工信版（中职）金属切削原理与刀具第三章教学课件.ppt

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1、Y CF（中职）金属切削原理与刀具第三章教学课件第三章 金属切创过程及其基本规律 第一节 切削变形 第二节 切削力 第三节 切削温度 第四节 刀具磨损第一节 切削变形 一、切削方式 切削方式是由刀具切削刃和工件间的运动所决定，可分为:直角切削、斜角切削和普通切削三种方式(图3-1)。1.直角切削 如图3-1(a)所示，大于切削宽度的刀具切削时，切削速度，在切削平面内垂直于切削刃;切屑流出速度在前刀面上也垂直于切削刃。由于沿切削刃方向的分速度和切削分力均为零，沿切削刃方向(沿切削宽度方向)的变形为零。2.斜角切削下-页 返回第一节 切削变形 如图3-1(b)所示，使用主偏角，r=90、刃倾角、前

2、角、切削刃长度大于切削宽度的刀具切削时，在切削平面P。内，切削速度与切削刃的垂直方向间的夹角为s，由于沿切削刃产生分速度和切削分力，因而沿切削刃(沿切削宽度b)也产生变形，属于空间应变状态。3.普通切削 如图3-1(c)所示，使用主偏角、副偏角、刃倾角、前角的刀具切削时，切削刃和副切削刃同时参加切削。它是最一般的切削方式。由于变形复杂，对其分析更为困难。二、切削变形概述 1.切屑的基本形态上-页 下-页 返回第一节 切削变形(1)带状切屑如图3-2(a)所示，切屑呈连续状、与前刀面接触的底层光滑、背面呈毛茸状。(2)挤裂状切屑如图3 一2(b)所示，切屑背面呈锯齿形、内表面有时有裂纹。其原因是

3、:切削层变形和加工硬化大，使某一局部的应力达到材料的强度极限的结果。(3)单元状切屑如图3 一2(c)所示，切削塑性很大的材料，如铅、退火铝、纯铜时，切屑容易在前刀面上形成豁结不易流出，产生很大变形，使材料达到断裂极限，形成很大的变形单元，而成为此类切屑。上-页 下-页 返回第一节 切削变形(4)崩碎状切屑如图3 一2(d)所示，切削脆性材料，如铸铁、黄铜等时，形成片状或粒状切屑。以铸铁为例，由于铸铁中含有石墨，强度较低，当刀具切人时，在切削刃附近的铁素体未经充分塑性变形，就沿石墨边界处产生裂纹而断裂，形成不规定的崩碎切屑。2.切削时的变形区 根据实验，切削时，当厚度为hD，宽度为bD，的切削

4、层，以切削速度vc向刀具接近时，塑性变形由OA 开始，至OM 终了，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，因此称为剪切区或第I 变形区;当切削层经剪切区后形成的切屑以速度沿前刀面流出时，摩擦力使切屑底层的金属又以剪切滑移的方式再一次变形。由于该变形上-页 下-页 返回第一节 切削变形 切削过程中的变形，包括上述三个变形区，它们汇集于切削刃附近。以下分别从三个变形区讨论切削变形。三、剪切区的变形 1.剪切区的形成 由材料力学可知，如图3-4(a)所示的物体，受外力作用后，当其内部的切应力达到材料的屈服点时，就产生塑性变形。切削加工时，工件上的切削层，受到刀具的偏压时，

5、如图3-4(b)所示，切削层产生弹性变形而至塑性变形。上-页 下-页 返回第一节 切削变形 图3-5(a)中，每条滑移线都代表一个剪应力相等的曲面(宽度b。图中未标出)，不同滑移线上的切应力大小不相等，OA 上的切应力值等于金属的屈服点，而OB,OC,OM 上的切应力，则由于变形、加工硬化而依次升高 2.切削力系与应力 使剪切区产生滑移所需的力，是由前刀面作用并经切屑传递的。若以切屑为分离体，如图3-6(a)所示 为讨论方便，把切削力系集中到切削刃上，如图3-6(b)所示。上-页 下-页 返回第一节 切削变形 四、摩擦区的变形 1.摩擦区的形成 切削层经剪切面形成切屑，沿前刀面流出时，因受前刀

