第三章金屬切削原理與刀具

1、第一節(jié)第一節(jié) 切削變形切削變形第二節(jié)第二節(jié) 切屑的類型切屑的類型與控制與控制第三節(jié)第三節(jié) 積屑瘤積屑瘤第四節(jié)第四節(jié) 切削力與切切削力與切削功率削功率第五節(jié)第五節(jié) 切削熱和切切削熱和切削溫度削溫度第六節(jié)第六節(jié) 刀具磨損與刀具磨損與刀具耐用度刀具耐用度 第一節(jié)第一節(jié) 切削變形切削變形 金屬切削變形的本質(zhì)是金屬材料在切應(yīng)力作用下屈服而沿剪切面發(fā)生滑移。 切屑的形成 金屬滑移示意 一、金屬切削變形過程一、金屬切削變形過程 第一變形區(qū)第一變形區(qū)I（剪切滑移變形）：（剪切滑移變形）：是滑移面附近的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)切削層經(jīng)剪切滑移后形成切屑。二、切削變形區(qū)的劃分二、切削變形區(qū)的劃分 第二變形區(qū)第二變形區(qū)II

2、（切屑的擠壓變形）：（切屑的擠壓變形）：是切屑在流出過程中與前面接觸的區(qū)域，在此區(qū)域切屑受前面的擠壓和摩擦進(jìn)一步產(chǎn)生變形，使切屑卷曲。 第三變形區(qū)第三變形區(qū)III（已加工表面的變形）：（已加工表面的變形）：是切削刃刃口附近已加工表面表層的區(qū)域，在此區(qū)域已加工表面受刃口鈍圓部分和后面的擠壓、摩擦而產(chǎn)生彈性變形和塑性變形。三、切削變形系數(shù)三、切削變形系數(shù) 被切金屬層經(jīng)切削變形后形成切屑，其長度縮短、厚度增加的現(xiàn)象，稱為切屑收縮切屑收縮。 式中 Lc 、c 被切金屬層的長度、厚度； Lch 、ch 切屑的長度、厚度。1cchchcaaLL 切削變形系數(shù)（切屑收縮系數(shù)）可直觀地反映出切削過程中金屬切削

3、變形的程度，從而反映切削條件的優(yōu)劣。越大，說明切削變形程度越大。前 角 40 20 -5 1.814.2310.08不同前角的刀具切削純銅時的切削變形系數(shù)不同前角的刀具切削純銅時的切削變形系數(shù) 第二節(jié)第二節(jié) 切屑的類型與切屑的類型與控制控制一、切屑的類型一、切屑的類型a)帶狀切屑 b)節(jié)狀切屑 c)粒狀切屑 d )崩碎切屑四種切屑類型比較 二、切屑的控制二、切屑的控制 （1）切屑的折斷過程）切屑的折斷過程切屑的折斷經(jīng)歷了“卷碰斷”這三個過程。1切屑的折斷切屑的折斷（2）切屑形狀）切屑形狀切屑形狀的分類切屑形狀的分類2影響斷屑的主要因素影響斷屑的主要因素1）斷屑槽斷屑槽槽形組成、對斷屑的影響及適

4、用范圍斷屑槽槽形組成、對斷屑的影響及適用范圍 斷屑槽槽形組成對斷屑的影響適用范圍直線圓弧型一段直線和一段圓弧槽底圓半徑R小時，切屑卷曲半徑小，變形大，易斷屑適用于切削碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的刀具直線型兩段直線槽底角小，則切屑卷曲半徑小，變形大，易斷屑中等背吃刀量時，一般槽底角=110120圓弧型一段圓弧圓弧半徑小，切屑卷曲半徑小，變形大，易斷屑適用于切削純銅、不銹鋼等高塑性材料的刀具 槽底半徑R對切屑卷曲的影響 槽底角對切屑卷曲的影響 斷屑槽形狀對斷屑的影響斷屑槽形狀對斷屑的影響 2）斷屑槽的寬度 斷屑槽寬度LBn減小，能使：切屑卷曲半徑rch減小增大卷曲變形和彎曲應(yīng)力 而寬度LBn大則卷曲

