模塊一金屬切削原理課題二金屬切削過程的物理現(xiàn)象

1、機(jī)械制造工藝與裝備機(jī)械制造工藝與裝備 模塊一模塊一 金屬切削原理金屬切削原理課題二課題二 金屬金屬切削過程切削過程的物理現(xiàn)象的物理現(xiàn)象知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)l切削切削層的層的變形變形l切削力切削力l切削熱和切削溫度切削熱和切削溫度技能點(diǎn)技能點(diǎn)l認(rèn)識(shí)切屑的形成及其分類認(rèn)識(shí)切屑的形成及其分類l認(rèn)識(shí)切削力的來源及分解認(rèn)識(shí)切削力的來源及分解l認(rèn)識(shí)切削熱和切削溫度形成及加工的影響認(rèn)識(shí)切削熱和切削溫度形成及加工的影響 在切削加工在切削加工2020鋼圓棒料時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷鋼圓棒料時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷屑困難，加工后表面粗糙度達(dá)不到要求，為什屑困難，加工后表面粗糙度達(dá)不到要求，為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？如何避免？么會(huì)出現(xiàn)這種情況

2、？如何避免？ 切削時(shí)刀具擠壓切削層，使之與工件分離變成切屑，切削時(shí)刀具擠壓切削層，使之與工件分離變成切屑，獲得所需要的表面，這個(gè)過程稱為切削過程。切屑的形狀獲得所需要的表面，這個(gè)過程稱為切削過程。切屑的形狀與切削力引起的分離層金屬變形情況有關(guān)，加工后表面粗與切削力引起的分離層金屬變形情況有關(guān)，加工后表面粗糙度達(dá)不到要求與積屑瘤的形成有關(guān)，積屑瘤的形成又與糙度達(dá)不到要求與積屑瘤的形成有關(guān)，積屑瘤的形成又與切削溫度有關(guān)。切削溫度有關(guān)。 這些現(xiàn)象和規(guī)律直接影響著切削力、切削熱、切削溫這些現(xiàn)象和規(guī)律直接影響著切削力、切削熱、切削溫度、刀具磨損與刀具耐用度的大小、加工質(zhì)量、切削效率度、刀具磨損與刀具耐用

3、度的大小、加工質(zhì)量、切削效率以及切削加工的經(jīng)濟(jì)性，是進(jìn)一步研究工件質(zhì)量、生產(chǎn)率以及切削加工的經(jīng)濟(jì)性，是進(jìn)一步研究工件質(zhì)量、生產(chǎn)率和加工成本的依據(jù)。和加工成本的依據(jù)。 (1)(1)概述概述 金屬的切削過程與金屬的擠壓過程很相似。金屬材料受到刀金屬的切削過程與金屬的擠壓過程很相似。金屬材料受到刀具的作用以后，開始產(chǎn)生彈性變形；雖著刀具繼續(xù)切入，金屬內(nèi)具的作用以后，開始產(chǎn)生彈性變形；雖著刀具繼續(xù)切入，金屬內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變繼續(xù)加大，當(dāng)達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，開始產(chǎn)生塑部的應(yīng)力、應(yīng)變繼續(xù)加大，當(dāng)達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，開始產(chǎn)生塑性變形，并使金屬晶格產(chǎn)生滑移；刀具再繼續(xù)前進(jìn)，應(yīng)力進(jìn)而達(dá)性變形，并使金屬晶格產(chǎn)生滑移

4、；刀具再繼續(xù)前進(jìn)，應(yīng)力進(jìn)而達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度，便會(huì)產(chǎn)生擠裂。到材料的斷裂強(qiáng)度，便會(huì)產(chǎn)生擠裂。 1.切削切削層的層的變形變形三三. .相關(guān)知識(shí)相關(guān)知識(shí)第第變形區(qū)變形區(qū) 近切削刃處切削近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)；層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)；第第變形區(qū)變形區(qū) 與前刀面接與前刀面接觸的切屑層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)；觸的切屑層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)；第第變形區(qū)變形區(qū) 近切削刃處已近切削刃處已加工表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)。加工表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)。 大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析證明，塑性金屬切削過程中切屑的形成過程大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析證明，塑性金屬切削過程中切屑的形成過程就是切削層金屬的變形過程。切削層的金屬變形大致劃分為三個(gè)變形區(qū)就

