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第二章金属切削过程的物理现象

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第二章第1节-金属切削过程及切屑类型分析

第二章第1节-金属切削过程及切屑类型分析


lfi
lfo
切屑与前刀面的摩擦
第一节 金属切削过程及切屑类型
积屑瘤
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢
料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面呈三角
状的硬块,称为积屑瘤。
它的硬度很高，通常是
工件材料的2—3倍，在
切屑
处于比较稳定的状态时，
能够代替刀刃进行切削。
积屑瘤
刀具
积屑瘤
切屑的种类
名称
带状切屑
切屑类型及形成条件
挤裂切屑
单元切屑
崩碎切屑
简图
形态 变形
形成 条件
影响
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状
剪切滑移尚未达 到断裂程度
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
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
变形程度表示方法
变形系数
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层的变形程度。
◆ 厚度变形系数
h
hch hD
◆ 长度变形系数
L
LD Lch
Lch LD
切屑与切削层尺寸
第一节 金属切削过程及切屑类型
根据体积不变原理，则
h
lc lch
hch hDOMຫໍສະໝຸດ sin(90 OM sin
第二章 金属切削基本理论及应用
第一节 金属切削过程及切屑类型
金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过 程，在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切 削的矛盾，产生许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀 具磨损和加工硬化等。
机械制造第二章课后解答

机械制造第二章课后解答


主偏角的大
小影响切削条件、刀具寿命和切削分力的大小。 5.车外圆时，车刀装得过高或过低、偏左或偏右，刀具角度会发生哪些变化？什么情况下可 以利用这些变化？ 答：当刀尖高于工作中心时， 刀具工作前角将增大， 工作后角将减小。 如果刀尖低于工作中
心，则刀具工作前角减小，后角增大。若刀杆右偏，则车刀的工作主偏角将增大，负偏角将 减小。若刀杆左偏，则车刀的工作主偏角将减小，负偏角将增大。 6.试标出图 2.52 刀具的五个基本角度及主切削刃和副切削刃。
答：不一样。 切削速度影响最大， 进给量次之， 背吃刀量最小。 从他们的指数可以看出， 指数越大影响越大。 为了有效地控制切削温度以提高刀具寿命， 在机床允许的条件下选用较
大的背吃刀量和进给量，比选用打的切削速度更为有利。 25.解释切削用量三要素对切削力和切削温度的影响为什么正好相反？ 答：对切削温度影响最大的切削用量是切削速度，其次是进给量，而背吃刀量的影响最小，
1.金属切削过程的实质是什么？ 答：金属切削过程就是刀具从工件上切除多余的金属，
使工件得到符合技术要求的几何精度
和表面质量的过程。
2.切削运动可分哪两类，各有什么特点？ 答：切削运动可分为主运动和进给运动。主运动在切削过程中速度最高，消耗的功率最大，
并且在切削过程中切削运动只有一个。 进给运动的速度较低、 消耗的功率较小， 进给运动可
第 1页 共 5页
7.列举外圆车刀在不同参考系中的主要标准角度及其定义。 答： 1）前角：在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角；后角：在正交平面内测量的 主后刀面与切削平面之间的夹角； 主偏角： 在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给
方向的夹角；副偏角：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角；
金属切削的基础知识

金属切削的基础知识

弹性变形 塑性变形 挤裂 切离 切屑
切削过程： 三个变形区
（1）第一变形区
（2）第二变形区： （3）第三变形区：
制造技术
切屑种类：
1）带状切屑
外形连绵不断，与前刀 面接触的面很光滑，背面呈毛 茸状。用较大前角、较高的切 削速度和较小的进给量切削塑 性材料时，容易得到带状切屑。
制造技术
2）崩碎切屑 切削铸铁等脆性材料
制造技术
二、切削热的传散
在一般干切削的情况下，大部分的切削热由切屑传散出 去，其次由工件和刀具传散，而周围介质传散出去的热量很 少。但各种传散热量的比例，随着工件材料、刀具材料、切 削用量、刀具角度及切削方式等切削条件的不同而异。 切削热传散给切削及周围介质，对切削加工没有影响， 且传散得越多越好。 切削热传散给刀具切削部分，使刀具磨损加快，缩短刀 具的使用寿命；切削热传散给工件，影响工件的加工精度和 表面质量。 为了减小切削热对工件加工质量的不良影响，可采取的 两方面工艺措施：一是减小工件材料的变形抗力和摩擦阻力， 降低功率消耗和减少切削热；二是要加速切削热的传散，以 降低切削温度。
面粗糙度；严重时，会引起崩刀打刀，加速刀具的磨损。 二、表层材质变化
1.加工硬化
加工硬化是指在切削过程中，工件已加工表面受刀刃和后 面的挤压和摩擦而产生塑性变形，使表层组织发生变化，硬度 显著提高的现象。硬化层深度可达到0.02～0.03mm,表层硬度 约为工件材料的1.2～2倍。
制造技术
对加工硬化的影响因素：刀具几何参数、切削条件、工件
制造技术
2.润滑作用 金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用， 可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部 分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件 坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工 性能。在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒－工 件及磨粒－磨屑之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨 粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小磨削力和摩擦热，提高砂轮 耐用度以及工件表面质量。 3.清洗和排屑作用 在金属切削过程中，要求切削液有良好的清洗作用。除去生 成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，防止机床和工件、刀具的 沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。 对于油基切削油，粘度越低，清洗能力越强，尤其是含有煤油、 柴油等轻组份的切削油，渗透性和清洗性能就越好。含有表面活 性剂的水基切削液，清洗效果较好，因为它能在表面上形成吸附
机械制造技术基础-卢秉恒 答案 第二章

