第3章金屬切削原理與刀具第2節(jié)

1第3章

金屬切削原理與刀具

本章要點(diǎn)金屬切削刀具金屬切削的基本規(guī)律刀具磨損與壽命切削用量的選擇2024/2/272第二節(jié)金屬切削的基本規(guī)律2.1切削過程及切屑種類——變形規(guī)律一、切屑的形成過程二、三個(gè)變形區(qū)三、切屑的類型及控制四、積屑瘤現(xiàn)象2.2切削力與切削功率——力的規(guī)律一、切削力概念二、切削力來源三、力的合成與分解四、切削力的經(jīng)驗(yàn)公式和切削力估算五、切削功率六、影響切削力的因素32.3切削熱與切削溫度——熱的規(guī)律

一、切削熱的產(chǎn)生和傳出

二、切削溫度的測(cè)量

三、切削溫度的分布

四、切削溫度的計(jì)算

五、影響切削溫度的主要因素

六、切削液

七、切削溫度對(duì)工件、刀具和切削過程的影響42.1切削過程及切屑種類——變形規(guī)律一、切屑的形成過程5圖3.1切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角金屬切削變形過程紫銅切削變形過程6

第Ⅰ變形區(qū)圖3.2

切削部位三個(gè)變形區(qū)ⅠⅢⅡ

第Ⅲ變形區(qū)二、三個(gè)變形區(qū)

第Ⅱ變形區(qū)2.1切削過程及切屑種類——變形規(guī)律OA與OM之間是切削層的塑性變形區(qū)，稱為第一變形區(qū)，或稱基本變形區(qū)?；咀冃螀^(qū)的變形量最大，常用它來說明切削過程的變形情況。

切屑與前面摩擦的區(qū)域Ⅱ稱為摩擦變形區(qū)。工件已加工表面與后面接觸的區(qū)域Ⅲ稱為加工表面變形區(qū)。7三、切屑的類型及控制1.切屑的類型

圖3.3切屑類型2.1切削過程及切屑種類——變形規(guī)律892.切屑的控制（1）原因？可能拉傷工件的已加工表面，使表面粗糙度惡化；劃傷機(jī)床，卡在機(jī)床運(yùn)動(dòng)副之間；造成刀具的早期破損；有時(shí)甚至影響操作者的安全；數(shù)控機(jī)床如不能進(jìn)行有效的切屑控制，輕則限制了機(jī)床能力的發(fā)揮，重則使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。102.切屑的控制（2）如何控制？在切削加工中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂魄行嫉木砬⒘鞒雠c折斷，使形成“可接受”的良好屑形。（3）可控性標(biāo)準(zhǔn)不妨礙正常的加工(即不纏繞在工件、刀具上，不飛濺到機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件中)；不影響操作者的安全；易于清理、存放和搬運(yùn)。11（4）切屑的控制——卷曲和折斷

為使切削過程正常進(jìn)行和保證已加工表面質(zhì)量，應(yīng)使切屑卷曲和折斷。

切屑的卷曲是切屑基本變形或經(jīng)過卷屑槽使之產(chǎn)生附加變形的結(jié)果。斷屑是對(duì)已變形的切屑再附加一次變形（常需有斷屑裝置）12斷屑槽形式直線圓弧型直線型全圓弧型13斷屑槽形式14壓塊式斷屑器形式15可轉(zhuǎn)位刀具

16四、積屑瘤現(xiàn)象2.1切削過程及切屑種類——變形規(guī)律17積屑瘤成因◆

一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接◆粘接金屬嚴(yán)重塑性變形，產(chǎn)生加工硬化滯留—粘接—長大積屑瘤形成過程切屑刀具

積屑瘤積屑瘤18◆

增大前角，保護(hù)刀刃；◆

增大切入厚度,Δac的變化有可能引起振動(dòng)；

影響加工精度和表面粗糙度；影響刀具耐用度。積屑瘤影響19防止積屑瘤的措施

控制切削速度，采用很低或很高的速度，避開中速區(qū)；使用潤滑性能好的切削液，減小摩擦；增大刀具前角，減小切屑與前面接觸區(qū)的壓力；提高工件材料硬度，減少加工硬化傾向。20一、切削力概念二、切削力來源3個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生的彈性變形抗力3個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生的塑性變形抗力切屑、工件與刀具間摩擦阻力2.2切削力與切削功率——力的規(guī)律21κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv切削力的分解F切削合力Fc主切削力Fp背向力Ff進(jìn)給力三、切削力的合成與分解22在車削時(shí)：Fc——主切削力。方向與加工表面相切并與基面垂直。