5、是切削層金屬的變形過程。切削層的金屬變形大致劃分為三個(gè)變形區(qū)：第一變形區(qū)（剪切滑移）、第二變形區(qū)（纖維化）、第三變形區(qū)（纖：第一變形區(qū)（剪切滑移）、第二變形區(qū)（纖維化）、第三變形區(qū)（纖維化與加工硬化）。維化與加工硬化）。(1)(1)切屑的形成過程切屑的形成過程切削變形的力學(xué)本質(zhì)切削變形的力學(xué)本質(zhì) 切削金屬形成切屑的過程是一個(gè)切削金屬形成切屑的過程是一個(gè)類似于金屬材類似于金屬材料受擠壓作用，產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而產(chǎn)生剪切滑移的料受擠壓作用，產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而產(chǎn)生剪切滑移的變形過程變形過程 。 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明， 切屑的變形和形成過程實(shí)際上經(jīng)歷了彈性變形、塑性切屑的變形和形成過程實(shí)際上經(jīng)歷了彈性變形、塑

6、性變形、擠裂、切離四個(gè)階段。變形、擠裂、切離四個(gè)階段。外形特征：外形特征：它的內(nèi)表面是光滑的，外表面是它的內(nèi)表面是光滑的，外表面是 毛茸茸的。毛茸茸的。形成條件：形成條件：用大前角的刀具、較高的切削速用大前角的刀具、較高的切削速 度和較小的進(jìn)給量切削塑性材料度和較小的進(jìn)給量切削塑性材料優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：點(diǎn)：切削過程平穩(wěn)，切削力波動(dòng)較小，已加工表面粗糙度較切削過程平穩(wěn)，切削力波動(dòng)較小，已加工表面粗糙度較 小。小。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：切屑連續(xù)不斷，不太安全或可能擦傷已加工表面，因此切屑連續(xù)不斷，不太安全或可能擦傷已加工表面，因此 要采取斷屑措施。要采取斷屑措施。 (2)(2)切屑的類型切屑的類型帶狀切屑帶狀切屑

7、擠裂擠裂(節(jié)狀節(jié)狀)切屑切屑外形特征：外形特征：刀屑接觸面有裂紋，外刀屑接觸面有裂紋，外 表面是鋸齒形。表面是鋸齒形。形成條件：形成條件：采用較低的切削速度和采用較低的切削速度和 較大的進(jìn)給量，刀具前較大的進(jìn)給量，刀具前 角較小，粗加工中等硬角較小，粗加工中等硬 度的鋼材料度的鋼材料特點(diǎn)：特點(diǎn)：切削力波動(dòng)較大，工件表面較粗糙切削力波動(dòng)較大，工件表面較粗糙： 在切削鑄鐵和黃銅等脆在切削鑄鐵和黃銅等脆 性材料時(shí)，切削層金屬發(fā)生性材料時(shí)，切削層金屬發(fā)生 彈性變形以后，一般不經(jīng)過彈性變形以后，一般不經(jīng)過 塑性變形就突然崩落，形成塑性變形就突然崩落，形成 不規(guī)則的碎塊狀屑片，即為不規(guī)則的碎塊狀屑片，即為

8、 崩碎切屑。崩碎切屑。 當(dāng)?shù)毒咔敖切　⑦M(jìn)給量大時(shí)易產(chǎn)生這種切屑。當(dāng)?shù)毒咔敖切?、進(jìn)給量大時(shí)易產(chǎn)生這種切屑。 產(chǎn)生崩碎切屑時(shí)，切削熱和切削力都集中在主切削刃產(chǎn)生崩碎切屑時(shí)，切削熱和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨損，并容易產(chǎn)生振動(dòng)，和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨損，并容易產(chǎn)生振動(dòng)，影響表面質(zhì)量。影響表面質(zhì)量。 在一定速度范圍下，在一定速度范圍下，切削塑性金屬材料形成切削塑性金屬材料形成帶狀切屑時(shí)帶狀切屑時(shí), , 常在刀具常在刀具前刀面靠近切削刃的部前刀面靠近切削刃的部位粘結(jié)一些工件材料位粘結(jié)一些工件材料, , 形成一塊硬度很高的楔形成一塊硬度很高的楔塊，稱之為塊，稱之為。(

