农机机械制造技术基础Word下载.docx

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hD=fsinkr

其中：

hD—切削层公称厚度，（mm）；

f—进给量，（mm/r）；

kr—车刀主偏角，（。

）。

2、切削层公称宽度bD：

沿过渡表面测量的切削层尺寸。

bD反映了切削刃参加切削的工作长度。

bD=ap/sinkr

bD—切削层公称宽度，（mm）。

3、切削层公称横截面积AD：

切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。

AD=hD*bD=fsinkr*ap/sinkr=f*ap

其中:

AD—切削层公称横截面积，（mm2）。

二、金属切削

本节难点

1、切削变形 

金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。

金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；

虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；

刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。

2、变形区的划分 

大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。

切削层的金属变形大致划分为三个变形区：

第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。

3、切屑的形成及变形特点

1）第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形

切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。

切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。

1、相对滑移ε

相对滑移ε是用来量度第1变形区滑移变形的程度。

2、变形系数∧h

变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。

如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。

剪切角

与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。

如果增大前角γ0和剪切角

，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。

注意：

由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而ε值主要从剪切变形考虑；

而∧h主要从塑性压缩方面分析。

所以，ε与∧h都只能近似地表示切削变形程度。

第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。

2）第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形

经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。

此时将产生挤压摩擦变形。

应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。

前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。

3）第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形

已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和

加工硬化。

三、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响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有时呈三角状的硬块。

这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。

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，能够代替刀刃进行切削。

1、积屑瘤是如何形成的?

1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。

重点☆☆

分析启发

2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。

切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。

3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。

4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。

2、形成积屑瘤的条件：

主要决定于切削温度。

此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。

1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；

2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；

反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。

3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。

3、积屑瘤对切削过程的影响

1）实际前角增大它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。

积屑瘤愈高，实际前角愈大。

2）使加工表面粗糙度增大积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。

3）对刀具寿命的影响积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。

但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。

4、防止积屑瘤的主要方法

1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；

2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；

3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；

4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；

5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。

四、影响切削变形的因素

从相对滑移ε、变形系数∧h计算式中可知，剪切角

1、前角：

增大前角γ0，使剪切角

增大，变形系数∧h减小，因此，切削变形减小。

生产实践表明：

采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力

2、切削速度：

切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角

改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。

3、进给量：

进给量f增大，使变形系数∧h减小。

4、工件材料：

工件材料硬度、强度提高，切削变形减少。

小结：

1、第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。

2、形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度。

但是积屑瘤对切削过程可使实际前角增大，使加工表面粗糙度增大，对刀具寿命的影响。

因此，综观上述积屑瘤对加工的影响既有利的一面也有弊的一面。

作业布置：

1、试述积屑瘤的成因、影响及避免的方法。

第3章金属切削过程（续）

1、了解切削力的来源，切削合力及其分解；

2、了解切削功率和单位切削功率；

3、掌握影响切削力的因素。

4、了解切削热和切削温度的产生及影响因素

5、了解刀具的磨损和耐用度

影响切削力的因素

影响切削力的因素、切削热和切削温度的产生及影响因素

4节课

1、金属切削层参数

2、金属切削的三个变形区

3、积屑瘤是如何形成的

4、积屑瘤对切削过程的影响

5、防止积屑瘤的主要方法

3-2切削过程的基本规律

一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率

（一）切削力的来源 

研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。

金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。

切削力来源于三个方面：

1．克服被加工材料对弹性变形的抗力；

2．克服被加工材料对塑性变形的抗力；

3．克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。

（二）切削合力及其分解

上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr（国标为F）。

为了实际应用，Fr可分解为相互垂直的Fx（国标为Ff）、Fy（国标为Fp）和Fz（国标为Fc）三个分力。

在车削时：

Fz——主切削力或切向力。

它切于过渡表面并与基面垂直。

Fz是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。

Fx——进给抗力、轴向力或走刀力。

它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。

Fx是设计进给（走刀）机构，计算车刀进给功率所必需的。

Fy——切深抗力、或背向力、径向力、吃刀力。

它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。

Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和车刀强度。

它与工件在切削过程中产生的振动有关。

（三）切削功率

1、单位切削力

单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力，可用下式表示：

单位切削力p可查手册，利用单位切削力P来计算主切削力Fz较为简易直观。

2、切削功率Pm

消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm（国标为Po）。

切削功率为力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。

于是Pm=（Fz*Vc+Fx*nw*f/1000）×

10-3 

Pm—切削功率（KW）；

Fz—切削力（N）；

Vc—切削速度（m/s）；

Fx—进给力（N）；

nw—工件转速（r/s）；

f—进给量（mm/s）。

式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它相对于F所消耗的功率来说，一般很小（<

1%～2%），可以略去不计，于是 

Pm=FzV×

10-3

按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择

机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。

PE≥Pm/ηm

式中：

ηm—机床的传动效率，一般取为0.75～0.85，大值适用于新

机床，小值适用于旧机床。

3、单位切削功率

单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率。

二、响切削力的变化的因素

实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。

1、工件材料

（1）硬度或强度提高，剪切屈服强度τs增大，切削力增大。

（2）塑性或韧性提高，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切

削力增大。

2、切削用量

（1）背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，切削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，切削力增大。

总结简易

方法

由于背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响大（通常XFz=1,YFz=0.75-0.9），所以在实践中，当需切除一定量的金属层时，为了提高生产率，采用大进给切削比大切深切削较省力又省功率。

