金屬切削過程中的物理現(xiàn)象

金屬切削過程中的物理現(xiàn)象第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四金屬切削過程中的三個變形區(qū)第Ⅰ變形區(qū)

近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)；

第Ⅱ變形區(qū)

與前刀面接觸的切屑層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)；

第Ⅲ變形區(qū)近切削刃處已加工表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)

（后刀面與工件的接觸區(qū)域）第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四1、第一變形區(qū)（剪切滑移區(qū)）切削層受刀具的作用，經(jīng)過第一變形區(qū)的塑性變形后形成了切屑，下面以直角自由切削為例，分析較典型的連續(xù)切屑的形成過程。

切削層受到刀具前刀面與切削刃的擠壓作用下，使近切削刃出的金屬先產(chǎn)生彈性變形，繼而塑性變形，在這同時金屬晶格產(chǎn)生滑移。左圖是取金屬內(nèi)部質(zhì)點P來分析滑移過程。第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四2、第二變形區(qū)經(jīng)過第一變形區(qū)后，形成的切屑沿前刀面方向排出，還必須克服刀具前刀面對切屑的擠壓與摩擦。因此，在該區(qū)域內(nèi)金屬變形特點就是切屑在前刀面上發(fā)生的摩擦擠壓變形，這個變形主要集中在與前刀面接觸的切屑底部一薄層金屬內(nèi)，這部分金屬的晶粒在沿前刀面的方向被拉長，成纖維化，基本與前刀面平行。另外，由于切屑層底層受前刀面的擠壓而膨脹，使切屑背向前刀面卷曲，最后在某一點開始與前刀面脫離接觸。（擠壓摩擦區(qū)）3、第三變形區(qū)（擠壓摩擦回彈區(qū)）已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩擦，造成纖維化和加工硬化及殘余應(yīng)力，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)細(xì)微的裂紋。第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四二、積屑瘤1．積屑瘤的現(xiàn)象積屑瘤：切削塑性金屬時，在一定的切削條件下，常常有一些從切屑和工件上來的金屬冷焊并層積在前刀面上，形成一個非常堅硬的金屬堆積物，能夠代替刀刃進(jìn)行切削，并且以一定頻率生長和脫落。這種堆積物稱為積屑瘤。當(dāng)切削鋼、球墨鑄鐵、鋁合金等塑性材料時，在切削速度不高，而又能形成帶狀切屑的情況下生成積屑瘤。第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四積屑瘤高度及其實際工作前角第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四2.積屑瘤的成因：1）工件材料的塑性

主要是加工硬化的緣故，塑性材料切削時形成帶狀切削，加工硬化現(xiàn)象較強(qiáng)，容易產(chǎn)生積屑瘤；而脆性材料切削時形成崩脆切削，且加工硬化現(xiàn)象很弱，不易產(chǎn)生積屑瘤。第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四2）切削溫度

切削溫度也是形成積屑瘤的重要條件。切削溫度過低，粘結(jié)現(xiàn)象不易發(fā)生；切削溫度過高，加工硬化現(xiàn)象有削弱作用，因而積屑瘤也不易產(chǎn)生。

對于碳鋼，300oC～350oC范圍內(nèi)最容易產(chǎn)生積屑瘤，500oC以上趨于消失。第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四3）積屑瘤與切削速度的關(guān)系Ⅰ區(qū)：切削速度很低，形成粒狀或節(jié)狀切屑，沒有積屑瘤生成。Ⅱ區(qū)：形成帶狀切屑，冷焊條件逐漸形成，隨著切削速度的提高積屑瘤也增大。Ⅲ區(qū)：積屑瘤隨切削速度的提高而減小，當(dāng)達(dá)到Ⅲ區(qū)右邊界時，積屑瘤消失。Ⅳ區(qū)：切削速度進(jìn)一步提高，由于切削溫度較高而冷焊消失，此時積屑瘤不再存在了。但切屑底部的纖維化依然存在，切屑的滯留傾向也依然存在。第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四4）刀具的前角