9、1)(1)什么是積屑瘤什么是積屑瘤 當(dāng)切屑沿刀具的前刀面流出時(shí)，在一定的溫度與壓力作用下，當(dāng)切屑沿刀具的前刀面流出時(shí)，在一定的溫度與壓力作用下，與前刀面接觸的切屑底層受到很大的摩擦阻力，致使這一層金屬的與前刀面接觸的切屑底層受到很大的摩擦阻力，致使這一層金屬的流出速度減慢，形成一層很薄的流出速度減慢，形成一層很薄的“滯流層滯流層”。當(dāng)前刀面對(duì)滯流層的。當(dāng)前刀面對(duì)滯流層的摩擦阻力超過切屑材料的內(nèi)部結(jié)合力時(shí)，就會(huì)有一部分金屬粘結(jié)或摩擦阻力超過切屑材料的內(nèi)部結(jié)合力時(shí)，就會(huì)有一部分金屬粘結(jié)或冷焊在切削刃附近，形成積屑瘤。冷焊在切削刃附近，形成積屑瘤。(2)(2)積屑瘤的形成原因積屑瘤的形成原因(3)(

10、3)積屑瘤對(duì)起削過程的影響積屑瘤對(duì)起削過程的影響 v積屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切積屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃進(jìn)行切削，起到保護(hù)切削刃的作用。削刃進(jìn)行切削，起到保護(hù)切削刃的作用。v使實(shí)際前角增大，切削輕快。使實(shí)際前角增大，切削輕快。因此，粗加工時(shí)可利用積屑瘤。因此，粗加工時(shí)可利用積屑瘤。v積屑瘤的頂端伸出切削刃之外，而且在不斷地產(chǎn)生和積屑瘤的頂端伸出切削刃之外，而且在不斷地產(chǎn)生和脫落，使切削層公稱厚度不斷變化，影響尺寸精度。脫落，使切削層公稱厚度不斷變化，影響尺寸精度。v此外，還會(huì)導(dǎo)致切削力的變化，引起振動(dòng)，此外，還會(huì)導(dǎo)致切削力的變化，引起振動(dòng)，v并會(huì)有一些積屑瘤碎片

11、粘附在工件已加工表面上，增并會(huì)有一些積屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和導(dǎo)致刀具磨損。大表面粗糙度和導(dǎo)致刀具磨損。采用低速或高速切削，采用低速或高速切削，由于切削速度是通過切削溫度由于切削速度是通過切削溫度影響積屑瘤的，以切削影響積屑瘤的，以切削4545鋼為例，在低速鋼為例，在低速v vc c3m/min3m/min和較高速度和較高速度v vc c60m/min60m/min范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)都較小，故范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)都較小，故不易形成積屑瘤；不易形成積屑瘤；采用高潤滑性的切削液，采用高潤滑性的切削液，使摩擦和粘結(jié)減少；使摩擦和粘結(jié)減少；適當(dāng)減少進(jìn)給量、增大刀具前角、減小切削變形；

12、適當(dāng)減少進(jìn)給量、增大刀具前角、減小切削變形；適當(dāng)?shù)臒崽幚韥硖岣吖ぜ牧系挠捕?、降低塑性、減適當(dāng)?shù)臒崽幚韥硖岣吖ぜ牧系挠捕?、降低塑性、減小加工硬化傾向。小加工硬化傾向。(4(4）抑制或消除積屑瘤的措施）抑制或消除積屑瘤的措施( (二二) )切削力切削力（1 1）切削力的來源）切削力的來源 切削力來自于金屬切削過程中切削力來自于金屬切削過程中克服被加工材料的彈、塑性變形抗克服被加工材料的彈、塑性變形抗力和刀具與工件及刀具與切屑之間力和刀具與工件及刀具與切屑之間摩擦阻力。摩擦阻力。（2 2）切削力的分解）切削力的分解 通常將合力通常將合力F分解為分解為相互垂直的三個(gè)分力：相互垂直的三個(gè)分力： 。主

13、切削力主切削力Fz(Fc)總切削力在主運(yùn)動(dòng)方向的分力，大小總切削力在主運(yùn)動(dòng)方向的分力，大小約占總切削力的約占總切削力的80%90% 。Fc消耗消耗的功率最多，約占總功率的的功率最多，約占總功率的90%左右，左右，是計(jì)算機(jī)床切削功率、選配機(jī)床電機(jī)、是計(jì)算機(jī)床切削功率、選配機(jī)床電機(jī)、校核機(jī)床主軸、設(shè)計(jì)機(jī)床部件及計(jì)算校核機(jī)床主軸、設(shè)計(jì)機(jī)床部件及計(jì)算刀具強(qiáng)度等必不可少的參數(shù)。刀具強(qiáng)度等必不可少的參數(shù)。背向力背向力 Fy（Fp）進(jìn)給力進(jìn)給力Fx (Ff )總切削力在垂直于工作平面方向的分力，總切削力在垂直于工作平面方向的分力，F(xiàn)p不消耗功率。但容易使不消耗功率。但容易使工件變形，甚至可能產(chǎn)生振動(dòng)，影響工

