第三節(jié) 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象

1、第三節(jié) 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程是指刀具與工件相互作用形成切屑的過程，在這一過程中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象有切削力、切削熱、積屑瘤、刀具磨損和加工硬化等。 第變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。圖3-5 切削部位三個變形區(qū)第變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形。此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應(yīng)力的主要原因。第變形區(qū)：靠近前刀面處，切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。AEO形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪

2、切滑移尚未達到斷裂程度局部剪切應(yīng)力達到斷裂強度剪切應(yīng)力完全達到斷裂強度未經(jīng)塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小， 刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大， 刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料， 刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小， 妨礙切削工作，應(yīng)設(shè)法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑表 切屑類型及形成條件帶狀切屑Real擠裂切屑Real節(jié)狀切屑Real崩碎切屑Real圖3-6 切屑形態(tài)照片切屑控制 不良的切屑

3、：工件的影響、機床的影響、刀具的影響、操作者的影響 在切削加工中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂魄行嫉木砬?、流出和折斷，使形成“可接受”的良好屑形?積屑瘤積屑瘤 積屑瘤定義： 在切速不高，而且又能連續(xù)切削的情況下，加工一般的鋼料或其它塑性材料時，在刀具的前刀面常常粘結(jié)一塊硬度很高的呈三角形的硬塊，這塊冷焊在前刀面上的金屬稱為積屑瘤或刀瘤。產(chǎn)生原因： 切屑與刀具前刀面在一定的壓力和溫度下，由于內(nèi)外摩擦的作用，使切屑聚積在刀具的前刀面，發(fā)生加工硬化，形成了比工件材料硬度高的一個硬塊，粘在刀具前刀面。acac積屑瘤形成的相關(guān)因素： 工件材料的性質(zhì) 切削區(qū)的溫度和壓力 切削速度（1）積屑瘤對切削過程的影響：積屑

4、瘤對切削過程的影響：1)1)積屑瘤包圍著切削刃，可以代替前面、后面和切積屑瘤包圍著切削刃，可以代替前面、后面和切削刃進行切削，從而保護了刀刃，減少了刀具的磨削刃進行切削，從而保護了刀刃，減少了刀具的磨損。損。2)2)積屑瘤使刀具的實際工作前角增大，而且，積屑積屑瘤使刀具的實際工作前角增大，而且，積屑瘤越高，實際工作前角越大，刀具越鋒利。瘤越高，實際工作前角越大，刀具越鋒利。3)3)積屑瘤前端伸出切削刃外，直接影響加工尺寸精積屑瘤前端伸出切削刃外，直接影響加工尺寸精度。度。4)4)積屑瘤直接影響工件加工表面的形狀精度和表面積屑瘤直接影響工件加工表面的形狀精度和表面粗糙度。粗糙度。（2 2）積屑瘤

5、的成因：）積屑瘤的成因：1 1）工件材料的塑性；）工件材料的塑性；（2 2）積屑瘤的成因：）積屑瘤的成因：1 1）工件材料的塑性；）工件材料的塑性；2 2）切削速度；）切削速度；圖圖3-17 切削速度對積屑瘤的影響切削速度對積屑瘤的影響2. 積屑瘤積屑瘤 （2 2）積屑瘤的成因：）積屑瘤的成因：1 1）工件材料的塑性；）工件材料的塑性；2 2）切削速度；）切削速度；3 3）刀具前角；）刀具前角；（2 2）積屑瘤的成因：）積屑瘤的成因：1 1）工件材料的塑性；）工件材料的塑性；2 2）切削速度；）切削速度；3 3）刀具前角；）刀具前角；4 4）冷卻潤滑條件。）冷卻潤滑條件。1.1.總切削力的分解

6、和切削功率總切削力的分解和切削功率（1 1）總切削力）總切削力 FrFr 的分解的分解 1 1）切削力）切削力 FzFz 2 2）背向力）背向力 FyFy 3 3）進給力）進給力 Fx Fx 二、切削力二、切削力1.1.總切削力的分解和切削功率總切削力的分解和切削功率（1 1）總切削力的分解總切削力的分解 cosNyFFr sinxNFFr(0.15 0.7)(0.100.6)yzyzFFFF22222rzNzyxFFFFFF1.1.總切削力的分解和切削功率總切削力的分解和切削功率（2 2）切削功率切削功率 46 10zcFPcv單位：kw Fz切削力，單位：N； vc切削速度，單位：m/mi