5、半徑rch較大，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不易使切屑折斷。 斷屑槽寬度LBn必須與進(jìn)給量f和背吃刀量ap聯(lián)系起來考慮。l進(jìn)給量小，槽應(yīng)窄些l背吃刀量小，槽寬也應(yīng)適當(dāng)減小 容易卷屑、斷屑3）斷屑槽斜角（） a）外斜式 b）平行式 c）內(nèi)斜式（2）切削用量）切削用量 切削用量中對斷屑影響最大的是進(jìn)給量f，其次是背吃刀量ap和切削速度v。 1）進(jìn)給量 f 進(jìn)給量f加大，切削厚度c按比例增大，切削變形增大，切屑易折斷。 但要注意，隨著進(jìn)給量的增大，工件表面粗糙度值將會增大。 2）背吃刀量ap 背吃刀量ap 減小時，過渡刃和副切削刃參加切削的比例增大，使出屑角增大。出屑角的大小對切屑的卷曲和折斷后的屑形有很大影響。

6、 出屑角對卷屑的影響出屑角對卷屑的影響 3）切削速度v 切削速度提高后，切削溫度升高，在一般情況下，切屑的塑性增大，不易折斷。 （3）刀具角度）刀具角度 1）前角o 前角o 越大，排屑越順利，切屑變形小，不易斷屑；反之，易斷屑。 2）主偏角r 在背吃刀量ap 和進(jìn)給量f已選定的條件下，主偏角r越大，切削厚度ac越大，故切屑卷曲應(yīng)力越大，越易斷屑。 3）刃傾角s 當(dāng)s為正值時，使切屑流向待加工表面或與后面相碰形成“C”形切屑，也可能呈螺旋屑而甩斷； 當(dāng)s為負(fù)值時，切屑流向已加工表面或過渡表面，容易碰斷成“C”形或“6”形切屑。第三節(jié)第三節(jié) 積屑瘤積屑瘤 以中等切削速度切削鋼料或其他塑性金屬材料時

7、，經(jīng)常會有一小塊呈楔狀的金屬（工件材料）牢固地黏結(jié)在靠近刀刃的前面上，這就是積屑瘤積屑瘤，也稱為刀瘤刀瘤。 積屑瘤及其對加工的影響一、積屑瘤的形成一、積屑瘤的形成 切削塑性金屬材料時，在一定條件下，切屑沿前面流出時，由于切屑與前面之間的強(qiáng)烈擠壓與摩擦，使切屑底層的一部分金屬產(chǎn)生“滯流”現(xiàn)象，當(dāng)滯流層與前面的摩擦力大于材料內(nèi)部的結(jié)合力時，則使滯流層從切屑母體中分離，并牢固地黏結(jié)（冷焊）在靠近刀刃的前面上。積屑瘤在切削過程中是不穩(wěn)定的，它因不斷層積長大，又因局部脫落而減小。二、積屑瘤對切削加工的影響二、積屑瘤對切削加工的影響 1保護(hù)刀具保護(hù)刀具 2增大實(shí)際前角增大實(shí)際前角 3影響加工精度和表面粗糙

8、度影響加工精度和表面粗糙度 1工件材料工件材料 切削脆性材料不會產(chǎn)生積屑瘤。塑性越好的材料越容易產(chǎn)生積屑瘤。 2切削用量切削用量 切削用量三要素中對積屑瘤的產(chǎn)生影響最大的是切削速度v，其次是進(jìn)給量f和背吃刀量ap。 三、影響積屑瘤產(chǎn)生的因三、影響積屑瘤產(chǎn)生的因素素切削速度對積屑瘤的影響 3刀具方面刀具方面 （1）前角）前角o 前角o增大，排屑更順利，切屑與前面的擠壓摩擦作用減小，減少了切削熱的產(chǎn)生，從而可抑制積屑瘤的產(chǎn)生。 （2）刀具表面粗糙度）刀具表面粗糙度 減小刀具前面的表面粗糙度值，以減小前面與切屑的摩擦，可減少積屑瘤的產(chǎn)生。 4切削液切削液 有切削液參加切削，一可起降溫作用，二可起潤滑