（2）切削速度vc

1）加工塑性金属时，切削速度Vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。

2）切削脆性金属时，因为变形和摩擦均较小，故切削速度Vc改变时切削力变化不大。

3、刀具几何角度

（1）前角：

前角增大，变形减小，切削力减小。

（2）主偏角：

主偏角Kr在300-600范围内增大，由切削厚度hD的

影响起主要作用，使主切削力Fz减小；

主偏角Kr在600-900范围内

增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力Fz增大。

一般地，Kr=600-750,所以主偏角Kr增大，主切削力Fz增大。

实践应用，在车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力Fy的作用，往往采用较大的主偏角κr>

600的车刀切削。

（3）刃倾角λs：

λs对Fz影响较小，但对Fx、Fy影响较大。

λs由正向负转变，则Fx减小、Fy增大。

实践应用，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角λs。

特别是在工艺系统刚度较差的情况下，往往因负刃倾角λs增大了切深抗力Fy的作用而产生振动。

4、其它因素

（1）刀具棱面：

应选较小宽度,使Fy减小。

（2）刀具圆弧半径：

增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。

（3）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。

三、切屑削热和切削温度

切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重要物理现象。

切削时做的功，可转化为等量的热。

功削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件变形、加速刀具磨损。

因此，研究切削热与切削温度具有重要的实用意义。

（一）切削热的产生和传导

切削热是由切削功转变而来的。

如下图所示，其中包括：

剪切区变形功形成的热QP、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qrf、已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qαf,因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与已加工表面接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。

所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。

产生总的切削热Q，分别传入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qr。

切削热的形成及传导关系为：

切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；

切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多。

（二）切削温度的测量

切削温度的测量方法很多，见下图。

①自然热电偶法自然热电偶法主要是用于测定切削区域的平均温度。

②人工热电偶法人工热电偶法是用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，用它可求得温度分布场和最高温度的位置。

（三）影响切削温度的主要因素

根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀

具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。

分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。

如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温

度增高；

某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。

1、切削用量的影响

切削用量是影响切削温度的主要因素。

通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。

切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。

进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。

2、刀具几何参数的影响

切削温度θ随前角γo的增大而降低。

这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。

但前角大于18°

～20°

后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。

主偏角Κr减小时，使切削宽度hD增大，切削厚度hD减小，因此，切削变形和摩擦增大，切削温度升高。

但当切削宽度hD增大后，散热条件改善。

由于散热起主要作用，故随着主偏角kr减少，切削温度下降。

负倒棱bγ1在（0—2）f范围内变化，刀尖圆弧半径re在0—1.5mm范围内变化，基本上不影响切削温度。

因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。

3、工件材料的影响

工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对切削温度的影响是很大的。

由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。

工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。

4、刀具磨损的影响

在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；

切削速度愈高，影响就愈显著。

合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。

5、切削液的影响

切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。

从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。

（四）切削温度对工件、刀具和切削过程的影响

切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高；

切削

温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷。

（1）切削温度对工件材料强度和切削力的影响

切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料硬度及强度的影响并不很大；

剪切区域的应力影响不很明显。

（2）对刀具材料的影响

适当地提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。

（3）对工件尺寸精度的影响

（4）利用切削温度自动控制切削速度或进给量

（5）利用切削温度与切削力控制刀具磨损

四、刀具的磨损与破损、刀具寿命及刀具状态监控

（一）刀具磨损的形态及其原因

切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。

刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。

前者是连续的逐渐磨损，属正

常磨损；

后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑

性破损两种，属非正常磨损。

刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。

因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。

刀具正常磨损的形式有以下几种：

1.前刀面磨损 

2.后刀面磨损 

3.边界磨损（前、后刀面同时磨损）

从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。

机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结（刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象）、扩散（刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀）等引起的。

（1）磨粒磨损

在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。

磨

粒磨损对高速钢作用较明显。

（2）粘结磨损

刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。

粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。

低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。

（3）扩散磨损

切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。

扩散磨损是一种化学性质的磨损。

（4）相变磨损

当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具表面金相组织发生变化。

如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。

因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。

（5）氧化磨损

氧化磨损是一种化学性质的磨损。

刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。

1）在低、中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。

通常拉削、铰孔和攻丝加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。

2）在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。

（二）刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命

1、刀具磨损过程

随着切削时间的延长，刀具磨损增加。

根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。

该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标与纵坐标。

从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：

1.初期磨损阶段 

2.正常磨损阶段 

3.急剧磨损阶

2、刀具磨钝标准

刀具磨损到一定限度就不能继续使用。

这个磨损限度称为磨钝标准。

规定后刀面上均匀磨损区的高度VB值作为刀具的磨钝标准。

3、刀具的耐用度（刀具寿命）

一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具的耐用度，用T分钟表示。

又称为刀具寿命。

（三）刀具的破损

刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式。

刀具在一定

的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力（切削力或热应力），就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。

破损是相对于磨损而言的。

从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损。

刀具的破损有早期和后期（加工到一定的时间后的破损）两种。

刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。

硬质合金和陶瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发生脆性破损。

脆性破损又分为：

1.崩刀 

2.碎断 

3.剥落 

4.裂纹破损。

（四）刀具寿命（刀具耐用度）的选择原则

切削用量与刀具寿命有密切关系。

在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。

一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。

比较最高生产率耐用度Tp与最低生产成本耐用度Tc可知：

Tc＞Tp。

生产中常根据最低成本来确定耐用度，但有时需完成紧急任务或提高生产率且对成本影响不大的情况下，也选用最高生产率耐用度。

刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。

选择刀具寿命时可考虑如下几点：

（1）根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。

复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。

（2）对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15—30min。

（3）对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。

（4）车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些；

当某工序单位时间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。

（5）大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。

（五）影响刀具耐用度Ｔ因素（见P43）　

1、切削用量

切削用量对刀具耐用度Ｔ的影响规律如同对切削温度的影响。

切削速度vc、背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，使切削温度

提高，