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变，而切削宽度aw则随ap的增大正比增大，由于
aw的变化差不多与M和ξ无关，所以ap对Fz的影响
成正比关系。
2-8背吃刀量和进给量对切削力的影响有何不 同？ (2)
而f增大一倍，Fz约增大0.8倍，因为f增大，切 削功增大，切削力也相应增大，而f增大，切削厚度 也成正比增大，ac增大，ξ减小，μ减小，又会使切 削力减小，这正反两方面的作用，使切削力的增大 与f不成正比。
磨钝标准决定刀具寿命的长短（正常磨损情况下）。
但是受切削速度，工件材料，刀具材料和刀具几何形状
影响，同一磨钝标准下，刀具寿命是不相同的。
2-16简述车刀、铣刀、钻头的特点。（1）
答：1.车刀是金属切削中使用最广泛的刀具，可完
成工作的外圆，端面，切槽或切断等不同的加工工序。
一般情况下车刀都只有一条主切削刃的单刃刀具，加工 时工作的主运动是工件的旋转运动，进给运动为车刀的 直线运动。

答：粗加工时进给量的选择应考虑机床进给机构的强 度、车刀刀杆的强度和刚度、硬质合金或陶瓷刀片的
强度和工件的装夹刚度等。上述情况可以采用增大刀
尖圆弧半径，提高切削速度的方法来保证粗糙度的前
提下选择较大的进给量。
2-20 如果选定切削用量后，发现所需的功率 超过机床功率时，应如何解决？
答：要么调换较大功率的机床、要么根据所选定的
取

(3)确定切削速度：切削速度可通过 计算，也可查表，本题
查表取

主轴转速 按机床书说明书取 ，实际切削速度为

2、半精工步 (1)确定背吃刀量 ： 。

(2)确定进给量 ：根据表面粗糙度和刃口圆角半径，并预估
切削速度 ，从表中查出 。按机床说明书中实有的进给量，
第二章第三节 金属切削过程及其物理现象

第二章第三节 金属切削过程及其物理现象


五．变形程度的表示方法
1. 剪切角 2. 相对滑移或剪应变 3. 变形系数 a / l
六． 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响
特征：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度 减慢，甚至滞留在前刀面上； 切屑弯曲； 由摩擦产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高。
1. 2. 3. 4.
七． 积屑瘤的形成及其对切削过程的影切 屑的情况下，加工一般钢料或其他 塑性材料时，常常在刀具前刀面粘 着一块剖面有时呈三角形的硬块。 它的硬度很高，通常是工件材料的 2~3倍，在处于比较稳定的状态时， 能够代替切削刃进行切削。这块冷 焊在前刀面上的金属就叫积屑瘤。
第三节 金属切削过程及其物理现象
一． 国内外切削理论研究概述
1. 2. 3. 1870年，俄国学者基麦就开始了切削理论的研究工作，提出塑 性金属的切削过程是由挤压产生的剪切过程。 1913年~1916年，乌沙丘夫的研究使人们对切削过程的认识 由外部深入到内部。 1907年，美国学者泰勒(Taylor)发表了（On the Art of Cutting Metal）一书，提出了著名的切削速度与刀具耐用度关 系式（著名的泰勒公式），对生产应用产生了重大影响。 1941年，美国学者麦钱特（Merchant)发表了（Mechanics of the Metal Cutting Process)的著名论文，提出了塑性金属 切削是剪切过程的力学模型，推导了剪切角的理论公式。
4.
5.
6.
在Merchant之后，诸多学者对剪切角的理论推导，剪切角与变形 的关系以及切削速度对切屑变形的影响进行了广泛的研究。如美国 学者李-谢弗、苏联学者佐列夫、澳大利亚学者奥克斯利、日本学 者中山一雄、日本学者臼井英治、华裔学者赵佩之、美国学者阿尔 伯莱特等都各自做出了一定的贡献。 1981年起，在刘培德教授的带领下，大连理工大学机械系金属切 削原理与刀具教研室的多位老师开展了切削理论的研究。取得的成 果有： 提出了正交切削时刃前区应力分析的新模型（带弯矩的切削力学模 型） 证明了切削过程中存在弯矩，弯矩的存在使切屑发生弯曲。通过一 定手段控制弯矩的大小及正负控制切屑的卷曲与折断，从而发展了 断屑理论。解决了诸多生产难题，如上海宝钢无缝钢管厂在西德产 数控车床上螺纹加工的断屑问题。
第2章 金属切削过程的物理现象