9、作用。第四節(jié)第四節(jié) 切削力與切切削力與切削功率削功率 一、切削力的來源與分解一、切削力的來源與分解 1切削力的來源切削力的來源工件材料的變形切屑、工件與刀具之間的摩擦2切削力的分解切削力的分解主切削力主切削力Fc背向力背向力Fp進(jìn)給力進(jìn)給力Ff 切削力與切削分力 車削時切削力與切削分力二、切削分力的計(jì)算二、切削分力的計(jì)算切削分力的經(jīng)驗(yàn)公式如下： 式中 CFc 、 CFp 、CFf 系數(shù)XFc 、YFc 、 XFp 、YFp 、 XFf 、YFf 指數(shù)cccpcFFYXFfaCF pppppFFYXFfaCF fffpfFFYXFfaCF 車削外圓時主切削力經(jīng)驗(yàn)公式中的系數(shù)、指數(shù)值車削外圓時主切

10、削力經(jīng)驗(yàn)公式中的系數(shù)、指數(shù)值 若已知ap和f，車削時Fc可用下面的近似公式計(jì)算： 切削鋼件時： Fc=2000 ap f （N） 切削鑄鐵時： Fc=1000 ap f （N）三、切削分力的實(shí)用意義三、切削分力的實(shí)用意義1主切削力主切削力Fc 通常主切削力是最大的分力，它是確定機(jī)床電動機(jī)功率、計(jì)算機(jī)床強(qiáng)度和剛度、設(shè)計(jì)夾具主要零部件、驗(yàn)算刀桿和刀片強(qiáng)度的主要依據(jù)。 2背向力背向力Fp 車削時，背向力是切削時引起振動的主要因素，也是引起工件彎曲變形的主要原因。 3進(jìn)給力進(jìn)給力Ff 進(jìn)給力是驗(yàn)算機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要零部件強(qiáng)度和剛度的依據(jù)。 四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素1工件材料工件材料 材料

11、的強(qiáng)度、硬度越高，變形抗力越大，切削力就越大。若材料的強(qiáng)度、硬度相近，塑性越大則切削力越大。 2切削用量切削用量 （1）背吃刀量ap和進(jìn)給量f 背吃刀量ap和進(jìn)給量f決定切削面積的大小，它們的增大均會使切削力增大，但其影響程度各不相同。在切削加工中，如果從減小切削力和切削功率來考慮，加大進(jìn)給量f比加大背吃刀量ap有利。 （2）切削速度）切削速度v 切削速度v對切削力的影響與工件材料、積屑瘤有關(guān)。 切削塑性金屬時，切削速度v對切削力的影響主要因積屑瘤影響實(shí)際前角所造成。 切削速度對切削力的影響 3刀具方面刀具方面（1）刀具幾何）刀具幾何參數(shù)對切削力的參數(shù)對切削力的影響影響 （2）刀具磨損）刀具磨

12、損 前、后刀面磨損會使摩擦力增大，當(dāng)后角ao減小至0時，刀具與工件產(chǎn)生劇烈摩擦，切削力會成倍增大，甚至無法正常切削。 4切削液切削液 切削時澆注切削液，由于潤滑作用，摩擦因數(shù)減小，切削力減小。如選用潤滑效果較好的切削液，比干切削時的切削力小10%20% 。五、切削功率五、切削功率601000cmvFP 式中：Fc 主切削力 ，N； v 切削速度，m/min。 實(shí)際應(yīng)用中，通常根據(jù)切削功率Pm校核機(jī)床電動機(jī)功率PE ，以判斷是否超負(fù)荷切削。要求： Pm PE m式中 m機(jī)床傳動效率，一般取0.750.85 。 若Pm PE m，則應(yīng)考慮降低切削功率Pm ,此時應(yīng)通過減小Fc或降低的方法來解決。（