6、面的挤压和摩擦，切屑底层各金属层间流动速度依次降低，使这层金属再一次产生剪切滑移，结果金属晶粒变为与前刀面趋于平行的纤维状，把切屑上的这一层金属称为滞流层(图3-10)图3 一10(a)所示为切削实验的照像图，图中平行于前刀面的纤维状切屑层即滞流层。3 一10(b)为滞流层形成的示意图。上-页 下-页 返回第一节 切削变形 2.前刀面的摩擦特性 根据实验，当前角由-45 增大到45 时，切屑与前刀面间的摩擦因数由0.3 增大到1.0，如图3-11(a)所示，此值比一般摩擦面间的滑动摩擦因数高很多(一般为0.1 0.15),并且是一个变量。切削时，切屑与前刀面是在高压(2-3 GPa)和高温的作

7、用下，切屑底层不断以新生表面和前刀面接触。切屑底层变软的滞流层，会嵌入到前刀面的凹凸不平中，形成全面积接触，如图3-12(b)所示，阻力增大，滞流层底层的流动速度可降低为零。在适当的温度与压力条件下，就形成豁结上-页 下-页 返回第一节 切削变形 现象，把这个区域称为豁结区。在豁结区内，摩擦现象不是产生于切屑底层与前刀面之间，而是产生于滞流层内部，即滞流层金属内部材料的剪切滑移代替了接触面的相对滑移。于是摩擦因数为:在豁结区以外的范围内，图3-10(b)的C 点以后，由于切削温度低、压力小，切屑与前刀面的实际接触面积减少，其摩擦性质属于滑动摩擦，这个区域称滑动区。上-页 下-页 返回第一节 切

8、削变形 五、积屑瘤 在某一定切削速度范围内，切削钢、4 一6 黄铜、铝合金等材料时，切削刃附近的前刀面上会出现一块堆积物，代替切削刃工作，把这个堆积物称为积屑瘤。1.积屑瘤的产生与成长 由电子扫描得出的积屑瘤产生与成长模型图示于图3 一14。由图可见，当切屑经前刀面流出时，第B 变形区滞流层中的一部分金属，在适当的温度与压力条件下与母体分离，牢固地豁结在前刀面上，成为形成积屑瘤的核，如图3 一14(a)所示，豁结是金属原子间在其作用力的范围内，相互吸引而结合的状态，其条件大体为:两金属的可溶性;结合是金属上-页 下-页 返回第一节 切削变形 结合以及必要的温度和充分的接触时间等。温度对豁结起着

9、决定性的作用。一旦在前刀面上产生豁结成为形成积屑瘤的核，为形成积屑瘤建立基础之后，形成积屑瘤就很容易了。因为，同一种金属相互豁结是比较容易发生的。这时，在一定的温度与压力条件下，滞流层一部分金属与母体分离，一层一层的堆积并豁结在一起形成积屑瘤 当切削不会引起加工硬化的材料时，即使会产生豁结产生形成积屑瘤的核，但由于堆积物太软，会被切屑带走，积屑瘤还是成长不起来。上-页 下-页 返回第一节 切削变形 2.积屑瘤的脱落与消失 当切削温度升高到某一临界值时，积屑瘤就消失，这个值为500 600(与金属材料的再结晶温度560 相当)。这时，由于温度高，金属的延展性增加，加工硬化消失，堆积物变软被切屑带

