伸長(zhǎng) 已加工表面受到切削刃鈍圓

7、部分和后刀面的擠壓和已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化和加工硬化。摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化和加工硬化。刃前區(qū)：刃前區(qū)：三個(gè)變形區(qū)匯集在切削刃附近，此處的應(yīng)力集三個(gè)變形區(qū)匯集在切削刃附近，此處的應(yīng)力集 中而復(fù)雜，被切削層在此與工件本體材料分離中而復(fù)雜，被切削層在此與工件本體材料分離（三）第三變形區(qū)第三變形區(qū)(擠壓摩擦回彈區(qū)）擠壓摩擦回彈區(qū)）2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院17/72 第三變形區(qū)的變形特征第三變形區(qū)的變形特征 第三變形區(qū)的變形特征：已加工表面的表層金屬受刀具的第三變形區(qū)的變形特征：已加工表面的表層金屬受刀具的鈍圓刃和后刀面

8、的擠壓摩擦，使金屬材料的晶粒再次纖維化并鈍圓刃和后刀面的擠壓摩擦，使金屬材料的晶粒再次纖維化并加工硬化。加工硬化。acac圖36 第三變形區(qū)的金屬變形 厚度為厚度為ac的的一薄層金屬被一薄層金屬被鈍圓刃擠壓塑鈍圓刃擠壓塑性變形后成為性變形后成為已加工表面已加工表面2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院18/72刀具刀具-工件接觸區(qū)的變形與加工質(zhì)量工件接觸區(qū)的變形與加工質(zhì)量刀刃鈍圓半徑刀刃鈍圓半徑 rn后刀面磨損帶后刀面磨損帶VB彈性恢復(fù)區(qū)彈性恢復(fù)區(qū)CD變形特征：變形特征：擠壓、摩擦與回彈擠壓、摩擦與回彈2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院19/721 1、剪切角、剪切角 ：剪切面與切

9、削速度方向之間的夾角：剪切面與切削速度方向之間的夾角。 二、變形程度的表示方法二、變形程度的表示方法2、變形系數(shù)、變形系數(shù) 厚度變形系數(shù)厚度變形系數(shù) 長(zhǎng)度變形系數(shù)長(zhǎng)度變形系數(shù)2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院20/72剪切角剪切角 ：剪切面與切削速度方向之間的夾角。：剪切面與切削速度方向之間的夾角。 1. 1. 剪切角剪切角剪切角剪切角變形程度變形程度剪切面積剪切面積2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院21/72剪切面和剪切角剪切面和剪切角 剪切面：剪切面： 第一變形區(qū)的實(shí)際厚度僅為第一變形區(qū)的實(shí)際厚度僅為0.020.2 mm，故可，故可用一剪切面來表示用一剪切面來表示 。 剪切

10、角：剪切角： 剪切面與切削速度方向的夾角稱為剪切角剪切面與切削速度方向的夾角稱為剪切角 ，其大小反映了切削變形的大小。其大小反映了切削變形的大小。 2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院22/722 變形系數(shù)變形系數(shù) 切削時(shí)，切屑厚度切削時(shí)，切屑厚度 ach 通常要大于切削層厚度通常要大于切削層厚度ac, 而切而切屑的長(zhǎng)度屑的長(zhǎng)度 lch 要小于切削層的長(zhǎng)度要小于切削層的長(zhǎng)度 lc。2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院23/72 變形系數(shù)變形系數(shù)厚度變形系數(shù)：切屑厚度厚度變形系數(shù)：切屑厚度 與切削層的厚度與切削層的厚度 之之比，用比，用 表示表示長(zhǎng)度變形系數(shù)：切削層長(zhǎng)度長(zhǎng)度變形系數(shù)：

11、切削層長(zhǎng)度 與切屑長(zhǎng)度與切屑長(zhǎng)度 之比，之比，用用 表示表示chacaaclchllchacaaclchll2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院24/72 變形系數(shù)變形系數(shù) 的計(jì)算的計(jì)算由體積不變體積不變?cè)恚呵邢鲿r(shí)，切削寬度 變化不大，可以認(rèn)為 為常數(shù)wawachccchllaalawchchwccaaLaaL 變形系數(shù)與剪切角的關(guān)系sinsin) )cos(cos(sinsinOMOM) )sin(90sin(90OMOMa aa a0 00 00 0c cchch)90sin(0OMachsin OMac作用在切屑上的力有：作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力前刀面上的法向力 Fn

12、 和摩擦力和摩擦力 Ff ；剪切面上的正壓力剪切面上的正壓力 Fns 和剪切力和剪切力 Fs 。切屑上的作用力設(shè)設(shè) 為為 Fn 和和 Fr 的夾角，此即前刀面上的摩擦角；的夾角，此即前刀面上的摩擦角； 0 為為 刀具前角；刀具前角； Fz 為切削運(yùn)動(dòng)方向分力；為切削運(yùn)動(dòng)方向分力； Fy 為與切削運(yùn)動(dòng)方向垂直的分力；為與切削運(yùn)動(dòng)方向垂直的分力； 令令 Ac 為切削面積，為切削面積，As 為剪切面面積，為剪切面面積， 為剪切力。為剪切力。那末，有那末，有 sincssAAF )cos(0 rsFF)cos(0 rzFF)sin(0 ryFF2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院28/72剪切角