7、n。1.1.總切削力的分解和切削功率總切削力的分解和切削功率（2 2）切削功率切削功率 46 10zFcPcv單位：kw ccEPPc 機床傳動效率，一般，取c = 0.750.85。 2. 切削力的測量 1、測定機床功率，計算切削力； 2、用測力儀測量切削力。3. 3. 切削力的經(jīng)驗公式切削力的經(jīng)驗公式切削力切削力背向力背向力進給力進給力切削時消耗的功率切削時消耗的功率FFFFnXCKyyyyyF PyPCnFafvFFFFFnXnCKxxxxxxPCFafv310zPcFcvFFFFFyXnCKzzzzzzPCFafv3. 3. 切削力的經(jīng)驗公式切削力的經(jīng)驗公式 計算舉例計算舉例 ：用用Y

8、T15YT15硬質(zhì)合金車刀外圓縱車硬質(zhì)合金車刀外圓縱車b b=0.637=0.637GPaPa的結(jié)構(gòu)鋼，的結(jié)構(gòu)鋼，車刀幾何參數(shù)為車刀幾何參數(shù)為g go o =10=10、 r r = =45 5、l ls s = =0，切削用，切削用量為量為、f f = =0.4mm/r0.4mm/r、v vc c = =1.71.7m m/ /s。試計算切削力試計算切削力FzFz、FyFy、F Fx x 及切削功率及切削功率PcPc 。4Pamm3. 3. 切削力的經(jīng)驗公式切削力的經(jīng)驗公式 解解 ：查表查表2-2得：得：CFz=1433xFz=1.0yFz=-0.75nFz=-0.15FFFFFyXnCKz

9、zzzzzPCFafvFFFFF1.00.750.150.41.7yXnCK1433 412662.5zzzzzzPCFafNv3. 3. 切削力的經(jīng)驗公式切削力的經(jīng)驗公式續(xù)續(xù)：34.51.7 102662.5(kw)czPFv總切削力的來源有兩個方面：總切削力的來源有兩個方面： 一是克服被加工材料對彈性變形和塑一是克服被加工材料對彈性變形和塑性變形的抗力；性變形的抗力； 二是克服切屑對刀具前面的摩擦阻力二是克服切屑對刀具前面的摩擦阻力和工件表面對刀具后面的摩擦阻力。和工件表面對刀具后面的摩擦阻力。 4. 影響切削力的因素1 1）工件材料的性能對切削力有顯著的影響工件材料的性能對切削力有顯著的

10、影響。 工件材料的硬度或強度愈高，材料的剪工件材料的硬度或強度愈高，材料的剪切屈服強度也愈高，發(fā)生剪切變形的抗力切屈服強度也愈高，發(fā)生剪切變形的抗力也愈大，故切削力也愈大。也愈大，故切削力也愈大。 2 2）切削用量）切削用量對切削力的影響對切削力的影響。a a）背吃刀量）背吃刀量aspasp 和進給量和進給量f f對切削力的影響對切削力的影響; ; 背吃刀量背吃刀量aspasp進給量進給量f fA AD D變形抗力變形抗力摩擦力摩擦力切削力切削力 標(biāo)準(zhǔn)切削試驗：刀具材料P10，工件材料45鋼b = 650 Mpa，車刀幾何參數(shù)為go =10、r = 45、ls =0。 FCFCK0.15-0.

11、751.0CCSPCvfaF即，即，asp增大一倍，增大一倍，F(xiàn)C也增大一倍；而也增大一倍；而f 增大一倍，增大一倍，F(xiàn)C只能增大只能增大68%80。 由此可見，由此可見，從減小切削力和節(jié)省動力消從減小切削力和節(jié)省動力消耗的觀點出發(fā)，在切除相同余量的條件耗的觀點出發(fā)，在切除相同余量的條件下，增大下，增大 f 比增大比增大asp 更為有利。更為有利。4. 影響切削力的因素2 2）切削用量）切削用量對切削力的影響對切削力的影響。b b）切削速度）切削速度VcVc對切削力的影響對切削力的影響; ; 切削塑性材料時切削塑性材料時4. 影響切削力的因素2 2）切削用量）切削用量對切削力的影響對切削力的影

12、響。b b）切削速度）切削速度VcVc對切削力的影響對切削力的影響; ; 4. 影響切削力的因素3 3）刀具幾何參數(shù)）刀具幾何參數(shù)對切削力的影響對切削力的影響。a a）前角前角g go o對切削力的影響對切削力的影響; ; 刀刃鋒利刀刃鋒利前角前角g go o變形抗力變形抗力切削力切削力 4. 影響切削力的因素3 3）刀具幾何參數(shù)）刀具幾何參數(shù)對切削力的影響對切削力的影響。a a）前角前角g go o對對切削力的影響切削力的影響; ; 圖圖3-25 前角對切削力的影響前角對切削力的影響asp = 4 mm f = 0.25 mm / r 4. 影響切削力的因素3 3）刀具幾何參數(shù)）刀具幾何參數(shù)