10、走，积屑瘤就脱落或消失。因而引起积屑瘤脱落和消失的主要原因也是切削温度。五、已加工表面的变形与表面质量 1.已加工表面的形成(图3 一17)切削时，切削层金属流经切削刃分为两支，一支通过剪切区成为切屑;另一支沿后刀面形成已加工表面。已加工表面是在切削刃前方的复杂而集中的应力状态下，与切离切屑同时产生。上-页 下-页 返回第一节 切削变形 2.已加工表面变质层的物理力学特性 这层约1mm 厚度的表面变质层，其组织如图3-18 所示。最外层为化合物层(非晶体组织)其主体为金属氧化物。切削温度愈高，它的厚度就愈厚。当厚度超过某一限度时，其薄膜会因光的干涉作用，而呈现出黄、红、蓝等颜色。(1)加工硬化

11、经过切削加工的已加工表面层硬度提高的现象称为加工硬化。塑性变形越大，硬化程度愈大，深度也越深。另一方面，因切削热引起的退火效应，也会使硬度降低，如加工淬火钢。(2)残余应力残余应力是指取掉外力后，物体内存在应力的现象。上-页 返回第二节 切削力 一、切削力的来源 切削时，切削力来源于以下几个方面:产生切屑所需的切削力，即第I,II 变形区产生的切削力。在形成已加工表面过程中，切削刃的钝圆部分和后刀面对已加工表面由于挤压、摩擦而形成的切削力;刀尖半径部分和参与切削的副切削刃所产生的切削力。车削时作用于车刀的总切削力是这三个方面产生切削力的总和。如果设刀具切削刃理想的锋利，后角又很大，并且略去副切

12、削刃的作用，那么式(3-4)所示的切削合力的计算公式，可以作为理论切削合力的计算式。下-页 返回第二节 切削力 二、切削分力及其作用 1.用测力仪测出各切削分力 采用三向测力仪，可直接测出在一定切削条件下沿运动方向的切削分力 在基面内的切削合力 切削合力上-页 下-页 返回第二节 切削力 进给力(进给抗力)Fr作用于机床的进给机构，它也消耗功率。背向力(切深抗力)FP不做功，但由于作用于工件的径向(纵向切削)，车削细长工件时会使工件变形而产生加工误差。精加工时，希望其值不要过大。2.用分析法确定切削分力(图3 一20)为了明确切削分力的实际作用方向、有关因素对切削分力的影响和便于分析其他切削方

13、法的切削分力，现用分析法讨论车削时的切削分力。(1)在法平面坐标(参考)系LMN 中的切削分力 L 在切削平面内沿切削刃的坐标轴;M-在基面上垂直于切削刃的坐标轴;上-页 下-页 返回第二节 切削力 N 一在切削平面内垂直于切削刃的坐标轴。在一定切削条件下，作用于前刀面的法向力Fn和摩擦力作用方向是已知的。因而，作用于切削刃的切削分力可以确定。事实上这三个分力是切削时作用于切削刃的固有分力。(2)在xyz 坐标系中的切削分力(图3-20)上-页 下-页 返回第二节 切削力 三、计算切削力的实验公式 在推导切削力的理论公式(3-4)时，作了某些假设与忽略，同生产实际有一定差异，故不能用于实际切削

14、力计算。目前大都采用由切削实验得到的切削力实验公式。这种公式是通过大量切削实验，将得到的实验数据用数学方法处理而得到的。在生产中计算切削力的实验公式可分两类:一类是指数公式，一类是单位切削力。现分述如下:上-页 下-页 返回第二节 切削力 1.指数公式 2.单位切削力公式按Kienzle 计算切削力的公式上-页 下-页 返回第二节 切削力(1)前角改变时切削力的修正系数(2)切削速度改变时切削力的修正系数(3)刀具材料改变时，切削力的修正系数，列于表3 一5 四、影响切削力的因素 1.工件材料的影响 工件材料强度大、硬度高、切应力大，切削力就大。但切削力的大小，并不单纯受工件材原始强度和硬度的