因為積屑瘤是在帶狀切屑的前提下形成的。然而前角越大越容易形成帶狀切屑，前角越小容易形成崩脆切削，所以積屑瘤的形成與刀具的前角有著緊密的聯(lián)系。第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四3.積屑瘤對切削過程的影響：1)

積屑瘤包圍著切削刃，可以代替前面、后面和切削刃進(jìn)行切削，從而保護(hù)了刀刃，減少了刀具的磨損。2)

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。3)

積屑瘤前端伸出切削刃外，直接影響加工尺寸精度。4)

積屑瘤直接影響工件加工表面的形狀精度和表面粗糙度。第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四三、殘余應(yīng)力和加工硬化在金屬切削過程中，因刀具和工件表面的激烈擠壓和摩擦，使已加工表面層的塑性變形非常強(qiáng)烈，晶格破壞，表層硬度提高，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。工件表面硬化可提高耐磨性。但加工硬化常伴有裂紋產(chǎn)生，降低零件的抗沖擊性能。刀具和工件表面的激烈擠壓和摩擦，以及切削熱的作用，使已加工表面上常有殘余應(yīng)力存在。第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四四、脆性材料的切削機(jī)理脆性被切削材料在外力作用下，先形成裂紋。裂紋尖端附近應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到其臨界值時，裂紋就會發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致被切削材料的斷裂。第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四五、切屑力1.概念切削加工時刀具使切削層形成切削需要克服的阻力稱為切削力?！羟邢髁τ绊懙毒叩哪p和使用壽命?！羟邢髁τ绊懠庸ぞ?。工藝系統(tǒng)的彈性變形，所作的功轉(zhuǎn)化工藝系統(tǒng)的熱變形?！羰怯嬎闱邢鞴β?、設(shè)計和選用機(jī)床刀具夾具的必要依據(jù)。第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四2.切屑力的來源（1）來自工件的切削力：工件材料被切過程中所發(fā)生的彈性變形和塑性變形的抗力。（2）來自切屑的切屑力：切屑對刀具前刀面的摩擦力和加工表面對刀具后刀面的摩擦力。第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四3.總切削力的幾何分力Fp=FNcosKr;Ff=FNsinkr一般情況下，F(xiàn)c最大，F(xiàn)p和Ff小一些第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四主切削力Fc：切削合力F在主運(yùn)動方向的分力，又稱切向分力。它與切削速度方向一致，在切削過程中做功最多，占總切削功率的90%以上。Fc是計算機(jī)床動力、設(shè)備的強(qiáng)度及剛度的基本數(shù)據(jù)。

進(jìn)給抗力Ff：切削合力F在進(jìn)給運(yùn)動方向的合力，車外圓時，F(xiàn)f與工件的軸線相平行，因此又稱軸向分力。Ff作用在機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，它是設(shè)計進(jìn)給機(jī)構(gòu)必須的數(shù)據(jù)。

切深抗力Fp:切削合力F在切削深度方向的分力。車外圓時，F(xiàn)p與工件的徑向重合，因此又稱徑向分力。Fp作用在機(jī)床及工件剛性最差的方向，容易引起切削振動和工件的彎曲變形，影響加工精度及工件表面質(zhì)量。

第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四4.切削功率：是指切削時在切削區(qū)域內(nèi)消耗的功率，通常進(jìn)給消耗的功率略去不計，只計算主運(yùn)動消耗的功率：式中Fz－主切削力（N）v－主運(yùn)動切削速度（m/min）機(jī)床電動機(jī)所需功率PE:式中－機(jī)床傳動效率。第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.影響切削力的因素

影響切屑力的主要因素有：工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)、其它因素。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性變形的抗力；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。第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（1）工件材料的影響

工件材料的硬度或強(qiáng)度愈高，材料的剪切屈服強(qiáng)度也愈高，發(fā)生剪切變形的抗力也愈大，故切削力也愈大。在材料的強(qiáng)度、硬度相近的情況下，材料的塑性越大。韌性越大，則切削力越大。◆塑性大的材料在切削過程中將產(chǎn)生較大的塑性變形和加工硬化，且切削與前刀面的接觸時間長，故切削力較大；◆韌性大的材料，使之發(fā)生變形或破壞需消耗較多的能量，故切削力較大。