第2章 金属切削过程的物理现象


4．崩碎切屑
切削脆性材料(如灰铸铁)时，由于材料的塑性很小，抗
拉强度较低刀具切入后，切削层内靠近切削刃和前面的 局部金属，几乎不经过塑性变形就被挤裂，或在拉应力 状态下脆断，形成大小不等、形状各异的碎块状切屑。
2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤
1．切屑与前刀面的摩擦

切屑与前刀面间的这种摩擦与一般金属接触面间的摩擦 不同。如图2-5所示，切屑与前刀面接触去分为粘结区 和滑动区两部分。
1．带状切屑

这是一种最常见的切屑形状。当切屑内剪应力小于材 料的强度极限时，剪切滑移变形较小，切屑连绵不断，
没有裂纹，就形成了带状切屑
2．节状切屑

当切屑内剪应力在局部地方达到了材料的破裂极限，
会形成节状切屑。
2.2.1 切屑的种类
3．粒状切屑
当切屑内部剪应力超过了材料的破裂强度，切屑将沿
剪切面完全断开，形成粒状切屑。
图2-1 金属切削的三个变形区域
图2-2 第一变形区金属的滑移
2.1.2切削层的变形
1．第一变形区（剪切变形区）

如图2-2所示从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒
的剪切滑移基本完成，这个区域叫第一变形区。
2．第二变形区（挤压变形区）

当切屑从刀具的前倾面排出时，受刀具前面的推挤和摩 擦，必将发生进一步变形，这就是第二变形区的变形。 这一变形主要集中在切屑底面一薄层金属里，使靠近刀 具前倾面的金属纤维基本上与前倾面平行，离刀具前面 愈远，影响愈小。
由于进给功率相对切削功率Pc很小（＜1％～2％），可 忽略不计。所以，工作功率P，可以用切削功率Pc近似 代替。 在计算机床电机功率Pm 时，还应考虑机床的传动效率 ηm(一般取0.75～0.85),则：
金属切削中的物理现象

金属切削中的物理现象


10
2. 切削力
切削力的来源： 切削力的来源： 被切削材料的弹性、 被切削材料的弹性、塑性变形抗力 刀具与切屑、 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力
11
切削力的分解
1）主切削力Fz （切向力） ）主切削力 切向力） 2）切深抗力 y （径向力） 径向力） ）切深抗力F 3）进给抗力 x （轴向力） 轴向力） ）进给抗力F
mV 工件
刀具
金属丝
小孔
30
热电偶
4. 刀具磨损及耐用度
刀具失效： 刀具失效：磨损和破损
刀具的磨损形态
31
塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度 塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度KT
32
原因： 原因： •前刀面上过高的切 前刀面上过高的切 削温度引起扩散磨损 改进方法： 改进方法： •降低切削速度 降低切削速度 •减小走刀 减小走刀 •采用正前角刀片， 采用正前角刀片， 采用正前角刀片 更耐磨的刀片材质或 涂层 •避免积屑瘤 避免积屑瘤
经验公式
x Fz f y Fz Fz = C Fz a p
切削力的测定： 切削力的测定： 1、测定机床功率，计算切削力 、测定机床功率， 2、用测力仪测量切削力 、
v
n Fz
K Fz
20
3. 切削热和切削温度
切削力做功转化为切削热： 切削力做功转化为切削热：
切屑
刀具
工件
切削热的来源与传出
21
影响热传导的因素： 影响热传导的因素：导热系数和加工方法 加工方法 车削 铣削 钻、镗削 磨削 切屑 50~86% 70% 30% 4% 工件 3~9% <30% >50% >80% 刀具 10~40% 5% 15% 12%
第2章 金属切削过程