15、影响，还与其他因素有关，如:不锈钢1 Cr18Ni9Ti 的强度和硬度都与45 钢接近，加工时，切削力却相当大，其原因是，这种材料上-页 下-页 返回第二节 切削力 的韧性比45 钢约大5 倍，加工硬化能力强，较小的变形，就会引起硬度大幅度升高，从而使切削力增大;又如，切削灰铸铁等脆性材料时，若从硬度方面看，它和45 钢相近，但切削力却小得多，这是由于脆性材料强度小、切削变形的缘故。2.切削用量的影响(1)背吃刀量(切削深度)aP背吃刀量aP增大，切削宽度 按比例增大，从而使剪切面面积和切屑与前刀面的接触面积都按比例增大，第I 变形区和第II 变形区的变形都按比例增大。(2)进给量f 进给量f

16、 增大，切削厚度按比例增大，而切削宽度不变。这时虽剪切面面积按比例增大，但切屑与前刀面的接触未按比例增大，第B 变形区的变形未按比例增加。因而当进给量f 增大1 倍时，切削力增加70%80%。上-页 下-页 返回第二节 切削力(3)切削速度 根据实验，切削时，若不形成积屑瘤，随着切削速度的增大，应变速度加快，剪切区变窄，变形减小;切屑与前刀面的接触长度也减小，摩擦力减小。若形成积屑瘤，开始时，随着切削速度的增大，逐渐产生与形成积屑瘤，使实际前角逐渐增大，切削力下降。至B 点，积屑瘤高度最高，切削力最小;随着切削速度的增加，切削温度不断升高，积屑瘤逐渐脱落，使前角减小，切削力又逐渐增加。3.刀具

17、几何形状的影响(1)前角 由图3 一11(a)可知，前角增大，前刀面摩擦因数增大，摩擦角增大。上-页 下-页 返回第二节 切削力 工件材料不同，前角的影响也不同。对塑性大的材料，如纯铜、铝合金等，切削时变形大，前角影响显著;而对脆性材料如黄铜，前角的影响则较小。切削时，从切削力的角度看，切削塑性材料刀具前角可选用大值，切削脆性材料刀具前角应选用小值。同时前角不应太小，但也不宜过大，应有一个适宜值。(2)主偏角 对切削力的影响 当切削面积AD不变时主偏角增大，切削厚度增大，而切削宽度减小，切削层形状变为厚而窄，切削力减小上-页 下-页 返回第二节 切削力(3)刃倾角 实验结果如图3 一27 所示

18、。它说明刃倾角对切削力影响不大，原因是:刃倾角0增大，有效前角增大，切削力减小;但与此同时，实际切削宽度变宽，又使切削力增大。刃倾角0对进给力和背向力(切深抗力)影响较大。(4)刀尖圆弧半径r。当背吃刀量(切削深度)、进给量一定时，由于圆弧刃上各点的主偏角和副偏角是变化的，如图3-28 刀点的点的，而A 点的krA=0。若刀尖圆弧半径增大，切削刃上的平均主偏角就减小，使切削宽度增大，切削厚度h。减小，切削断面形状变为宽而薄，切削力增大，Fv明显增大。从切削力的角度看，应采用小的刀尖圆弧半径上-页 返回第三节 切削温度 切削温度是切削过程中又一重要的物理现象。切削温度影响刀具与切屑的摩擦状态，影

19、响积屑瘤的产生与消失、刀具磨损、工件加工精度等。一、切削热 1.切削热的产生 切削中消耗的能量(功率)只有很少一部分转化为材料的内能(加工硬化)，其余几乎全部以热的形式表现出来。即:消耗在切削区域的能量-切削热 由此可知.三个变形区即为三个热源。下-页 返回第三节 切削温度 2.切削热的传散 切削热的传散主要有四个渠道:工件、切屑、刀具与介质(空气、切削液)对于车削而言，其各自热量传散比例大体为:切屑传出的热量为50%86%，工件传出的热量为3%9%,刀具传出的热量为10%40%，空气传出的热量为1%左右。二、切削温度 切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。用实验方法得到的计算切削温度的