14、件的加工精度。是進(jìn)行加工工件變形，甚至可能產(chǎn)生振動(dòng)，影響工件的加工精度。是進(jìn)行加工精度分析、計(jì)算工藝系統(tǒng)剛度以及分析工藝系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，所必須的精度分析、計(jì)算工藝系統(tǒng)剛度以及分析工藝系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，所必須的參數(shù)。參數(shù)。總切削力在進(jìn)給方向的分力，進(jìn)給力也作功，但只總切削力在進(jìn)給方向的分力，進(jìn)給力也作功，但只占總功的占總功的1%5%。是設(shè)計(jì)、校核機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，。是設(shè)計(jì)、校核機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)床進(jìn)給功率不可缺少的參數(shù)計(jì)算機(jī)床進(jìn)給功率不可缺少的參數(shù)1）工件材料）工件材料影響較大的因素主要是工件材料的強(qiáng)度、硬度和塑性。影響較大的因素主要是工件材料的強(qiáng)度、硬度和塑性。材料的強(qiáng)度、硬度越高，則屈服強(qiáng)度越高，切削力

15、越大。材料的強(qiáng)度、硬度越高，則屈服強(qiáng)度越高，切削力越大。在強(qiáng)度、硬度相近的情況下，材料的塑性、韌性越大，則刀在強(qiáng)度、硬度相近的情況下，材料的塑性、韌性越大，則刀具前面上的平均摩擦系數(shù)越大，切削力也就越大。具前面上的平均摩擦系數(shù)越大，切削力也就越大。2）切削用量）切削用量進(jìn)給量進(jìn)給量f和背吃刀量和背吃刀量ap 進(jìn)給量進(jìn)給量f和背吃刀量和背吃刀量ap增加，增加，使切削力使切削力Fc增加。增加。切削速度在切削速度在520m/min區(qū)域內(nèi)增加時(shí)，積屑瘤高度逐漸增加，區(qū)域內(nèi)增加時(shí)，積屑瘤高度逐漸增加，切削力減?。磺邢髁p?。磺邢魉俣壤^續(xù)在切削速度繼續(xù)在2035m/min范圍內(nèi)增加，積屑瘤逐漸消失，切范圍

16、內(nèi)增加，積屑瘤逐漸消失，切削力增加；削力增加；在切削速度大于在切削速度大于35m/min時(shí)，由于切削溫度上升，摩擦系數(shù)減小，時(shí)，由于切削溫度上升，摩擦系數(shù)減小，切削力下降。一般切削速度超過切削力下降。一般切削速度超過90m/min時(shí)，切削力無明顯變化。時(shí)，切削力無明顯變化。在切削脆性金屬工件材料時(shí)，因塑性變形很小，刀屑界面上的在切削脆性金屬工件材料時(shí)，因塑性變形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度摩擦也很小，所以切削速度c 對(duì)切削力對(duì)切削力Fc無明顯的影響。無明顯的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果刀具材料和機(jī)床性能許可，采用高速切削，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果刀具材料和機(jī)床性能許可，采用高速切削，既能提

17、高生產(chǎn)效率，又能減小切削力。既能提高生產(chǎn)效率，又能減小切削力。 切削速度切削速度c 前角的影響前角的影響: o 切削變形切削變形切削力切削力。（塑性材料）（塑性材料）主偏角的影響：主偏角的影響：Kr Fp , Ff 3） 刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)kr1Krkr2FpFf4） 刀具磨損刀具磨損5）切削液）切削液6）刀具材料）刀具材料 刀具材料與被加工材料間的摩擦系數(shù)，影響到摩擦力的刀具材料與被加工材料間的摩擦系數(shù)，影響到摩擦力的變化，直接影響著切削力的變化。變化，直接影響著切削力的變化。(三三) 切削熱和切削溫度切削熱和切削溫度 金屬切削過程的三個(gè)變形區(qū)就是產(chǎn)生切削熱的三個(gè)熱金屬切削過程的三個(gè)變

18、形區(qū)就是產(chǎn)生切削熱的三個(gè)熱源：源：1)切屑變形所產(chǎn)生的熱量，是切削熱的主要來源；切屑變形所產(chǎn)生的熱量，是切削熱的主要來源； 2)切屑與刀具前刀面之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量；切屑與刀具前刀面之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量；3)工件與刀具后刀面之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量。工件與刀具后刀面之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量。切削熱的產(chǎn)生和傳出切削熱的產(chǎn)生和傳出 切削熱向切削熱向以及周圍的以及周圍的傳導(dǎo)，傳導(dǎo)，使它們的溫度上升，從而導(dǎo)致切削區(qū)內(nèi)的切削溫度上升。使它們的溫度上升，從而導(dǎo)致切削區(qū)內(nèi)的切削溫度上升。 用高速鋼車刀及與之相適應(yīng)的切削速度切削鋼料時(shí)，用高速鋼車刀及與之相適應(yīng)的切削速度切削鋼料時(shí)，切削熱傳出的比例是：切削熱傳