第2章 金属切削过程


⑶主偏角 主偏角κ r 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
2200
1800
1400 1000
κr - Fc
κr – Ff κr – Fp
FC—— 切削力(Fz) Ff—— 进给力(Fx) FP—— 背向力(Fy)
600 200 30 45 60
进给力Fx (Ff)
也称轴向分力，用Fx表示—总切削力在进给方 向的分力，是设计机床进给机构不可缺少的参数。 背向力 Fy（Fp） 也称径向分力，用Fy表示 —总切削力在垂直于
工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算
系统刚度，分析工艺系统振动所必须的参数。
三个分力FC、Ff、FP与合力F 合力F ＝
2、切削温度的分布
★ 切削塑性材料 ：
前刀面靠近刀尖处温度最高。
★ 切削脆性材料： 后刀面靠近刀尖处温度最高
750 ℃
刀 具
2.3.3 影响切削温度的主要因素
1.切削用量对刀具温度的影响
切削温度与切削用量的关系式为：
θ ＝ Cθ VcZθ fyθ apxθ 三个影响指数 zθ ＞yθ ＞xθ ，说明切削速度对切削 温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。
C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损 严重，磨损带最大宽度用VC表示 B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损 量VBmax；
3.边界磨损
N区处于切削刃与待加工表面的相交处，磨 损严重，磨损量以VN表示，此区域的 磨损也叫边界磨损
2.4.2 刀具磨损的主要原因
1. 硬质点磨损
工件材料中含有硬质点杂质，在加工过程中会将刀具表面划伤， 造成机械磨损。低速刀具磨损的主要原因是硬质点磨损。
第2章 金属切削过程的物理现象

第2章 金属切削过程的物理现象


2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤
1．切屑与前刀面的摩擦 切屑与前刀面间的这种 摩擦与一般金属接触面 间的摩擦不同。切屑与 前刀面接触区分为粘结 区和滑动区两部分。
外摩擦
图2-5切屑与前刀面摩擦特性
内摩擦
•
刀—屑接触区的摩擦特点
切屑沿前面流出 → 切屑与前刀面间压力 大（2~3Gpa）、温度高（400~1000℃），切 屑底部严重塑性变形且与前刀面发生粘结 → 刀-屑间的摩擦不再是外摩擦，而是粘结层与 金属层的内摩擦 → 刀-屑接触区内摩擦力占 85%，整个接触区正应力σ以刀尖处最大 → 刀 -屑接触区实际上存在两个分区： 滑动区、粘 结区
切屑
节状切屑
粒状切屑
崩碎切屑
2) 节状切屑 又称挤裂切屑，外形和带状切屑不同之处在 于外表面呈锯齿形，有明显裂痕，内表面有时有裂纹，并未断 开，如图所示。 产生条件：这种切屑是在加工中等塑性金属材料时，切削 速度较低，切削厚度较大，并在较小的刀具前角的情况下产生。 影响：它的切削力波动较大，已加工表面粗糙度高。
2．切削用量
•ap和f的大小决定切削面积的大小。因此，ap和f的增加
均会使Fc增大，但两者的影响程度不同。ap增大，Fc成
正比线性增大。f增大，Fc成正比非线性增大。 这是由于，ap增大1倍，切削宽度aw增大1倍，故Fc 也增大1倍。f增大1倍时，切削厚度ac也增大1倍，Fc应随 之增大1倍。但是ac的增加将使变形系数下降，导致Fc 也有所下降，综合考虑，Fc的增长要慢于f的增长。 另：从切削力的指数公式中的系数大小也可看出切削 用量的影响程度的区别。
重要结论： 当切削面积相同时，采用较大的进给量f 及较小的背吃刀量ap可使切削力小一些→故从 刀具负荷和能量消耗方面来考虑，用大的进给 量f比用大的背吃刀量ap更有利。
机械制造与控制——切削过程中的物理现象及影响因素

机械制造与控制——切削过程中的物理现象及影响因素

二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。Fx FyFzFra bibliotekFz Fx
Fy
Fz Fx Fy
二、切削力合成、分解和切削功率
三个分力： Fz(Fc) Fy(Fp) Fx(Ff) 主切削力Fz——它垂直于基面,与切削速度Vc方向一致,又称为切向力
切深抗力Fy——它在基面内,并与进给方向(即工件轴线方向)相垂直;
0.588 0.75 0.637
0.941
Kr 0.92 K0 1.0 KS 1.5
KFZ 0.7537
FZ 1620N
Kr 0.87
FZ p ap f KFZ 1962 4 0.3 0.7537 1774.5
四、影响切削力的因素
影响切削力的因素很多，主要是工件材料、切削用量、刀具几 何参数及刀具磨损等。
60v
nFZ
KFZ
CFZ 270
ap 4mm
xFZ 1.0 yFZ 0.75 nFZ 0.15
f 0.3mm / r v 100m / min 100 m / s
60
K FZ KmFZ Kr FZ K 0FZ KS FZ Kr FZ
K mFZ
0.588 nFZ 0.637
切削速度 v c=100m/min, 切削深度 a p= 4mm, 进给量 f =
0.3mm/r ，车刀几何参数 γ 0 = 10 °、κ r = 75 °、 λ s = -10 °、
r ε = 0.5mm, 求切削分力 F z、 F y、 F x。
解：
FZ
9.81CFZ
a xFZ p
f
yFZ
进给抗力Fx——在基面内,并与进给方向(即工件轴线方向)相平行。
合力： Fr Fz2 Fx2y Fz2 Fy2 Fx2
金属切削过程

