金属切削过程

第二章 金属切削过程
第二节 切削力与切削功率
切削力是切削过程中刀具与工 件之间的相互作用力。
一、切削力的产生和分解
1、切削力的产生
a.是克服切屑形成过程中金属产生弹、塑性
变形的变形抗力所需要的力；
b.是克服切屑与刀具前刀面、刀具后刀面与
工件表面之间的摩擦阻力所需要的力。
切削力的来源
Lch LD
图2-3 切屑厚度压缩比
四、 切屑类型
切屑类型及形成条件
名称 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
简图
形态 变形 形成 条件
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
粒状
不规则块状颗粒
未经塑性变形即 被挤裂 加工硬脆材料， 刀具前角较小
影响
切削力波动较大， 切削力波动大，有 切削过程不平稳， 冲击，表面粗糙度 表面粗糙度不佳 恶劣，易崩刀
（二）、切屑的控制
在生产实践中，有的切屑打成螺卷状， 到一定长度时自行折断；有的切屑折断 成CБайду номын сангаас、6字形；有的呈发条状卷屑；有 的碎成针状或小片，四处飞溅，影响安 全；有的带状切屑缠绕在刀具和工件上 ，易造成事故。不良的排屑状态会影响 生产的正常进行。
此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。
3. 第三变形区
在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成 的变形区域称为第三变形区（Ⅲ）。 由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的
存在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切
除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀
具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，
第一变形区金属的滑移
第一变形区的切削变形是切削过程中切削力和切削热的主 要来源。
2. 第二变形区 （挤压和摩擦） 切屑沿刀具前面排出时会进一步受到 前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存 在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前 刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形。 这部分区域称为第二变形区（Ⅱ）。
切屑经第I、第Ⅱ变形区的剧烈变形后，硬 度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排 出过程中，当碰到刀具后刀面、工件上过 渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部 位的应变超过了切屑材料的断裂应变值， 切屑就会折断。
研究表明，工件材料脆性越大(断裂应变值小)、切屑厚度越 大、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断。可采取以下措 施对切屑实施控制： (1)采用断屑槽 通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定 的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。 断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则 会影响断屑效果。常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆 弧形和全圆弧形。
从而影响已加工表面质量。
此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要
原因。
已加工表面的形成过程
三、切削变形程度的表示方法 1. 剪切角φ
剪切角φ ↑ →剪切面 积↓→变形程度↓→切削力↓
剪切面 与切削速度(主 运动)方向之间的夹角 称为剪切角，用φ表示
图2-2 剪切角与切削变形
2.切削厚度压缩比（变形系数>1）
二、影响切削力的主要因素
1、工件材料的影响
a.材料的强度、硬度越高，变形抗力越大， 切削力也越大。 b.强度、硬度相近的材料，塑性、韧性越
大，切削力越大。
二、影响切削力的主要因素
2、切削用量的影响
◆切削深度与切削力近似成正比； ◆进给量增加，切削力增加，但不成正比； ◆切削速度对切削力影响不大（影响积屑瘤） 在切削加工时，
精加工应尽量避免积屑瘤