13、對切削力的影響對切削力的影響。b b）主偏角主偏角 r r對切削力的影響對切削力的影響; ; rFFDPcosrFFDfsin 4. 影響切削力的因素3 3）刀具幾何參數(shù)）刀具幾何參數(shù)對切削力的影響對切削力的影響。c c）刃傾角刃傾角l ls s對切削力的影響對切削力的影響; ; l ls s背前角背前角g gp p側(cè)前角側(cè)前角g gf fFpFpFfFf 4. 影響切削力的因素3 3）刀具幾何參數(shù)）刀具幾何參數(shù)對切削力的影響對切削力的影響。d d）刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑r re e對切削力的影響對切削力的影響; ; 4. 影響切削力的因素3 3）刀具幾何參數(shù)）刀具幾何參數(shù)對切削力的影響對切

14、削力的影響。e e）使用切削液使用切削液對切削力的影響對切削力的影響; ; 三、切削熱和切削溫度1.1.切削熱的來源與傳出切削熱的來源與傳出圖圖3-29 切削熱的來源與傳出切削熱的來源與傳出 三、切削熱和切削溫度1.1.切削熱的來源與傳出切削熱的來源與傳出cvFcQ 式中式中 Q單位時間產(chǎn)生的熱量，單位：單位時間產(chǎn)生的熱量，單位：J / s； Fc切削力，單位：切削力，單位：N； vc切削速度單位：切削速度單位：m / s。 三、切削熱和切削溫度1.1.切削熱的來源與傳出切削熱的來源與傳出圖圖3-30 不同切削速度下的熱量傳出比例不同切削速度下的熱量傳出比例 三、切削熱和切削溫度1.1.切削熱

15、的來源與傳出切削熱的來源與傳出加工方法加工方法切屑切屑工件工件刀具刀具車削車削5080%1040%5%銑削銑削70%50%15%磨削磨削4%80%12% 三、切削熱和切削溫度2. 2. 切削溫度的分布切削溫度的分布 a） 法平面內(nèi)的切削溫度分布法平面內(nèi)的切削溫度分布 b）刀具前面上的切削溫度分布）刀具前面上的切削溫度分布圖圖3-33 切削溫度的分布切削溫度的分布 三、切削熱和切削溫度3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(1)(1)工件材料工件材料工件材料的強度、硬度越高，總切削力越大，工件材料的強度、硬度越高，總切削力越大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多，切削溫度也就越高。單位時間內(nèi)

16、產(chǎn)生的熱量越多，切削溫度也就越高。工件材料的導(dǎo)熱性好，從切屑和工件傳出的工件材料的導(dǎo)熱性好，從切屑和工件傳出的切削熱相應(yīng)增多，切削區(qū)的平均溫度降低。切削熱相應(yīng)增多，切削區(qū)的平均溫度降低。例如，合金結(jié)構(gòu)鋼的強度普遍高于例如，合金結(jié)構(gòu)鋼的強度普遍高于4545鋼，而導(dǎo)鋼，而導(dǎo)熱系數(shù)又一般均低于熱系數(shù)又一般均低于4545鋼，所以切削合金結(jié)構(gòu)鋼鋼，所以切削合金結(jié)構(gòu)鋼的切削溫度高于切削的切削溫度高于切削4545鋼的切削溫度。鋼的切削溫度。3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(2)(2)切削用量切削用量 在切削用量中，在切削用量中，切削速度對切削溫度的影響最切削速度對切削溫度的影響最大。大。

17、 隨著切削速度的提高，材料切除率隨之成正比隨著切削速度的提高，材料切除率隨之成正比例的增加。但隨著切削速度的提高，切屑變形相應(yīng)例的增加。但隨著切削速度的提高，切屑變形相應(yīng)減小，所以，切削功和切削熱雖然有所增高，但不減小，所以，切削功和切削熱雖然有所增高，但不可能成正比例的增高，因此，切削溫度也不會成正可能成正比例的增高，因此，切削溫度也不會成正比例的增比例的增高。高。3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(2)(2)切削用量切削用量切削速度切削速度 cvFcQ 3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(2)(2)切削用量切削用量進給量進給量材料切除率材料切除率Q =

18、1000 vc asp ffhchhDhchh3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(2)(2)切削用量切削用量背吃刀量背吃刀量材料切除率材料切除率Q = 1000 vc asp f3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素 綜上所述，切削用量對切削溫度的影響綜上所述，切削用量對切削溫度的影響程度以切削速度為最大，進給量次之，背吃程度以切削速度為最大，進給量次之，背吃刀量最小。刀量最小。 因此，若要切除給定的余量，又要求切因此，若要切除給定的余量，又要求切削溫度較低，則在選擇切削用量時，應(yīng)優(yōu)先削溫度較低，則在選擇切削用量時，應(yīng)優(yōu)先考慮采用大的背吃刀量，然后選擇一個適當(dāng)考