切削脆性材料時，一般皆為崩脆切削，從而切削與前刀面的摩擦都比較小，故其切削力相對較小。

第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（2）切削用量的影響1)切削深度和進(jìn)給量的影響切削深度ap進(jìn)給量fAD↑↑↑↑變形抗力摩擦力切削力↑ap增大一倍，F(xiàn)C也增大一倍；而f增大一倍，F(xiàn)C只能增大68%～86％。

由此可見，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下，增大f比增大ap更為有利。第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四2)切削速度的影響切削塑性材料時切削塑性材料，切削速度的影響分為兩個階段：有積屑瘤和無積屑瘤兩個階段。第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

切削速度是通過影響切削變形程度來影響切削力，切削變形大，則切削力大。

第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

切削鑄鐵等脆性材料時，被切材料的塑性變形及它與前刀面的摩擦均比較小。υc對切削力沒有顯著影響。

第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四3)刀具幾何參數(shù)的影響

①前角ro對切削力的影響;

↑刀刃鋒利↑↓前角go切削變形切削力對塑性材料對脆性材料影響較小第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四前角對切削力的影響ap

=

4

mmf

=

0.25

mm

/

r第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四②主偏角kr

對切削力的影響第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（a）當(dāng)時，主切削力F隨著Kr增加而減小。

（b）當(dāng)時，kr大時，主切削力F隨著Kr增加而增大。

Kr越大，切削寬度aw越小，切削厚度ac越大，因此切削力越小。第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四切削脆性材料時，切削力始終隨著Kr的增加而減小。第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四4）其它因素的影響1）刀具磨損越大，將增加切削力；2）使用切削液，將減小切削力。

第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四六、切屑熱和切削溫度1、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)

切削熱產(chǎn)生于三個變形區(qū)，切削熱來源于兩個方面：一是切削層金屬發(fā)生彈性和塑性變形所消耗的能量；二是切屑與前刀面、工件與后刀面間產(chǎn)生的摩擦熱。切削過程中消耗的功將絕大部分轉(zhuǎn)化成（約99%）轉(zhuǎn)換為熱量，即切削熱。切削熱Q≈Fzvc第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四切削熱傳出：(1)通過工件傳出Qg，使工件溫度升高(2)通過切屑傳出Qx，使切屑溫度升高(3)通過刀具傳出Qd，使刀具溫度升高(4)通過周圍介質(zhì)傳出Qj對車、銑、刨削加工，50～86％由切屑帶走，10～40％傳入刀具，3～9％傳入工件，1％傳入空氣;鉆削時，28％由切屑帶走，15％左右傳給工件，50％左右傳給刀具，其余由周圍介質(zhì)帶走;磨削時，大部分熱量傳給工件（84％）,傳給砂輪12％，而極小比例的熱量傳給磨屑，因此會使工件溫升很高，甚至燒傷工具表面。Q=Qg+Qx+Qd+Qj第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四2.切削溫度對切削加工過程的影響切削溫度的升高對去切削加工過程的影響主要有以下幾個方面：（1）對工件材料物理性能的影響。（2）對道具材料的影響。（3）對工件尺寸精度的影響。（4）利用切削溫度自動控制切削用量。第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四3.切削溫度的測定方法切削溫度的測定方法很多，有熱電偶法、熱輻射法、遠(yuǎn)紅外法、熱敏涂色發(fā)等等。但是目前最常用的是：測量方法它包括自然熱電偶法和人工熱電偶法。自然熱電偶法：是利用工件材料和刀具材料化學(xué)成分的不同而構(gòu)成熱電偶的兩極，并分別連接測量儀表，組成測量電路，刀具切削工件的切削區(qū)域產(chǎn)生高溫形成熱端，刀具與工件為熱電偶冷端，冷、熱端之間熱電勢由儀表測定。人工熱電偶法：是將兩種預(yù)先經(jīng)過標(biāo)定的金屬絲組成熱電偶，熱電偶的熱端焊接在刀具或工件需要測定溫度的指定點上，冷端通過導(dǎo)線串聯(lián)在電位差計或毫伏表上。第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（1）切削用量的影響