計(jì)算切削功率、是設(shè)計(jì)機(jī)床零件的主要依據(jù)。

Ff——進(jìn)給力?；鎯?nèi)并與工件軸線平行與進(jìn)給方向相反。

設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，確定進(jìn)給功率。Fp——背向力。處于基面內(nèi)并與工件軸線垂直的力。計(jì)算與加工精度有關(guān)的工件撓度、機(jī)床零件和車刀強(qiáng)度。

23四、切削力的經(jīng)驗(yàn)公式和切削力估算式中CFc,CFp,CFf

——與工件、刀具材料有關(guān)系數(shù)；

xFc,xFp,xFf

——切削深度ap對(duì)切削力影響指數(shù)；

yFc,yFp,yFf

——進(jìn)給量f

對(duì)切削力影響指數(shù)；

nFc,nFp,nFf——切削速度v

對(duì)切削力影響指數(shù)；

KFc,KFp,KFf

——考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。(1)指數(shù)形式的切削力經(jīng)驗(yàn)公式24kc——切除單位切削層面積的主切削力。(2)用單位切削力kc計(jì)算切削力

例：硬質(zhì)合金刀具車削45鋼，單位切削力kc=2000N/mm2，取ap=5mm，f=0.4mm/r。解：Fc=2000×5×0.4=4000N。25式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主運(yùn)動(dòng)速度（m/s）。

五、切削功率工作功率Pe:消耗在切削加工過程中的功率。切削功率Pc:主運(yùn)動(dòng)消耗的功率。進(jìn)給功率Pf:進(jìn)給運(yùn)動(dòng)消耗的功率。由于進(jìn)給功率Pf相對(duì)于Pc一般都很小(1%~2%)，可以忽略不計(jì)。所以，工作功率Pe可用切削功率Pc近似代替。26機(jī)床電機(jī)功率式中η

——機(jī)床傳動(dòng)效率，通常η=0.75～0.8527六、影響切削力的因素

工件材料◆切削深度與切削力近似成正比；◆進(jìn)給量增加，切削力增加，但不成正比；◆切削速度對(duì)切削力影響復(fù)雜。強(qiáng)度高加工硬化傾向大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）圖3-6切削速度對(duì)切削力的影響切削用量28◆

前角γ0

增大，切削力減?。▓D3-7）；◆

主偏角κr

對(duì)主切削力影響不大，對(duì)背向力和進(jìn)給力影響顯著（κr

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑，圖3-8）。前角對(duì)γ0切削力的影響前角γ0切削力Fγ0-Fcγ0–Fpγ0–Ff主偏角κr對(duì)切削力的影響主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fcκr

–Ffκr

–Fp2006001000140018002200刀具幾何角度影響六、影響切削力因素

29刀具幾何角度影響◆

與主偏角相似，刃傾角λs對(duì)主切削力影響不大，對(duì)背向力和進(jìn)給力影響顯著（λs

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑）◆

刀尖圓弧半徑rε

對(duì)主切削力影響不大，對(duì)背向力和進(jìn)給力影響顯著（rε

↑——Fp↑，F(xiàn)f↓）；其他因素影響◆

刀具材料：與工件材料之間的親和性影響其間的摩擦，而影響切削力；◆

切削液：有潤滑作用，使切削力降低；◆

后刀面磨損：使切削力增大，對(duì)背向力Fp的影響最為顯著。六、影響切削力因素

302.3切削熱與切削溫度——熱的規(guī)律一、切削熱的產(chǎn)生和傳出31切削熱來源★切削熱的來源：一個(gè)是切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦所消耗的摩擦功，這是切削熱的主要來源。另一個(gè)是切削層金屬在刀具的作用下發(fā)生彈性變形和塑性變形所消耗的變形功。與此相對(duì)應(yīng)，切削熱產(chǎn)生在三個(gè)區(qū)域，即剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、工件與后刀面接觸區(qū)。

切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)（切削液、空氣)等傳散出去。工件切屑刀具切削熱的來源與傳出切削熱傳出32二、切削溫度的測(cè)量

切削溫度：一般是指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。切削溫度的測(cè)量方法很多，大致可分為熱電偶法、輻射溫度計(jì)法以及其他測(cè)量方法。目前應(yīng)用較廣的是自然熱電偶法和人工熱電偶法。33三、切削溫度的分布2.3切削熱與切削溫度——熱的規(guī)律★

切削塑性材料——前刀面靠近刀尖處溫度最高?！?/p>

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖處溫度最高。342.3切削熱與切削溫度——熱的規(guī)律切削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式：四、切削溫度的計(jì)算式中θ——實(shí)驗(yàn)測(cè)出的前面接觸區(qū)平均溫度（℃）