13、與摩擦角的關(guān)系 根據(jù)材料力學(xué)原理：作用在切屑上的主應(yīng)力的方根據(jù)材料力學(xué)原理：作用在切屑上的主應(yīng)力的方向與最大剪應(yīng)力的方向之間的夾角為向與最大剪應(yīng)力的方向之間的夾角為/4。那么，。那么，4)(0討論：討論：0 增大，增大，角隨之增大，變形減??；角隨之增大，變形減??；當(dāng)當(dāng)增大時(shí)，增大時(shí)，角隨之減小，變形增大。角隨之減小，變形增大。2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院29/72兩種不同兩種不同的摩擦的摩擦切屑與前刀面之間的摩擦存在著兩種不同性質(zhì)的切屑與前刀面之間的摩擦存在著兩種不同性質(zhì)的摩擦：粘結(jié)摩擦和普通摩擦。且主要的摩擦形式摩擦：粘結(jié)摩擦和普通摩擦。且主要的摩擦形式為粘結(jié)摩擦。為粘結(jié)摩擦。

14、 圖39 兩種不同的摩擦 2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院30/72切塑性金屬時(shí)前刀面上應(yīng)力切塑性金屬時(shí)前刀面上應(yīng)力分布情況分布情況：粘接區(qū)粘接區(qū)lf1: 剪切滑移，內(nèi)摩擦剪切滑移，內(nèi)摩擦滑動(dòng)區(qū)滑動(dòng)區(qū)lf2: 滑動(dòng)摩擦，外摩擦滑動(dòng)摩擦，外摩擦一般內(nèi)摩擦力約占總摩擦力一般內(nèi)摩擦力約占總摩擦力的的85%前刀面上的摩擦前刀面上的摩擦2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院31/72粘結(jié)摩擦粘結(jié)摩擦內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦粘結(jié)摩擦的摩擦系數(shù)為變量：粘結(jié)摩擦的摩擦系數(shù)為變量： 圖310 前刀面上的摩擦 2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院32/72粘結(jié)摩擦粘結(jié)摩擦前刀面上的平均摩擦系數(shù)：前刀面上的

15、平均摩擦系數(shù)： 工件材料剪切屈服強(qiáng)度；工件材料剪切屈服強(qiáng)度； 內(nèi)摩擦部分的平均正應(yīng)力；內(nèi)摩擦部分的平均正應(yīng)力； 切削面積。切削面積。 此式表明：前刀面上的此式表明：前刀面上的 是隨是隨 的大小而改變。的大小而改變。avscavcsnfavAAFFtgavavsavcA2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院33/72三個(gè)變形區(qū)對(duì)切削加工的影響三個(gè)變形區(qū)對(duì)切削加工的影響第一變形區(qū)的切削變形對(duì)刀具產(chǎn)生較大的切第一變形區(qū)的切削變形對(duì)刀具產(chǎn)生較大的切削抗力；削抗力； 第二變形區(qū)主要對(duì)刀具產(chǎn)生（粘結(jié)）摩擦阻第二變形區(qū)主要對(duì)刀具產(chǎn)生（粘結(jié)）摩擦阻力以及造成前刀面磨損；力以及造成前刀面磨損；第三變形區(qū)主要

16、對(duì)工件已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生第三變形區(qū)主要對(duì)工件已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。重大影響。2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院34/723、積屑瘤的生成機(jī)理、積屑瘤的生成機(jī)理 積屑瘤的生成機(jī)理積屑瘤的生成機(jī)理 積屑瘤現(xiàn)象：冷焊在前刀面上的少量工件材料積屑瘤現(xiàn)象：冷焊在前刀面上的少量工件材料 圖311 結(jié)屑瘤積屑瘤積屑瘤在中低速，切削塑性金屬形成在中低速，切削塑性金屬形成帶狀切屑的情況下，滯流層金帶狀切屑的情況下，滯流層金屬粘接在前刀面上，形成硬度屬粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬塊，稱為積屑瘤很高的硬塊，稱為積屑瘤。積屑瘤對(duì)切削過程的影響：積屑瘤對(duì)切削過程的影響： 1. 代替刀具切削，保護(hù)刀具代

17、替刀具切削，保護(hù)刀具 2. 增大前角，減小變形和力增大前角，減小變形和力 3. 產(chǎn)生過切及犁溝，產(chǎn)生過切及犁溝，精度精度 4. 增大已加工表面粗糙度增大已加工表面粗糙度積屑瘤對(duì)精加工是不利的，應(yīng)避免它產(chǎn)生：降低工材塑性；積屑瘤對(duì)精加工是不利的，應(yīng)避免它產(chǎn)生：降低工材塑性；合理選切削速度；增大前角；減小進(jìn)給量；采用潤(rùn)滑液等合理選切削速度；增大前角；減小進(jìn)給量；采用潤(rùn)滑液等2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院36/72積屑瘤的生成機(jī)理積屑瘤的生成機(jī)理積屑瘤：在中低速切削塑性金屬材料時(shí)積屑瘤：在中低速切削塑性金屬材料時(shí), 常在刀具常在刀具前面刃口處粘結(jié)一些工件材料前面刃口處粘結(jié)一些工件材料,