19、出的比例是： 切屑傳出的熱約為切屑傳出的熱約為50%86%； 工件傳出的熱約為工件傳出的熱約為40%10%； 刀具傳出的熱約為刀具傳出的熱約為9%3%；周圍介質(zhì)傳出的熱約為；周圍介質(zhì)傳出的熱約為1%。 (1)對(duì)刀具材料的影響對(duì)刀具材料的影響 高速鋼刀具材料的耐熱性為高速鋼刀具材料的耐熱性為600左右，左右，超過該溫度刀具失效。硬質(zhì)合金刀具材料超過該溫度刀具失效。硬質(zhì)合金刀具材料耐熱性好，在高溫耐熱性好，在高溫8001000時(shí)，強(qiáng)度反時(shí)，強(qiáng)度反而更高，韌性更好。因此適當(dāng)提高切削溫而更高，韌性更好。因此適當(dāng)提高切削溫度，可防止硬質(zhì)合金刀具崩刃，延長刀具度，可防止硬質(zhì)合金刀具崩刃，延長刀具壽命。壽命

20、。(2)對(duì)工件尺寸精度的影響對(duì)工件尺寸精度的影響 車削工件外圓時(shí)，工件受熱膨脹，切削后冷卻至室溫，尺寸變小，車削工件外圓時(shí)，工件受熱膨脹，切削后冷卻至室溫，尺寸變小，特別是在精加工和超精密加工時(shí)，切削溫度的變化對(duì)工件尺寸精度的特別是在精加工和超精密加工時(shí)，切削溫度的變化對(duì)工件尺寸精度的影響特別大，因此控制好切削溫度，是保證加工精度的有效措施。影響特別大，因此控制好切削溫度，是保證加工精度的有效措施。 (1)工件材料工件材料 (2)切削用量切削用量(3)刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)(4)刀具磨損刀具磨損 (5)切削液切削液 1)前角前角o塑性變形和摩擦塑性變形和摩擦切削溫度切削溫度。但前角不能太大，

21、否則刀具切削部分的鍥但前角不能太大，否則刀具切削部分的鍥角過小，容熱、散熱體積減小，切削溫度角過小，容熱、散熱體積減小，切削溫度反而上升。反而上升。 2)主偏角主偏角Kr切削刃工作接觸長度切削刃工作接觸長度，切，切削寬度削寬度bD，散熱條件變差，故切削溫度，散熱條件變差，故切削溫度。 刀具主后面磨損時(shí)，后角減小，刀具主后面磨損時(shí)，后角減小，后面與工件間摩擦加劇。刃口磨損后面與工件間摩擦加劇。刃口磨損時(shí)，切屑形成過程的塑性變形加劇，時(shí)，切屑形成過程的塑性變形加劇，使切削溫度增大。使切削溫度增大。 利用切削液的潤滑功能降低摩擦系數(shù)，減少切削熱的產(chǎn)生，利用切削液的潤滑功能降低摩擦系數(shù)，減少切削熱的產(chǎn)

22、生，也可利用它的冷卻功用吸收大量的切削熱，所以采用切削液是降也可利用它的冷卻功用吸收大量的切削熱，所以采用切削液是降低切削溫度的重要措施。低切削溫度的重要措施。四、任務(wù)實(shí)施四、任務(wù)實(shí)施1.斷屑困難的主要原因斷屑困難的主要原因20號(hào)鋼，金屬塑性好，不易斷裂；號(hào)鋼，金屬塑性好，不易斷裂；切屑變形不夠大，切屑內(nèi)的剪切應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度極限，切屑變形不夠大，切屑內(nèi)的剪切應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度極限，切屑不會(huì)斷裂。切屑不會(huì)斷裂。加工塑性金屬，如碳鋼、合金鋼等，當(dāng)切削厚度較小、切削加工塑性金屬，如碳鋼、合金鋼等，當(dāng)切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時(shí)。一般常得到這類切屑。速度較高、刀具前角較大時(shí)。一般常得到這類切屑。避免措施：避免措施：改善工件的切削加工性