13、kW）切削功率是切削分力消耗功率的總和。切削功率Pm的計(jì)算式為: 例例31：某車床電動機(jī)功率為6kW，傳動效率為0.75，車削某鋼件時若選擇背吃刀量為5mm，進(jìn)給量為0.4mm/r。求機(jī)床功率允許條件下可選擇的最高轉(zhuǎn)速。解： 因?yàn)楣ぜ牧蠟殇摷?又因?yàn)?Pm PE m；Pm = Fc v /（100060）v 67.5m/min 所以 故機(jī)床功率允許條件下可選擇的最高轉(zhuǎn)速為430r/min。min/ r4305014. 35 .6710001000maxdvnN40004 . 0520002000pcfaFmEc601000PvF第五節(jié)第五節(jié) 切削熱和切切削熱和切削溫度削溫度一、切削熱的產(chǎn)

14、生與傳散一、切削熱的產(chǎn)生與傳散1切削熱的來源切削熱的來源工件材料的變形刀具前面與切屑之間、后面與工件之間的摩擦2切削熱的傳散切削熱的傳散 不使用切削液車削、鉆削時切削熱的傳散比例不使用切削液車削、鉆削時切削熱的傳散比例Q屑Q刀Q工Q介車 削50%86%40%10%9%3%1%鉆 削28%14.5%52.5%5%二、切削區(qū)域溫度的分布和實(shí)際生產(chǎn)中對切削溫度的二、切削區(qū)域溫度的分布和實(shí)際生產(chǎn)中對切削溫度的 判斷方法判斷方法1切削區(qū)域溫度的分布切削區(qū)域溫度的分布 切削溫度一般是指切屑、工件和刀具接觸表面上的平均溫度，即切削區(qū)域的平均溫度。 刀具、切屑和工件的切削溫度分布2實(shí)際生產(chǎn)中對切削溫度的判斷方

15、法實(shí)際生產(chǎn)中對切削溫度的判斷方法 切屑顏色與切削溫度的關(guān)系切屑顏色與切削溫度的關(guān)系 切屑顏色切削溫度銀白色500以下淡黃色500550左右深藍(lán)色650900左右淡灰色1000以上紫黑色1300以上三、影響切削溫度的因素三、影響切削溫度的因素 1切削用量切削用量 切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量對切削溫度都有影響。切削速度對切削溫度的影響最大，其次是進(jìn)給量，背吃刀量的影響最小。當(dāng)切削速度增大一倍時，切削溫度約增高20%33%。 進(jìn)給量增大一倍時，切削溫度約增高10%。背吃刀量增大一倍時，切削溫度只增高約5% 。 不同前角下切削溫度的對比值不同前角下切削溫度的對比值 前 角-100101825切削溫度對

16、比值1.081.0310.850.8附 注車削45鋼，刀具YT15，o= 68r=75, s=0,=0.2mm，切削用量：p=3mm， f=0.1mm/r 1）前角 前角的大小直接影響切削過程中的變形和摩擦，因此它對切削溫度有明顯的影響。 2刀具方面刀具方面（1）刀具角度）刀具角度 2）主偏角 減小主偏角切屑厚度減小切削變形減小產(chǎn)生的熱量減少刀刃參加切削的長度增加刀尖角增大刀具的散熱條件變好切削溫度降低主偏角增大，切削溫度升高。在背吃刀量相同時：在背吃刀量相同時：（2）刀具磨損）刀具磨損 刀具磨損對切削溫度也有著明顯的影響。刀具磨損對切削溫度也有著明顯的影響。刀具磨損后刀刃變鈍切割作用減小推擠

17、作用增大切削變形增加摩擦增大溫度升高溫度升高3工件材料工件材料 （1）材料的強(qiáng)度、硬度）材料的強(qiáng)度、硬度 材料的強(qiáng)度、硬度越高，切削力越大，切削溫度也越高。 （2）材料的導(dǎo)熱系數(shù)）材料的導(dǎo)熱系數(shù) 材料的導(dǎo)熱系數(shù)越低，由工件和切屑傳走的熱量就越少，切削溫度就越高。 （3）材料的類別）材料的類別 切削脆性金屬材料時，由于塑性變形很小，且切屑呈崩碎狀，與前面的摩擦小，產(chǎn)生的熱量也就少，故切削溫度一般較塑性材料低。 4切削液方面切削液方面 切削過程澆注切削液，由于其具有潤滑作用，能夠減小切屑、工件與刀具的摩擦，產(chǎn)生的熱量少；同時切削液還有冷卻作用，能夠帶走大量的切削熱，所以切削溫度低。 切削熱給金屬切