①切削速度的影響

a.V↑，摩擦熱來不及傳導(dǎo)，而是大量集聚在切屑底層，從而使切削溫度升高。b.V↑，金屬切除率成正比例地增加，所消耗的機(jī)械功增大，所以切削熱也會增大。而V↑，材料的剪切變形減小，因此單位體積的切削中由塑性變形所產(chǎn)生的熱量減少，故切削溫度與切削速度不成正比例關(guān)系。4、影響切削溫度的因素

第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四②進(jìn)給量的影響a.f↑,金屬切除率增多，切削溫度升高，b.f↑，切屑的平均變形減小，因此切除單元體積切削的變形功有所減少，從而使熱量又有所減小。c.f↑，切削厚度增加，切屑的熱容量也增大，由切屑帶走的熱量增加。d.

f↑，由于切屑與前刀面的接觸區(qū)長度增長，改善了散熱條件。故切削區(qū)的平均溫度上升的不顯著，當(dāng)進(jìn)給量增大一倍時，切削溫度約升高10％。第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四③切削深度的影響（1）ap↑,切削層金屬的變形功與摩擦功都成正比的增加，切削熱也會成正比的增加；（2）ap↑，切削刃參加工作長度也成正比地增長，從而改善了散熱條件。

故切削深度對切削溫度地影響很小，當(dāng)切削深度增加時，切削溫度的升高并不明顯。第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（2）工件材料的影響①硬度和強(qiáng)度的影響

工件材料的硬度、強(qiáng)度越高，切削時所消耗的功越多，產(chǎn)生的切削熱也越多，切削溫度就越高。②導(dǎo)熱系數(shù)的影響

工件材料導(dǎo)熱系數(shù)越低，切削區(qū)熱量的傳出越少，切削溫度就越高。③抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響脆性金屬的抗拉強(qiáng)度和延伸率都較小，切削過程中切削區(qū)的塑性變形很小，切削呈崩脆切削，與前刀面的摩擦也很小，所以產(chǎn)生的切削力較小，切削溫度一般比切削鋼料時低。第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（3）刀具幾何參數(shù)的影響①前角γ0的影響γ0↑→變形程度↓→F↓

→q↓但γ0＞18°～20°時，因散熱體積↓，q隨前角的增大而上升。故前角不宜過大。②主偏角κr的影響κr↑，切削刃的工作長度

↓，且刀尖角減小，使散熱面積↓→q↑

反之，減小主偏角，對降低切削溫度和提高刀具耐用度是有利的。第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四由于加工材料性質(zhì)的不同以及切削條件的不同，從變形觀點出發(fā)，可將切屑?xì)w納為四種形態(tài)：切塑性材料

帶狀切屑

擠裂切屑

單元切屑切削平穩(wěn)，力波動小

滑移量較大，局部

切削不平穩(wěn)，力波動大加工面光潔，斷屑難

剪應(yīng)力達(dá)斷裂強(qiáng)度

加工表面粗糙

少見↑γ0↑v↓ac

↓γ0

↓v

↑ac↓γ0

↓v

↑ac↑γ0↑v↓ac

二、切屑的形態(tài)切脆性材料不平穩(wěn)，表面粗糙應(yīng)↑γ0↑v↓ac第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四2、擠裂切屑：又稱節(jié)狀切屑。它的外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時有裂紋。在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時常產(chǎn)生此類切屑。

1、帶狀切屑：它的內(nèi)表面是光滑的，外表面呈毛茸狀。加工塑性金屬時，在切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大的工況條件下常形成此類切屑。

（一）、切屑的類型第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四4、崩碎切屑：加工脆性材料（鑄鐵、青銅），切削厚度越大越易得到這類切屑。

