金属切削原理与机床第三版课件教学课件ppt作者胡黄卿主编第三章金属切削过程的基本理论.ppt

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教学目的与要求:

通过本章的学习,掌握金属切削变形、切削力、切削热和刀具的破损与磨损的原因和刀具耐用度的基本概念。

教学内容摘要：

本章主要介绍切削变形区、变形程度的表示方法、切削热的产生与传出、计算、对切削加工的影响；切削力的作用与影响因素；刀具磨损与破损的形态、磨损的原因和刀具耐用度的选用。

教学重点与难点：

重点是切削变形程度的表示方法、切削热的计算及影响因素分析、切削力的影响因素、刀具磨损与破损的原因和刀具耐用度的选择。

难点是切削力与切削热影响因素分析。

研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论,对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。

在金属切削过程（cuttingprocess）中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等,金属切削是用刀具从工件表面上切去多余的金属,形成已加工表面的过程,也是工件的切削层在刀具前面挤压下产生塑性变形,形成切屑被切下来的过程。

切削过程中的许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损等，都与金属的变形及其变化规律有密切的关系，研究切削过程对保证加工质量、提高生产率、降低成本和促进切削加工技术的发展，有着十分重要的意义。

第一节金属切削层的变形,一、金属切削过程及变形区,塑性金属切屑形成过程四个阶段：

弹性变形、塑性变形、剪切滑移切离过程。

2、切削塑性金属的三个变形区,第一变形区金属的滑移,刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程：

二、变形程度的表示方法,1、绝对滑移S,2、相对滑移,=,切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，用h表示，h=hch/hD；而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用l表示，l=lc/lch。

变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。

3.变形系数,剪切角:

剪切角是出自金属切削层产生剪切滑移的一个特定参数。

=45-+0刀和屑界面的摩擦角（）；tan=；为刀和屑界面的摩擦系数。

当刀和屑界面出现粘结和滞留层时，值（内磨擦）比一般外摩擦时大得多。

三、影响前刀面摩擦系数的主要因素,工件材料切削厚度刀具前角切削速度上述四个因素是影响前刀面摩擦系数的主要因素。

1、切削厚度,切削厚度ac增加时，也略为下降，如10钢的ac从0.1mm增大到0.18mm,从0.74降至0.72。

因为ac增加后正应力也随之增大。

在一般切削速度范围内，前角0愈大，则值愈大。

因为随着0增大，正应力减小，故增加。

切削速度对摩擦系数的影响,切削速度对变形系数的影响,进给量对变形系数的影响,前角对变形系数的影响,前角对摩擦系数的影响,第二节积屑瘤与切屑的类型,一、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响二、切屑的形态,在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时,常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料,形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤，或称刀瘤。

1）什么是积屑瘤,2）积屑瘤对起削过程的影响,积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。

使实际前角增大，切削轻快。

因此，粗加工时可利用积屑瘤。

积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。

此外，还会导致切削力的变化，引起振动，并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。

在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。

当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。

当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。

3）积屑瘤的形成原因,采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc3m/min和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；适当减少进给量、增大刀具前角、减小切削变形；适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向。

4）抑制或消除积屑瘤的措施,带状切屑外形特征：

它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。

形成条件：

用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量，切削塑性材料优点：

切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。

缺点：

切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施。

挤裂（节状）切屑外形特征：

刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。

形成条件：

采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小,粗加工中等硬度的钢材料特点：

切削力波动较大，工件表面较粗糙,崩碎切屑：

在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑。

当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。

第三节切削力,切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力（cuttingforce）。

1.切削力的来源,切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。

通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：

切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp。

总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80%90%。

Fc消耗的功率最多，约占总功率的90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。

总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。

但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。

是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。

总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总功的1%5%。

是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数,计算切削功率（cuttingpower）Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。

主运动消耗的切削功率PcFcc/6010-3（kW）机床电机功率PE=Pcm（m0.750.85）。

4、单位切削力,单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用p表示：

N/mm2式中，Fz主切削力（N）；Ac切削面积（mm2）；ap背吃刀量（mm）f进给量（mm）,5、切削力计算的经验公式,2）用单位切削力计算主切削力,kC=Fc/AD=FC/（apf）=FC/（bDhD）（3-12）式中AD-切削面积（mm2）；ap-背吃刀量（mm）；f-进给量（mm/r）；hD-切削厚度（mm）；bD-切削宽度（mm）。