18、形成一塊硬度很高形成一塊硬度很高的楔塊，稱之為積屑瘤。的楔塊，稱之為積屑瘤。產(chǎn)生的條件：產(chǎn)生的條件：中低速切削；中低速切削；塑性金屬材料。塑性金屬材料。圖圖3-15 積屑瘤與切削刃的積屑瘤與切削刃的 金相顯微照片金相顯微照片2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院38/72積屑瘤對(duì)切削加工的利弊積屑瘤對(duì)切削加工的利弊 積屑瘤對(duì)切削加工的利弊積屑瘤對(duì)切削加工的利弊積屑瘤粘結(jié)在前刀面上，減少了刀具的磨損；積屑瘤粘結(jié)在前刀面上，減少了刀具的磨損；積屑瘤使刀具的實(shí)際工作前角增大，有利于減小切積屑瘤使刀具的實(shí)際工作前角增大，有利于減小切削力；削力；積屑瘤伸出刀刃之外，使切削厚度增加，降低了工積屑瘤伸出

19、刀刃之外，使切削厚度增加，降低了工件的加工精度；件的加工精度；積屑瘤使工件已加工表面變得較為粗糙。積屑瘤使工件已加工表面變得較為粗糙。 由此可見：積屑瘤對(duì)粗加工有利，生產(chǎn)中應(yīng)加以由此可見：積屑瘤對(duì)粗加工有利，生產(chǎn)中應(yīng)加以利用；而對(duì)精加工不利，應(yīng)以避免。利用；而對(duì)精加工不利，應(yīng)以避免。 切削速度對(duì)積屑瘤的影響切削速度對(duì)積屑瘤的影響2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院40/72消除積屑瘤的措施消除積屑瘤的措施 采用高速切削或低速切削，避免中低速切削；采用高速切削或低速切削，避免中低速切削；增大刀具前角，降低切削力；增大刀具前角，降低切削力；采用切削液。采用切削液。13th2021-11-5武

20、漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院41/724 切削變形的變化規(guī)律切削變形的變化規(guī)律利用切削變形理論的三個(gè)重要公式：利用切削變形理論的三個(gè)重要公式：savav0cos()sin04(1)(2)(3)2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院42/72(1) 工件材料工件材料工件塑性工件塑性延伸率延伸率 工件材料強(qiáng)度、硬度越大，切削變形越小工件材料強(qiáng)度、硬度越大，切削變形越小原因：強(qiáng)度、硬度原因：強(qiáng)度、硬度 切削力切削力 （ ） 。zFavsavav042021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院43/72(2) 刀具角度刀具角度04刀具前角刀具前角 增大，切削變形減小。增大，切削變形減小。原因：一方面：原因

21、：一方面： 另一方面：另一方面： 切削力切削力 ( ) ) 。但。但 的影響比的影響比 的影響小。的影響小。綜合結(jié)果還是綜合結(jié)果還是(- )(- )減小，導(dǎo)減小，導(dǎo)致致 ， 減小。減小。00zFav004)(00savav2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院44/72(3)(3)切削速度切削速度 一般來說，高速切削時(shí)，一般來說，高速切削時(shí)，v 越越大，大，切削變形越小切削變形越小。 原因：原因：切削速度切削速度 v 切削溫度切削溫度 材料的剪切強(qiáng)材料的剪切強(qiáng)度度 （ ） 減小。減小。 中低速切削時(shí)，會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。中低速切削時(shí)，會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。在積屑瘤增長(zhǎng)階段，在積屑瘤增長(zhǎng)階段，v 越越大，

22、大，切削變形變小切削變形變小；在積屑瘤消退階段，在積屑瘤消退階段，v 越越大，大，切削變形變大切削變形變大。ssavav2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院45/72(4) (4) 切削厚度切削厚度切削厚度切削厚度 增大，則切削變形下降。增大，則切削變形下降。 原因：原因： （ ） 。cazFavcasavav4)(02021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院46/725、切屑的類型切屑的類型崩碎切屑崩碎切屑切削脆性材料切削脆性材料單元切屑單元切屑擠裂切屑(節(jié)狀切屑)擠裂切屑(節(jié)狀切屑)帶狀切屑帶狀切屑切削塑性材料切削塑性材料2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院47/72切屑的類型

23、切屑的類型2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院48/72切屑的類型切屑的類型2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院49/72播放2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院50/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院51/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院52/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院53/72播放2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院54/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院55/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院56/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院57/72播放2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院58/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院59/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院60/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院61/72播放2021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院62/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院63/722021-11-5武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院64/72（2 2）擠裂切屑：切屑）擠裂切屑：切屑與前刀面接觸的一面較與前刀面接觸的一面較光潔，其背面局部開裂光潔，其背面局部開裂成節(jié)狀。成節(jié)狀