18、削加工帶來許多不利影響，采取措施減少和限制切削熱的產(chǎn)生是必要的和重要的。 切削熱有時也可以加以利用，如在加工淬火鋼時，可采用負(fù)前角并在一定的切削速度下進(jìn)行切削，既加強(qiáng)了刀刃的強(qiáng)度，同時產(chǎn)生的大量切削熱能使切削層軟化，降低硬度，從而易于切削。四、切削熱的利用與限制四、切削熱的利用與限制第六節(jié)第六節(jié) 刀具磨損與刀具磨損與刀具耐用度刀具耐用度一、刀具磨損一、刀具磨損1刀具的磨損形式刀具的磨損形式后面磨損 前面磨損 前、后面磨損 （1）切削塑性金屬時刀具的磨損形式）切削塑性金屬時刀具的磨損形式 磨損形式主要發(fā)生位置磨損面變形特征磨損量大小表示切削條件切削速度切削厚度后面磨損后面后角為零度的棱面棱面高度

19、（VB）較低較?。╝c0.1mm）前面磨損前面月牙洼深度（KT）較高較大（ac0.5mm）前、后面同時磨損前、后面前面：月牙洼后面：棱面棱面高度（VB）中等切削用量（ac=0.10.5mm） （2）切削脆性金屬時刀具的磨損形式）切削脆性金屬時刀具的磨損形式 切削脆性金屬時，由于產(chǎn)生崩碎切屑，切屑與前面擠壓和摩擦作用較小，因此，只發(fā)生后面磨損。 2刀具的磨損原因刀具的磨損原因 （1）磨粒磨損）磨粒磨損 實(shí)質(zhì)是硬粒與刀具材料的硬度差所造成的機(jī)械擦傷，也稱機(jī)械擦傷磨損機(jī)械擦傷磨損。 （2）相變磨損）相變磨損 由于切削溫度升高，刀具材料的金相組織轉(zhuǎn)變，致使硬度和耐磨性下降所造成的刀具磨損。 （3）黏結(jié)

20、磨損）黏結(jié)磨損 切削時，切屑與前面、工件與后面在較大的壓力和適當(dāng)?shù)那邢鳒囟鹊淖饔孟?，會產(chǎn)生材料分子之間的吸附作用，使刀具表面局部強(qiáng)度較低的微粒被切屑或工件黏結(jié)帶走造成的刀具磨損。也稱為冷焊磨損冷焊磨損。 （4）擴(kuò)散磨損）擴(kuò)散磨損 在高溫切削時，刀具與工件之間的合金元素相互擴(kuò)散置換，改變了材料原來的成分與結(jié)構(gòu)，使刀具材料的物理、力學(xué)性能降低，從而加劇刀具的磨損。 （5）氧化磨損）氧化磨損 氧化磨損是硬質(zhì)合金中的碳化物和黏結(jié)劑氧化后造成的。切削溫度機(jī)械摩擦影響刀具磨損的主要因素二、刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)二、刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損過程曲線1刀具磨損過程刀具磨損過程 2刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)就是刀具允許的磨損量，故刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)也是判斷刀具是否重磨和換刀的依據(jù)。 加工條件后面的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB精車0.10.3粗車合金鋼、粗車剛度差的工件0.40.5粗車碳素鋼0.60.8粗車鑄鐵件0.81.2鋼及鑄鐵大件的低速粗車1.01.5刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 硬質(zhì)合金車刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB 推薦值 3實(shí)際生產(chǎn)中判斷刀具磨損的常用方法實(shí)際生產(chǎn)中判斷刀具磨損的常用方法通過觀察工件已加工表面的粗糙度變化切屑顏色的變化切屑形態(tài)的變化聽噪聲的大小感覺切削