金属切削过程

名称 带状切屑
3.7切屑的类型与控制
（按切屑的形成机理 ）
挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
带状切屑
简图
节状切屑
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 切削塑性材料， 速度高，切削厚 度小 前角大 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
节状，底面光滑有裂 粒状 纹，背面呈锯齿状 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， 工件材料硬度较 切削速度较低， 高，韧性较低， 进给量较大， 切削速度较低 刀具前角较小 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
调整切削速度
（↓Vc，↑Vc）
高速 （Vc>80-100）
中速 (Vc=5-50)
↓摩擦
（γo↑， ↓前刀面Ra值， 加切削液）
*** Vc=20-30 M/min 为积屑瘤高发区
加工硬化现象
演示
五. 切削热及切削温度
(Cutting Heat and Cutting Temperature) 1.切削热 （Cutting Heat）
产生 传散
切屑、刀具、工件、空气 % 50-80 20-40 3-9 1% 对切削加工的影响 刀具：体积小,゜c↑，HRC↓ 工件：薄、小工件变形，烧坏
2．切削温度
(Cutting Temperature) 高低 热的产生 散热条件 影响因素 工材： 强、硬度、导热性 切削用量 Vc>f>ap 刀具角度 γo 、κr 切削液
切屑颜色与切削区域温度
六、刀具的磨损与耐用度
(TOOL Wear and Degree of Durableness)
1．磨损

金属切削过程中的物理现象

金属切削过程中的物理现象
金属切削过程是指通过刀具把被加工金属的多余部分去除，从而获得所需要的形状、尺寸和表面质量的过程。

在这个过程中，会出现许多有趣的物理现象。

其中一个物理现象是切屑的形成。

当刀具切入工件时，工件材料会受到挤压、摩擦和剪切等力的作用，从而发生塑性变形并形成切屑。

切屑的形状和尺寸与刀具的几何形状、切削参数、工件材料等因素有关。

另一个物理现象是切削力。

在金属切削过程中，刀具会受到工件材料的阻力，这个阻力称为切削力。

切削力的大小和方向会影响刀具的寿命、加工质量和加工效率。

因此，在金属切削过程中，需要合理选择刀具材料、刀具几何形状和切削参数等，以减小切削力。

此外，还会出现切削热的现象。

在金属切削过程中，刀具与工件之间的摩擦会产生大量的热量，这些热量会使工件和刀具的温度升高。

过高的温度会降低工件材料的力学性能和刀具的寿命，因此需要采取适当的冷却措施来降低温度。

总之，金属切削过程中会出现许多有趣的物理现象，这些现象对于理解金属切削加工过程、提高加工质量和效率具有重要意义。

机械制造技术第二章金属切削基本原理课件


切削振动对表面质量的影响与控制
切削振动对表面质量的影响
切削过程中，由于刀具与工件的相互作用，可能会产生振动。振动会导致切削刃振动和工件振动，从而影响已加 工表面的粗糙度和波纹度，降低加工质量。
控制切削振动的方法
通过合理选择刀具材料和几何参数，优化切削用量和切削液的使用，以及采用减振装置和动态优化技术等措施， 可以有效减小切削振动，提高加工表面的质量。
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加工硬化与残余应力的影响
加工硬化
金属切削过程中，由于切削力的作用， 已加工表面层会发生冷作硬化，使表 面层金属的硬度和强度提高，塑性和 韧性降低。
残余应力
切削过程中，由于切削力和切削热的 共同作用，已加工表面层会产生残余 应力。残余应力分为压应力和拉应力， 过大的残余应力可能导致工件变形或 开裂。
边界磨损
切削过程中，切屑在刀尖处与刀具摩 擦造成磨损，影响切削效果和刀具寿 命。
破裂
切削过程中，切削力超过刀具材料的 强度极限，导致刀具破裂。
04 金属切削的工艺参数选择
切削速度的选择
01
02
03
04
切削速度对刀具寿命和 加工质量有显著影响。
切削速度越高，刀具寿 命越短，但工件加工时 间减少，生产效率提高。
选择切削速度时应综合 考虑刀具寿命、加工质 量和生产效率。
根据工件材料、刀具材 料和加工条件，选择合 适的切削速度范围。
进给量的选择
01
02
03
04
进给量是影响切削力和切削温 度的重要因素。
进给量过小，切削力增大，刀 具磨损加剧；进给量过大，切 削力减小，但工件表面粗糙度
增加。
选择进给量时应根据工件材料 、刀具材料和加工条件，以及 表面粗糙度要求进行合理调整