已知单位切削kc,求主切削力FcFc=kcapf=kchDbD,1.工件材料,影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。

材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。

在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。

2.切削用量,进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加。

图3-19切削速度对切削力的影响,切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。

一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。

在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c对切削力Fc无明显的影响。

在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。

前角的影响:

o切削变形切削力。

（塑性材料）主偏角的影响：

KrFp,Ff,3.刀具几何参数,负倒棱的影响,主偏角对切削力的影响,FyFxycosr；FxFxysinr当主偏角r加大时，Fy减小，Fx加大。

刃倾角对切削力的影响,后刀面磨损对切削力的影响,刀具材料对切削力的影响,刀具材料对切削力影响很小，但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因而是对切削力也有一定的影响，如YT类硬质合金切削钢料时的Fx比高速钢刀具约降低5%10%；YG类硬质合金刀具和高速钢刀具在切削铸铁时的切削力基本相同。

因为刀具材料与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，所以直接影响到切削力的大小。

对于加工同一种材料，切削用量相同的情况下，刀具材料对切削力的影响一般按立方碳化硼（CBN）刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，切削力依次增大。

5、切削液对切削力的影响,以冷却为主的水溶液对切削力影响很小，而润滑性能强的切削油能较明显地降低切削力，因其可降低摩擦和塑性变形。

6、其他因素刀具棱面：

应选较小宽度,使Fy减小。

刀具圆弧半径：

增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。

刀具磨损：

后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。

4.刀具磨损,5.切削液,6.刀具材料,刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。

第四节切削热和切削温度,Q=Q弹+Q塑+Q前+Q后,Q=Q屑+Q工+Q刀+Q介,2、切削温度的计算,

（1）每秒产生的切削热计算,qFzv（J/s）;式中:

q每秒钟产生的切削热Fz主切削力（N）;v切削速度（m/s）。

单位切削热计算,3、切削热的分布,3、切削热的分布,二、影响切削热传导的主要因素,

（1）工件材料的导热性能

（2）刀具材料的导热性能（3）周围介质。

（4）切屑与刀具的接触时间车削加工时，50%-86%由切屑带走，40%-10%由车刀传出，9%-3%传入工件，1%传入介质（空气）。

切削速度越高或切削厚度越大，则切屑带走的热量越多。

钻削加工时，28%由切屑带走，14.5%传给刀具，52.5%传入工件，5%传给周围介质。

三、影响切削温度的主要因素,1、切削用量对切削温度的影响

（1）切削速度v的影响:

随着切削速度的提高，切削温度将显着上升Cvvx式中：

切削温度；Cv系数，与切削条件有关；v切削速度；x切削温度指数，与刀具材料和切削加工方法相关。

2、进给量f的影响,随着进给量的增大,切削热增多，使切削温度上升。

0.14Cff式中：

Cf系数，与切削条件有关。

（3）背吃刀量ap的影响,背吃刀量ap对切削温度的影响很小Capap0.04式中：

Cap系数，与切削条件有关。

切削温度对刀具磨损和耐用度影响很大。

通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律,2、刀具几何参数对切削温度的影响,

（1）前角0,

（2）主偏角r,（3）刀尖圆弧半径r,在01.5mm范围内变化，基本上不影响平均切削温度，因为随着刀尖圆弧半径的加大，切削区的塑性变形增加，使切削力和变形功增大，切削热随之增多，切削温度升高，另一方面，在切屑断面保持不变时，切屑的平均厚度将因圆弧半径的增加而增加，改善了散热条件，使切削温度又随圆弧半径的增加而减小。

两者互相抵消，可使平均温度基本不变，但加大刀尖圆半径，有利于刀尖局部切削温度的降低。

3、刀具磨损对切削温度的影响,刀具磨损后切削刃变钝，使金属变形增加；同时刀具后刀面与工件的摩擦加剧。

所以。

刀具磨损后切削温度上升。

后刀面上的磨损量愈大时，切削温度的上升愈为迅速。

切削强度和硬度较高以及导热系数较低的合金钢时，刀具磨损对切削温度的影响更显著。

4、工件材料对切削温度的影响,工件材料的硬度和强度越高，切削时，切削力越大，切削过程中所消耗的能量就越多，产生的切削热越多，切削温度就越高。

工件材料导热系数的越小，切削温度就越高，直接影响切削热的导出，如不锈钢1Cr18Ni9Ti和高温合金GH131