选择切削速度，（温度）避开产生积屑瘤的区域 高速：Vc>60m/min－－高速精加工 低速：Vc< 5m/min－－铰孔和拉削 适当提高工件材料硬度，降低塑性、减小加工硬化倾向 增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力 使用润滑性能好的切削液，减小切屑底层材料与刀具前刀 面间的摩擦 切削液的合理选择。
切屑控制
为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切 屑卷曲和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果 断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）
切屑的卷曲
断屑的产生
(2)改变刀具角度 增大刀具主偏角Kr，切削厚度变大,有利于断 屑; 减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折 断; 刃倾角λs可以控制切屑的流向，λs为正值时 ，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或 自然流出形成螺卷屑；λs为负值时，切屑常 卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑 。
主切削力Fc（N）
981
784 588
5 19 28 35 55 100 切削速度 v（m/min） 130
切削速度对切削力的影响
影响切削力因素
3 刀具几何角度影响
◆ 前角γ0 增大，切削力减小 ◆ 主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗 力影响显著（ κr ↑—— Fp↓，Ff↑）
切削力/ N 切削力F
⑶切削面积：工件被切下的金属层的截面积。
车外圆时：
Ac awac ap f
二、影响切削力的主要因素
2、切削用量的影响
◆切削深度与切削力近似成正比； ◆进给量增加，切削力增加，但不成正比； ◆切削速度对切削力影响不大（影响积屑瘤） 在切削加工时，
从降低切削力和
切削功率的角度 考虑，加大进给 量比加大背吃刀 量有利。
金属切削过程就是通过刀具把被切金属层 变成切屑的过程。 2.金属切削过程中包含有哪些现象？ 切 削变形、卷屑断屑、切削力、切削热、切削温 度、刀具磨损、已加工表面硬化和残余应力、积屑 瘤等。
第二章 金属切削过程
第一节 金属切削过程概述
一、金属切削过程的实质（塑性材料）
通过刀具把被切金属层变为切屑的过 程，其实质是一种挤压、剪切变形过程。 塑性金属的切削过程一般要经过弹性 变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段
局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小
切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低
从降低切削力和
切削功率的角度 考虑，加大进给 量比加大背吃刀 量有利。
主切削力Fc（N）
981
784 588
5 19 28 35 55 100 切削速度 v（m/min） 130
切削速度对切削力的影响
第四节
切削层参数与切削方式
切削层几何参数
1.切削层:工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻 两个加工表面之间的一层金属。
可代替切削刃 进行切屑，减 少刀具的磨损
可减小切削变 形和切削力， 使切削轻快
不利方面
影响工件尺 寸精度
时大时小，时有时无，使切削 力产生波动而引起振动 积屑瘤的顶端突出于切削刃之外， 使实际的切削深度不断变化 积屑瘤破裂后会划伤表面，加 快刀具磨损
影响工件表 面粗造度 会形成硬点和毛刺，使工件表面粗 造度值增大
机械制造技术基础
本章内容
1.金属切削过程的实质是什么？ 2.切削力的分解及影响切削力的因素都有那些？ 3.切削热的来源及影响切削热的主要因素？ 4.刀具的磨损及影响刀具寿命的主要因素？
第二章 金属切削过程
1.什么是 金属切削过程？ 2.金属切削过程中会出现 哪些现象？
第二章 金属切削过程
1.什么是金属切削过程？
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层变的变形程度。
hch Ld Ah hD L ch
说明： 1、同一工件材料，若切削条件不同， 则切削厚度压缩比不同； 2、不同工件材料，即使切削条件相同， 切削厚度压缩比不同； 3、用切削厚度压缩比反映切削变形比 较简单、直观，但很粗略,只在一定条件 下反映切削变形。前角=0-30，Ah>1.5
(3)调整切削用量 提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有 利；但增大f会增大加工表面粗糙度; 适当地降低切削速度使切削变形增大， 也有利于断屑，但这会降低材料切除效 率。须根据实际条件适当选择切削用量 。
五、积屑瘤
积屑瘤现象：刀尖上急剧塑性变形而被强化的 硬度很高的的附着物－－生产中又称为刀瘤
五、积屑瘤
挤压与切削
切屑的形成与切离过程，是切削 层受到刀具前刀面的挤压而产生以 滑移为主的塑性变形过程。 正挤压：金属材料受挤压时，最大 剪应力方向与作用力方向约成45°
45°
M
A F
O B a）正挤压
45° M A B O F
偏挤压：金属材料一部分受挤压时 b）偏挤压 ， OB 线以下金属由于母体阻碍，不 能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移 M 切削：与偏挤压情况类似。弹性变 O 形→剪切应力增大，达到屈服点→产 F 生塑性变形，沿 OM 线滑移 → 剪切应 c）切削 力与滑移量继续增大，达到断裂强度 →切屑与母体脱离。 金属挤压与切削比较
切屑底层金属与前刀面的粘结和加工硬化。
积屑瘤的形成条件
必要条件
加工塑性金属材料 中速切削
不使用切削液时容 易产生
5m/min 60m/min
积屑瘤改变刀具切削条件
刀尖被包裹起来 前角增大 切削深度变化 工件上的已加工 表面变粗糙
积屑瘤是否有害呢？
对工件的影响
C C C
加工表面的粗糙度增加（变差） 鳞刺可能就是因积屑瘤破裂形成的 切深变化－工件尺寸精度下降
F f Fp
2
2
某种条件下：
Ff (0.4 ~ 0.5) Fc
Fp (0.3 ~ 0.4)Fc
F (1.12 ~ 1.18) Fc
Fc (0.85 ~ 0.89) F
工作功率Pe 和切削功率Pc
工作功率Pe :
定义：“同一瞬间切削刃基点的工作力与合成切 削速度的乘积”。 工作力 (Fe) ：是指总切削力在合成切削速度方向 的正投影，在工作平面中定义。 工作功率Pe也可以称为切削过程消耗的总功率。它 包括切削功率和进给功率两部分。
切削功率
3 P F v 10 c c
( KW )
式中
Fc —— 主切削力（N）； v —— 主运动速度（m/s）。
工作功率
进给功率很小，仅为工作功率的2-3%，所以
Pe Pc Fc vc 10
机床电机功率
PE
3

Pc
( KW )
式中 η —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
2200 1800 1400 1000
图2-8 作用在刀具上的力
图2-9 车削时总切削力的分解
2、切削力的分解
1）切削力 F c --切向力（主切削力）
2）背向力 F p --径向力（切深抗力） 3）进给力 F f --轴向力（进给抗力）
Fp (0.15 ~ 0.7)Fc , Ff (0.1 ~ 0.6)Fc
F
F
2 c
2.切削层参数 切削层参数共有三个，它们通常都在垂 直于切削速度v的平面内度量。 ⑴ 切削宽度：刀具主切削刃与工件接触的长 度。
车削外圆时切削宽度：
aw
ap sin kr
⑵切削厚度：刀具或工件每移动一个进给量， 主切削刃相邻两位置间的垂直距离。
车外圆时，切削 厚度：
ac f sin kr
1.积屑瘤产生的原因
切削过程中，由于金属的挤压和强烈摩擦，使切屑与前刀 面之间产生很大的应力和很高的切削温度。当应力和温度条 件适当时，切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大，使得切屑 底层流出速度变得缓慢，形成一层很薄的“滞流层”，当滞 流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时，滞流层 的金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤.
对刀具的影响
C C
刀尖没有参与切削－保护刀尖 刀具实际前角增大－切削更轻快
粗加工与精加工
粗加工可以利用积屑瘤
C
C C
粗加工精度不是主要问题 增大前角 保护刀尖
保证精度 保证表面质量
精加工一定要回避积屑瘤
C C
保护刀具
积屑瘤硬 度很高 积屑瘤的存在， 使刀具的实际工 作前角增大
有利方面
增加工 作前角
二、切削变形区
第一变形区（剪切、滑移） 第二变形区（挤压和摩擦） 第三变形区（挤压和摩擦）
金属切削过程的变形
切屑
M 终滑移线
A
刀具
Φ剪切 始滑移线：τ=τs 角
O
Ⅱ Ⅰ Ⅲ
切屑根部金相照片
1. 第一变形区（剪切、滑移）
塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了， 之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是 晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变 形区（Ⅰ）。