20、指数公式为:上-页 下-页 返回第三节 切削温度 实际上，在主剖面内前面上的切削温度的分布是不同的。三、影响切削温度的因素 分析各因素对切削温度的影响，主要从这些因素对单位时间内热量产生和传出的多少入手。在一定的切削条件下，若某一因素变化时，单位时间内产生的热量大于传散出去的热量，则这一因素使切削温度升高;反之，则使切削温度降低。1.工件材料 工件材料主要通过本身的强度、硬度、热导率、热容量等对切削温度产生影响，如在同样的切削条件下，切削不锈钢要比切削中碳钢的切削温度高得多。其原因是不锈钢相对中碳钢而言，强度高，塑性变形大，加工硬化严重，单位时间内产生的热量多，再加上热导率小，即单位时间传散出

21、去的热量少。上-页 下-页 返回第三节 切削温度 2.切削用量(1)切削速度 单位时间内传散的热量受切削速度的提高影响很小，故切削速度对切削温度的影响很大，如图3-32(a)所示。(2)进给量f 当进给量f 增大时，由式(3 一21)可知，产生的热量增加，但散热条件也有所改善(即切屑与前面的接触面积有所增大)，单位时间内传散出去的热量增加，故切削温度有所升高，如图3 一32(b)所示。(3)切削深度 当切削深度增大时，由(式3 一21)可知，产生的热量按比例增加，但散热条件显著改善(即刀具与工件、切屑与前面的接触面积按比例增大)上-页 下-页 返回第三节 切削温度 3.刀具几何参数(1)前角Y

22、。当前角增大时，切削变形、摩擦减小，产生热量减少，因而切削温度随着前角的增大而降低;但前角增至1820 后，因楔角减小，散热条件变差，对切削温度的影响减小，甚至因前角过分增大，切削温度反而逐渐升高。(2)主偏角 减小主偏角，可使hD减小、bp增大，散热条件得到改善，切削温度下降。(3)刀尖圆弧半径r。当增大刀尖圆弧半径时，可使刀具切削刃的平均主偏角减小，切削宽度增大，刀具散热条件得到改善，故切削温度降低。上-页 下-页 返回第三节 切削温度 4.其他因素的影响 切削时使用切削液，可使切削温度降低;刀具磨损增大，会使切削温度升高。四、切削温度对工件加工精度等的影响 1.对工件尺寸精度的影响 由于

23、工件受热脆期长，冷却后尺寸变小，所以切削公破会l 氢接影响工件的加工精度。在很高的切削公破下，有时工件的表面层组织发生变化，影响使用J 助匕，并影响工件质量，甚至会出现废品。上-页 下-页 返回第三节 切削温度 2.对刀具材料的影响 硬质合金的性质之一是高温时强度比较高，韧性比较好，因此适当提高切削温度对防止硬质合金崩刃、提高其耐用度是有利的。上-页 返回第四节 刀具磨损 一、刀具磨损形态 刀具磨损是指刀具摩擦面上的刀具材料逐渐损失的现象。刀具磨损的形态一般有以下三种:1.前刀面磨损 当切削塑性材料，切削厚度和切削速度都较大时，切屑在前刀面会磨损出洼凹，这个洼凹称月牙洼。2.后刀面磨损 由于切

24、削刃的刃口钝圆半径对加工表面的挤压与摩擦，在切削刃的下方会磨损出一条后角等于零的沟痕，这就是后刀面磨损。在切削速度较低、切削厚度较小的情况下，切削脆性材料时，将会发生后刀面磨损，如图3-35(b)所示。下-页 返回第四节 刀具磨损 3.前、后刀面同时磨损 切削塑性材料，采用较小的切削厚度h。时，刀具的前、后刀面可能同时磨损 二、刀具磨损的原因 刀具磨损与一般机械零件的磨损不同，一方面由于刀具前刀面所接触的切屑和后刀面所接触的工件都是新生表面，这个表面不存在氧化层或其他污染。另一方面又由于刀具的摩擦区(前刀面、后刀面)是在高压(大于工件材料的屈服应力)、高温(700 1200)作用下进行的，所以