C?——切削溫度系數(shù)

Vc——切削速度（m∕min）

f——進(jìn)給量（mm∕r）

ap——背吃刀量（mm）

zθ、yθ、xθ——相應(yīng)的指數(shù)352.3切削熱與切削溫度——熱的規(guī)律五、影響切削溫度的主要因素1.切削用量2.刀具幾何參數(shù)3.工件材料4.刀具磨損5.切削液361.切削用量刀具材料加工方法Cθxθyθzθ高速鋼車削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.1銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f/(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3

通過對(duì)比表中數(shù)據(jù)可知xθ＞yθ＞zθ，說明切削用量三要素對(duì)切削溫度的影響v＞f＞ap，這與它們對(duì)切削力的影響程度正好相反。371)切削速度v382)進(jìn)給量f393)背吃刀量ap402.刀具幾何參數(shù)1)前角γo對(duì)切削溫度的影響412)主偏角κr對(duì)切削溫度的影響423.工件材料

工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，切削力越大，切削時(shí)消耗的功也越多，產(chǎn)生的切削熱也越多，切削溫度也就越高。

434.刀具磨損刀具磨損后，切削刃變鈍，刃區(qū)前方的擠壓作用增大，使切削區(qū)的金屬的塑性變形增加。同時(shí)，磨損后的刀具后角變成零度，使工件與刀具的摩擦加大，兩者均使切削熱的產(chǎn)生增加。所以，刀具磨損是影響切削溫度的重要因素。445.切削液切削液對(duì)降低切削溫度、減少刀具磨損和提高已加工表面質(zhì)量有明顯的效果，在切削加工中應(yīng)用很廣。切削液對(duì)切削溫度的影響，與切削液的導(dǎo)熱性能、比熱、流量、澆注方式以及本身的溫度有很大關(guān)系。從導(dǎo)熱性能來看，水基切削液＞乳化液＞油類切削液。45

為了降低刀具和工件的溫度，不僅要減少切削熱的產(chǎn)生，而且要改善散熱條件。噴注足量的切削液可以有效地降低切削溫度。使用切削液，除起冷卻作用外，還可以起潤滑、清洗和防銹的作用。生產(chǎn)中常用的切削液可分為以下三類：

（1）水溶液它的主要成分是水，并在水中加入一定量的防銹劑，其冷卻性能好，潤滑性能差，呈透明狀，常在磨削中使用。六、切削液46

（2）乳化液

它是將乳化油用水稀釋而成，呈乳白色。為使油和水混合均勻，常加入一定量的乳化劑（如油酸鈉皂等）。乳化液具有良好的冷卻和清洗性能，并具有一定的潤滑性能，適用于粗加工及磨削。（3）切削油它主要是礦物油，特殊情況下也采用動(dòng)、植物油或復(fù)合油，其潤滑性能好，但冷卻性能差，常用于精加工工序。

切削液的品種很多，性能各異，通常應(yīng)根據(jù)加工性質(zhì)、工件材料和刀具材料等來選擇合適的切削油，才能收到良好的效果。47類型用途1）水溶液冷卻

電解水溶液磨削、鉆孔和粗車等

表面活性水溶液精車、精銑和鉸孔等2）乳化液冷卻，潤滑，清洗

濃度低的乳化液冷卻，適于粗加工和磨削；

濃度高的乳化液潤滑，適于精加工3）切削油潤滑作用10號(hào)、20號(hào)機(jī)油普通車削、攻絲

輕柴油自動(dòng)機(jī)上

煤油精加工有色金屬、普通孔或深孔精加工

豆油、菜油、蓖麻油等螺紋加工4）極壓切削油和極壓乳化液在高溫下顯著提高冷卻和潤滑效果，用于難切削材料的精加工5）不用切削液鑄鐵、青銅、黃銅等脆性材料；硬質(zhì)合金刀具48

粗加工時(shí)，主要要求冷卻，也希望降低一些切削力及切削功率，一般應(yīng)選用冷卻作用較好的切削液，如低濃度的乳化液等。

精加工時(shí)，主要希望提高工件的表面質(zhì)量和減少刀具磨損，一般應(yīng)選用潤滑作用較好的切削液，如高濃度的乳化液或切削油等。加工一般鋼材，通常選用乳化液或硫化切削油。加工銅合金和有色金屬，一般不宜采用含硫化油的切削液，以免腐蝕工件。加工鑄鐵、青銅、黃銅等脆性材料時(shí)，為避免崩碎切屑進(jìn)入機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件