金属切削过程三个变形区域的特征及物理现象变形程度的表征切屑的(“切屑”相关文档)共9张


Λh是一个大于1的数，Λh值越大，表示切下的切屑厚度越 大，长度越短，其变形也就越大。由于切屑厚度压缩比Λh 直观地反映了切屑的变形程度，并且容易测量，故一般常 用它来度量切屑的变形。
切削变形测量教学录像
5、积屑瘤
(1)产生原因：
①切塑性材料； ②适当的的温度和压力； ③切屑上的部分金属冷焊在刀尖上。
（2）切屑厚度压缩比Λh（教学录像）
（2）刀具前角对切屑变形的影响
6 几个主要因素对切屑变形的影响
6 几个主要因素对切屑变形的影响
（1）工件材料对切屑变形的影响 工件材料的强度硬度愈高，切屑变形愈小。
（2）刀具前角对切屑变形的影响 刀具前角愈大，切屑变形愈小。
（3）切削速度对切屑变形的影响
切削速度愈大，切屑变形愈小。切削速度较高时，切削变 形不充分，导致切屑变形减小；另一方面随着切削速度的提 高，切削温度也升高，使刀-屑接触面的摩擦减小，从而也使 切屑变形减小。
本讲内容要点
金属切削过程 三个变形区域的特征及物理现象
变形程度的表征
切屑的类型
积屑瘤
加工硬化 影响切削变形的因素及其规律
影响切削变形的因素及其规律 6 几个主要因素对切屑变形的影响 ① 保护刀尖→延长刀具寿命
② 使实际前角增大→切削过程容易进行 ③ 增大实际 hD和aP→工件尺寸精度↓ ④ 形状不规则且脱落后易嵌入已加工面→工件表面留下硬质点，↓Ra ∴ 粗加工可用，精加工绝对不要 ①切塑性材料； （1）工件材料对切屑变形的影响 6 几个主要因素对切屑变形的影响 ②适当的的温度和压力； （2）刀具前角对切屑变形的影响 （2）刀具前角对切屑变形的影响 ①适当提高工件硬度 ② 避开中速切削（vc =20～30m/min) ③ 适当减小进给量 ④ 适当加大前角 ⑤ 减小前刀面的粗糙度 ⑥ 选用润滑性好的切削液

机械制造技术课件第二章金属切削基本原理

机械制造技术课件第二章金属切削基本原理一、教学内容二、教学目标1. 理解金属切削的基本概念，掌握金属切削过程的基本原理。

2. 了解金属切削刀具的材料、结构及其对切削加工的影响。

3. 掌握切削力、切削热及切削温度的计算方法，分析其对加工质量的影响。

三、教学难点与重点教学难点：金属切削过程中的物理现象及其对加工质量的影响。

教学重点：金属切削基本概念、刀具结构及其对切削加工的影响、切削力的计算。

四、教具与学具准备1. 教具：金属切削刀具实物、切削加工视频、PPT课件。

2. 学具：笔记本、教材、计算器。

五、教学过程1. 导入：通过展示金属切削加工视频，让学生了解金属切削的实际应用，激发学习兴趣。

时间：5分钟2. 知识讲解：（1）讲解金属切削的基本概念，如切削、切削速度、进给量等。

（2）介绍金属切削刀具的材料、结构及其对切削加工的影响。

（3）分析金属切削过程中的物理现象，如切削力、切削热等。

（4）讲解切削力、切削热及切削温度的计算方法。

时间：30分钟3. 例题讲解：选择一道具有代表性的例题，详细讲解切削力的计算过程。

时间：15分钟4. 随堂练习：出一道与例题相似的练习题，让学生独立完成，巩固所学知识。

时间：10分钟5. 课堂小结：时间：5分钟六、板书设计1. 金属切削基本概念2. 金属切削刀具的材料及结构3. 金属切削过程中的物理现象4. 切削力、切削热及切削温度的计算5. 课堂练习题及答案七、作业设计1. 作业题目：（1）简述金属切削的基本概念。