19、慮采用大的背吃刀量，然后選擇一個適當(dāng)?shù)倪M給量，最后再選擇合理的切削速度。的進給量，最后再選擇合理的切削速度。 上述切削用量選擇原則是從最低切削溫上述切削用量選擇原則是從最低切削溫度出發(fā)考慮的，這也是制訂零件加工工藝規(guī)度出發(fā)考慮的，這也是制訂零件加工工藝規(guī)程時，確定切削用量的原則。程時，確定切削用量的原則。 3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(3)(3)刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)1 1）前角前角2 2）主偏角主偏角3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(4)(4)切削液切削液4.4.切削溫度的試驗公式切削溫度的試驗公式 切削溫度的實驗公式是由標(biāo)準(zhǔn)切削實驗得來的。切削

20、溫度的實驗公式是由標(biāo)準(zhǔn)切削實驗得來的。 實驗條件如下：實驗條件如下： C620-1改裝無級調(diào)速車床，工件與刀片材料切改裝無級調(diào)速車床，工件與刀片材料切削對為削對為YT1545鋼，切削速度鋼，切削速度 vc =60m/min200m/min，進給量，進給量f =0.4mm/r0.6mm/r，背吃刀量，背吃刀量asp =0.5mm3.0mm。010070260273.cspafv四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命 刀具失效刀具失效 刀具磨損刀具磨損刀具破損刀具破損四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命1. 1. 刀具磨損的形式刀具磨損的形式圖圖3-36 車刀典型磨損形式示意圖車刀典

21、型磨損形式示意圖四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命2.2.刀具磨損的原因刀具磨損的原因(1) (1) 擦傷磨損擦傷磨損 （任何切削溫度）（任何切削溫度）(2) (2) 粘結(jié)磨損粘結(jié)磨損 (3) (3) 擴散磨損擴散磨損 （高速切削）（高速切削）(4) (4) 氧化磨損氧化磨損 （高速切削）（高速切削）四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命2.2.刀具磨損的原因刀具磨損的原因(1) (1) 擦傷磨損擦傷磨損 (2) (2) 粘結(jié)磨損粘結(jié)磨損 (3) (3) 擴散磨損擴散磨損(4) (4) 氧化磨損氧化磨損 圖圖3-37 切削溫度對磨損影響的示意圖切削溫度對磨損影響的示意圖擦傷磨損

22、擦傷磨損 粘結(jié)磨損粘結(jié)磨損擴散磨損擴散磨損 氧化磨損氧化磨損四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命3.3.刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(1)(1)刀具的磨損過程刀具的磨損過程 圖圖3-38 硬質(zhì)合金車刀的典型磨損曲線硬質(zhì)合金車刀的典型磨損曲線YD05-30CrMnSiA；gogo44，a ao88， r 45，l ls -4；vc=150m/min，f=0.2mm.r，asp=0.5mm四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命3.3.刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(2)(2)刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 刀具允許達到的最大的磨損量，稱為刀具允許達到的最大

23、的磨損量，稱為“磨鈍標(biāo)準(zhǔn)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)”。 對于一般刀具，常以對于一般刀具，常以后面磨損帶高度后面磨損帶高度VBVB的允許極限值的允許極限值作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，定尺寸刀具定尺寸刀具和自動化生產(chǎn)中的精加工刀具，常以和自動化生產(chǎn)中的精加工刀具，常以徑向徑向磨損量磨損量NBNB的允許值的允許值作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。 四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命3.3.刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(2)(2)刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 圖圖3-39 車刀的徑向磨損車刀的徑向磨損（2 2）刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)）刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1 1） 精加工精加工VBVB0.1 mm0.1 mm0.3

24、mm0.3mm；粗加工粗加工VBVB0.6 mm0.6 mm0.8mm0.8mm。2 2）工藝系統(tǒng)剛性較差時，應(yīng)規(guī)定較小的磨鈍工藝系統(tǒng)剛性較差時，應(yīng)規(guī)定較小的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)；3 3）粗車鋼件，特別是粗車合金鋼和高溫合金粗車鋼件，特別是粗車合金鋼和高溫合金時，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)要比粗車鑄鐵時取得小些。時，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)要比粗車鑄鐵時取得小些。4 4） 加工同一種工件材料時，硬質(zhì)合金刀具的加工同一種工件材料時，硬質(zhì)合金刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)要比高速鋼刀具取得小些。磨鈍標(biāo)準(zhǔn)要比高速鋼刀具取得小些。 四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命4.4.刀具壽命刀具壽命(1) (1) 定義定義 刃磨或換刃后的刀具，自開始切削直到磨刃磨或換刃后的刀具，自開始切削直到磨損量達到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止的切削時間，稱為刀損量達到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止的切削時間，稱為刀具壽命，符號用具壽命，符號用T T，單位用，單位用minmin或或s s。 四、刀具磨損與刀具壽命四、刀具磨損與刀具壽命4.4.