25、刀具的磨损原因极其复杂，按性质大体可分为机械作用和热一化学作用两类原因。上-页 下-页 返回第四节 刀具磨损 1.机械作用的磨损 两相接触物体表面间，具有相对运动时，硬物体使软物体摩擦面上材料减少的现象，称为机械磨损。刀具材料虽比工件材料硬，但从微观上看，在工件材料中包含有氧化物碳化物等硬质点。这些硬质点的硬度很高，它们像切削刃一样，在刀面上划出划痕，使刀具磨损。2.热一化学作用的磨损 由于高温，使接触面间产生某些化学作用，形成化学反应而引起的刀具磨损。这种磨损有以下几种:上-页 下-页 返回第四节 刀具磨损(1)结磨损豁结是分子间的吸引力导致金属相互吸附的结果。切削时，在一定温度与压力下，使

26、刀具与切屑和工件间产生豁结(如积屑瘤的产生中所述)。两摩擦面间的豁结点因相对运动，使刀具一方的晶粒或晶粒群受剪切或拉力而被对方带走，而造成磨损。黏结磨损不仅与切削温度有关，也与刀具材料和工件材料两者的化学成分有关。(2)扩散磨损切削时，由于高温，刀面始终与切屑或工件的新生表面相接触，在接触面间分子活动能量很大，使两摩擦面间的化学元素相互扩散到对方去，造成两摩擦面的化学成分发生变化，降低刀具材料的性能，加速刀具磨损。上-页 下-页 返回第四节 刀具磨损 扩散磨损的速度，一方面决定于刀具和工件材料间是否容易起化学反应。不同材料间有不同的化学亲和力。另一方面扩散磨损的速度又决定于接触面的温度。根据扩

27、散规律表明，对一定材料，随着温度的升高，扩散量先是较缓慢地增大，而后则越来越迅猛地增大。(3)氧化磨损或化学磨损在一定的温度条件下(通常为高于800 以上)，刀具材料(如硬质合金)与空气中的氧、极压润滑液中的添加剂硫、氯等起化学作用，生成一些疏松、脆弱的氧化物被切屑带走从而加速刀具的磨损。或因刀具材料的某种介质被腐蚀造成刀具磨损。上-页 下-页 返回第四节 刀具磨损(4)相变磨损当刀具的最高温度超过相变温度时，刀具表面金相组织发生变化，使马氏体组织转化为托氏体或索氏体，硬度急剧下降，刀具磨损加剧。高速钢的相变温度为550 600。三、刀具寿命T 刀具寿命又称刀具耐用度，是指将新刃磨的刀具从开始

28、切削至达到刀具磨损限度所经过的总切削时间，用T(单位为min)表示。刀具寿命T 越大，表示刀具磨损越慢。1.刀具寿命方程上-页 下-页 返回第四节 刀具磨损 由前面分析已知，切削速度对切削温度B 影响最大，因而切削速度对刀具寿命T 的影响最大。用实验方法求得的。V-T 关系式如下 m 值愈小，说明Vc对T 的影响越大。2.一定刀具寿命T 时的切削速度vT上-页 下-页 返回第四节 刀具磨损 同样用实验法可求出背吃刀量(切削深度)、进给量对刀具寿命T 的影响。可得到与Vc一T 类似的关系式上-页 返回图3 一1 切削方式返回图3 一2 切削基本形态返回图3 一4 金属的挤压变形返回图3 一5 剪切区的形成与剪切面返回图3 一6 切削关系返回图3 一10 滞流层返回图3 一11 前刀面的摩擦特性返回图3 一12 摩擦力与接触面的关系返回图3 一14 积屑瘤产生与成长模型图返回图3 一17 已加工表面的形成返回图3 一18 已加工表面变质层返回图3 一20 用分析法求切削分力返回表3 一5 刀具材料改变时对切削力的修正系数返回图3 一27返回图3-28 Re对主、副偏角图和切削断面形状的影响返回图3 一32返回