3、粒狀切屑：又稱單元切屑。在切屑形成過程中，如剪切面上的剪切應(yīng)力超過了材料的斷裂強(qiáng)度，切屑單元從被切材料上脫落，形成粒狀切屑。

第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（二）、切屑的形狀1、切屑形狀的分類切屑的形狀大體有帶狀屑、C型屑、崩碎屑、螺卷屑、長緊卷屑、發(fā)條狀屑、寶塔狀屑等第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四五.切削力的經(jīng)驗公式[計算舉例]：

用YT5硬質(zhì)合金車刀外圓縱車σb

=

630

MPa的熱軋45鋼，車刀幾何參數(shù)為ro=10°、kr

=

75°、rs=

–5°，切削用量為ap

=

2mm、f

=

0.3mm/r、vc

=

100

m

/

min。試計算切削力Fc、Fp、Ff及切削功率Pc。第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

[解]：

查表2-1得：CFC=2795xFC=1.0yFC=0.75zFC=-0.15

第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（三）刀具磨損的影響

刀具磨損后，切削刃變鈍，刃區(qū)前方的擠壓作用增大，使切削區(qū)的塑性變形增加；同時磨損后的刀具后角基本為零，與工件的摩擦增大，兩者均使切削熱增多。刀具磨損對Q影響越顯著。（四）切削液的影響

澆切削液對↓切削溫度↓刀具磨損↑加工質(zhì)量有明顯效果。

熱導(dǎo)率比熱容和流量越大，本身溫度越低冷卻效果越顯著第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四刀具失效形式：磨損

（正常工作時逐漸產(chǎn)生的損耗）

破損

（突發(fā)的破壞，隨機(jī)的）（一）前刀面磨損

切塑性材料，v和ac（>0.1mm)較大時，在前刀面上形成月牙洼磨損，以最大深度KT表示。這是由于切削塑性材料時產(chǎn)生的連續(xù)切削與前刀面發(fā)生的劇烈摩擦而引起的。第四節(jié)刀具磨損及耐用度一、刀具磨損形式切屑脆性材料時，前刀面不形成月牙洼。第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（二）后刀面磨損

切削脆性材料或v和ap（

<0.1mm)較小切塑性

材料時，主要發(fā)生這種磨損。使實際的切削刃有一定的圓弧和塌刃，因此形成顯著的負(fù)后角部分，與已加工表面有劇烈的摩擦。（三）前后刀面同時磨損

這是一種兼有前兩種磨損形式。切削塑性金屬時，經(jīng)常會發(fā)生這種磨損。第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

1.初期磨損階段

在這一階段，刀具磨削很快。

2.正常磨損階段

在這一階段，刀具磨削較慢，VB與切削時間近似正比，斜率表示磨損強(qiáng)度。

3.急劇磨損階段

在進(jìn)入這一階段時，刀具的磨損量速度突然加快，刀具已經(jīng)鈍化。此時若繼續(xù)切削，則切削力、溫度急升，刀具磨損擴(kuò)展極其迅速，刀具的切削能力很快就會完全喪失。二、刀具磨損過程第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（一）磨料磨損

切屑或工件表面上的硬質(zhì)點（碳化物、氧化物等）對

刀具表面刻劃作用造成的機(jī)械磨損。

低速切削時，磨料磨損是刀具磨損的主要原因。（二）粘結(jié)磨損

刀具與切屑、工件間存在高溫高壓和強(qiáng)烈摩擦，達(dá)到原

子間結(jié)合而產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，又稱為冷焊。相對運(yùn)動使粘

接點破裂而被工件材料帶走，造成粘結(jié)磨損。

中速切削形成不穩(wěn)定積屑瘤時，磨損嚴(yán)重；刀具刃磨質(zhì)量差，磨損嚴(yán)重。三、刀具磨損原因第51頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（三）擴(kuò)散磨損

刀具與切屑、工件接觸處由于高溫作用，雙方化學(xué)元素

在固態(tài)下互相擴(kuò)散，使刀材成分、結(jié)構(gòu)改變造成磨損。

切削溫度越高擴(kuò)散越快；加工材料親合力越大擴(kuò)散越快；

高速切削時擴(kuò)散磨損是刀具磨損的主要原因