（2）列举金属切削刀具的常见材料，并说明其特点。

2. 答案：（1）金属切削是指利用切削工具将工件上的材料去除，使其达到一定尺寸和表面质量的过程。

（3）切削力的计算公式：F = ap f cos(λ) K其中，ap为切削深度，f为进给量，λ为刀具前角，K为工件材料系数。

带入数据计算得：F ≈ 300N八、课后反思及拓展延伸1. 课后反思：本节课通过实践情景引入、例题讲解、随堂练习等方式，使学生掌握了金属切削基本原理。

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切削力。
◆切削力影响刀具的磨损和使用寿命。 ◆切削力影响加工精度。 ◆是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。
二、切削力的产生
1、来自工件的切削力：工件材 料被切过程中所发生的弹性变 形和塑性变形的抗力。
2、来自切屑的切削力：切屑对 刀具前刀面的摩擦力和加工表 面对刀具后刀面的摩擦力。
三．切削力的分解和切削功率
简言之，被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过 剪切滑移变形便形成了切削。
金属切削过程中的三个变形区
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层 内产生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区；
第Ⅲ变形区 近切削刃处已加 工表层内产生的变形区 （后刀 面与工件的接触区域）
1、第一变形区 （剪切滑移区）
Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件逐 渐形成，随着切削速度的提高积屑 瘤也增大。
Ⅲ区：积屑瘤随切削速度的 提高而减小，当达到Ⅲ区右 边界时，积屑瘤消失。
Ⅳ区：切削速度进一步提高，由 于切削温度较高而冷焊消失，此 时积屑瘤不再存在了。但切屑底 部的纤维化依然存在，切屑的滞 留倾向也依然存在。
4）刀具的前角
2）切削温度
切削温度也是形成积屑瘤的重要条件。切削 温度过低，粘结现象不易发生；切削温 度过高， 加工硬化现象有削弱作用，因而积屑瘤也不易产 生。
对于碳钢，300ºC～ 350ºC范围内最容易产 生积屑瘤， 500ºC以上趋于消失。
3）积屑瘤与切削速度的关系
Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状 或节状切屑，没有积屑瘤生成。
进给抗力Ff：切削合力F在进给运动方向的合力，车外圆 时，Ff与工件的轴线相平行，因此又称轴向分力。Ff作用 在机床的进给机构上，它是设计进给机构必须的数据。
切深抗力Fp:切削合力F在切削深度方向的分力。车外圆时， Fp与工件的径向重合，因此又称径向分力。Fp作用在机 床及工件刚性最差的方向，容易引起切削振动和工件的弯 曲变形，影响加工精度及工件表面质量。
3.金属切削层的变形系数
注：
(1)切屑的形态可随切削条件不同而改变；
(2)可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的
方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工
质量。
使粒状切屑、节状切
增大前角
屑向带状切屑转化
提高切削 速度
减小进给 量
有利于
使切削过程平稳
降低加工表面粗 造度数值
切屑的形状
切屑形状的分类 切屑的形状大体有带状屑、 C型屑、崩碎屑、螺卷屑、 长紧卷屑、发条状屑、宝 塔状屑等
（2）单位切削力公式 生产中还常用切削层单位面积
切削力kc的大小来估算切削力Fc的大小。
Fc＝kcAD＝kcbDhD≈kcapf (N)
kc——切削层单位面积切削力，MPa(N/m㎡)； AD、bD、hD——切层削参数，
3.切削功率：是指切削时在切削区域内消耗的功率，通常
进给消耗的功率略去不计，只计算主运动消耗的功率：
第二章 金属切削过程中的物理现象
第一节 切削变形与切屑的形成 第二节 切削力和切削功率 第三节 切削热和切削温度 第四节 刀具磨损和刀具寿命
第一节 切削变形和切屑的形成
一、切削的形成
金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推 挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的 过程。即是金属内部不断滑移变形的过程。
１．切削力的构成与分解 刀具切削工件时，必须克服材料的变形抗力、刀具与
工件及切屑之间的摩擦力，这些力的合力就构成了作用
在刀具上的总切削力F。
主切削力Fc：切削合力F在主运动方向的分力，又称切向 分力。它与切削速度方向一致，在切削过程中做功最多， 占总切削功率的90%以上。Fc是计算机床动力、设备的 强度及刚度的基本数据。
F F F F F F
2
c
2
N
2 2 2
C
P
f
Fp=FNcosKr;
Ff =FNsinkr
一般情况下，Fc最大，Fp和Ff小一些
2.切削力的实验公式——车外圆时主切削力Fc的计算
（1）指数公式
F C a f V K xFc yFc Fc
C
FC P
C FC
公式中的各项系数与刀具的几何参数、材料及工件的材料有关。
Kr越大，切削宽度aw越小，切削厚度ac越大， 因此切削力越小。
（b）当 r 0 时，kr大时，主切削力 F随着Kr增加而
增大 。
切削脆性材料时，切削力始终随 着Kr的增加而减小。
4、其它因素的影响
1）刀具磨损越大，将增加切削力； 2）使用切削液，将减小切削力。
五. 切削力的经验公式
[计算举例]： 用YT5硬质合金车刀外圆纵车σb = 630 MPa的热轧45钢，
3、第三变形区
（挤压摩擦回弹区）
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造 成纤维化和加工硬化及残余应力，严重的甚至出现细微的裂纹。
二、切屑的形态
1. 切屑形成过程
随着切应力、切应变 逐渐增大，达到其屈 服强度时，产生塑性 变形而滑移
切削层
切
弹性变形 塑性变形 挤裂 切离
的金属
屑
切削层的金属 受到刀具前刀 面的推挤后产 生弹性变形
出发，在切除相同余量的条件下，增大 f 比增大ap 更为有利。
（2）切削速度的影响
切削塑性材料，切削速度的影响分为两个阶段： 有积屑瘤和无积屑瘤两个阶段。
切削塑性材料时
切削速度是通过影响切削变形程度来影响切削力， 切削变形大，则切削力大。
切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它 与前刀面的摩擦均比较小。υc对切削力没有显著影响。
二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力和工 件表面对刀具后面的摩擦阻力。
影响切屑力的主要因素有：工件材料、切 削用量、刀具几何参数、其它因素。
1.工件材料的影响
工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈高， 发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。
在材料的强度、硬度相近的情况下，材料的塑性越大。韧性 越大，则切削力越大。 ◆塑性大的材料在切削过程中将产生较大的塑性变形和加 工硬 化，且切削与前刀面的接触时间长，故切削力较大； ◆韧性大的材料，使之发生变形或破坏需消耗较多的能量，故 切削力较大。
三、积屑瘤现象 1．积屑瘤的形成
积屑瘤：切削塑性金属时，在一定的切削条件下，常常有 一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一 个非常坚硬的金属堆积物，能够代替刀刃进行切削，并且以一 定频率生长和脱落。这种堆积物称为积屑瘤。
当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度 不高，而又能形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。
因为积屑瘤是在带状切屑的前提下形成的。 然而前角越大越容易形成带状切屑，前角越小 容易形成崩脆切削，所以积屑瘤的形成与刀具 的前角有着紧密的联系。
4. 积屑瘤的控制
影响积屑瘤 的因素
控制措施
工件材料 切削用量 刀具角度 切削液等
加工塑性大的工件时，可先进行正火或 调质，以降低其塑性，提高强度和硬度.
要避免在中温、中速加工塑性材料.
增大前角可减小切削变形，降低切削温 度，减小积屑瘤的高度. 采用润滑性能优良的切削液可减少甚 至消除积屑瘤.
知识回顾：
1.金属切削过程的三个变形区？
2.切屑类型、利弊？
3.积屑瘤对切削加工的影响、成因、控制措施？
第二节 切削力和切削功率
一、概念 切削加工时刀具使切削层形成切削需要克服的阻力称为
Q=Qg+Qx+Qd+Qj
对车、铣、刨削加工，50～86％由切屑带走，10～40％传入 刀具，3～9％传入工件，1％传入空气 ; 钻削时，28％由切屑带走，15％左右传给工件，50％左右传给 刀具，其余由周围介质带走; 磨削时，大部分热量传给工件（84％）,传给砂轮12％，而极小 比例的热量传给磨屑，因此会使工件温升很高，甚至烧伤工具 表面。
2.积屑瘤对切削加工的影响
保护刀具
积屑瘤硬 度很高
有利方面
可代替切削刃 进行切屑，减 少刀具的磨损
增大工 作前角
积屑瘤的存在， 使刀具的实际工 作前角增大
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
积屑瘤时大时小，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
影响工件表 面粗造度
积屑瘤破裂后会划伤表面，加快 刀具磨损
会形成硬点和毛刺，使工件表面 粗造度值增大
积屑瘤高度及其实际工作前角
3.积屑瘤的成因：
1）工件材料的塑性 主要是加工硬化的缘故，塑性材料切削时形
成带状切削，加工硬化现象较强，容易产生积屑 瘤；而脆性材料切削时形成崩脆切削，且加工硬 化现象很弱，不易产生积屑瘤。
第三节 切屑热和切削温度
一、切削热的产生与传导
切削热产生于三个变形区，切削热来 源于两个方面： 一是切削层金属发生弹性和塑性变形 所消耗的能量； 二是切屑与前刀面、工件与后刀面间 产生的摩擦热。
切削过程中消耗的功将绝大部分 （约99%）转换为热量，即切削热。
切削热 Q≈Fzvc
切削热传出： (1)通过工件传出Qg，使工件温度升高 (2)通过切屑传出Qx，使切屑温度升高 (3)通过刀具传出Qd，使刀具温度升高 (4)通过周围介质传出Qj
车刀几何参数为ro =10°、kr = 75°、rs = –5°，切削用 量为ap = 2mm、f = 0.3mm/r、vc = 100 m / min。 试计算切削力Fc、Fp、Ff 及切削功率Pc 。
[解]：
Fc CFc asxp Fc f yFc vcnFc k Fc
查表2-1得： CFC=2795 xFC =1.0 yFC =0.75 zFC =-0.15