第三章切削与磨削原理.docx

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第三章切削与磨削原理

第三章切削与磨削原理

3.1切屑的形成过程

学习目标：

    本节主要讨论金属材料的切削过程，并对硬脆非金属材料的切削过程进行简单介绍。

学习本节必须研究切屑形成过程的物理本质及其变形规律，熟悉不同切屑类型以及切屑控制方法。

3.1.1切屑的形成过程

切屑的形成

    工件上切屑层的金属材料,在刀具前刀面的推挤作用下发生了塑性变形，最后沿某一面剪切滑移形成了切屑。

切屑形成的过程

    切屑形成的过程实质是切削层受到前刀面的挤压后产生的以滑移为主的塑性变形过程。

 切屑形成过程动态演示

被切金属的受力变形分析

    由图3-2塑性金属（紧靠刀尖前面的被切金属层及切屑）的切屑根部金相照片可知，刀尖前面的金属晶粒变成为沿某一方向倾斜的纤维状结构，发生了极大的剪切变形，且剪切区内的剪切线与自由表面的交角约为45°（符合塑性力学理论）。

一般这一变形区的宽度仅为0.02～0.2mm。

切削速度愈高，宽度愈小。

因此可以将变形区视为一个剪切平面，称为剪切面，剪切面与切削速度夹角以φ表示，称为剪切角。

如图3-3所示。

    金属除在剪切区发生显著变形外，还形成3个变形区，如图3-4所示。

图3-4说明：

    一般将剪切区称为第一变形区，其位置如图中Ⅰ所示，靠前刀面处称为第二变形区，如图中的Ⅱ。

由图3-2可看出，在已加工表面处也发生了显著的变形，方格已纤维化，这是已加工表面受到切削刃和后刀面的挤压和摩擦造成的。

这一部分一般称为第三变形区，如图中的Ⅲ。

3.1.2切屑变形程度的表示方法

剪应变ε

    切削过程中金属的塑性变形主要集中于第一变形区，且主要形式是剪切滑移，因而其变形量可用剪应变ε来表示，如图3-5所示。

        ..........（3-1）  

    根据图中所示的几何关系，可导出剪应变ε和剪切角φ的关系：

        .......................（3-2）

    按此式计算，剪切角愈小，剪切变形量愈大，即切屑变形愈大。

变形系数Λh

    由于切削时金属的塑性变形，使切下的切屑厚度hch通常要大于切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削长度lc，如图3-6所示。

用切屑厚度与切削厚度之比或切削长度与切屑长度之比来表示切屑形成时的变形程度,则有下式：

             ..............................（3-3）

   Λh称变形系数，Λh愈大，说明切屑的变形程度愈大。

    根据图3.6的几何关系，可导出Λh与剪切角φ的关系：

        ..............................（3-4）

可看出变形系数Λh越大，剪切角φ越小，切屑变形越大。

将式（3-4）代入式（3-2）可得变形系数Λh与剪应变ε的关系：

        ........................（3-5）             

当γo=0～30°，Λh≥1.5时，Λh的数值与ε相近。

当γo＜0°或Λh＜1.5时，不能用Λh表示切屑的变形程度。

3.1.3前刀面的挤压．刀-屑的摩擦与积屑瘤

作用在切屑上的力及各角度间的关系

（1）前刀面作用在切屑上的力有：

前面垂直力Fγn

                                   前面切向力（即摩擦力）Fγ

它们的合力即作用力为F。

（2）剪切面作用在切屑上的力有：

剪切平面垂直力FshN

                                   剪切平面切向力（即剪切力）Fsh

其合力为F0＇。

    合力F与F0＇应相互平衡，其中F与Fγn的夹角称摩擦角β，如图3-7所示。

    （3）各角度间关系

    合力F的方向为主应力方向，剪切力Fsh方向是最大剪应力方向。

根据材料力学F与Fsh的夹角应为π/4。

所以剪切角与摩擦角有如下关系：

                         φ=π/4-β+γo   .................................. （3-6）

    由（3-6）式可知：

当前角γo增大时，φ角随之增大，切屑变形减小；当摩擦角β增大时，Φ角随之减小，切屑变形增大。

前刀面上刀-屑的摩擦

    在切削过程中，在刀-屑接触界面存在着很大的压力（可达2～3Gpa），而高压、高温易使刀-屑接触面间产生粘结。

    切屑与前刀面之间是切屑和刀具粘结层与其上层金属之间的内摩擦，即金属内部的剪切滑移，它与材料的剪切屈服强度和接触面的大小有关。

如图3-8所示。

    用平均摩擦系数μ（tgβ）来描述这一摩擦情况。

           ...........................（3-7）

    式中Af1为内摩擦部分的接触面积，σaγ表示该部分的平均正应力。

τs是工件材料的剪切屈服强度。

图3-8说明：

    刀-屑接触面可分为两个区域，一是粘结区lf1，另一是滑动区lf2。

在粘结区正应力σγ很大，剪应力τs也很大，且等于材料的剪切屈服强度。

正因为τγ=τs，说明了此区摩擦力是来自切屑底层金属间内部的剪切滑移，所以反映出是内摩擦，在滑动区σγ﹑τγ都很小，在刀-屑分离处减到零，所以是外摩擦。

lf1区的内摩擦力远远大于lf2的外摩擦力，因此前刀面刀-屑的摩擦可认为是lf1区的内摩擦。

积屑瘤

（1）积屑瘤

    在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常在前刀面切削处粘有剖面呈三角状的硬块。

其硬度通常是工件材料硬度的2～3倍，能够代替切削刃进行切削。

这部分冷焊在前刀面的金属称为积屑瘤。

积屑瘤剖面的金相磨片见图3-9。

（2）积屑瘤的成因

    在刀-屑接触长度lf的lf1接触区间内，由于粘结作用，使切屑底层与前刀面接触的金属被粘结在前刀面上，而切屑从其上面流过。

在被粘结金属与切屑之间又形成内摩擦，产生加工硬化，在适当的温度与压力情况下，又有一层金属被阻滞在已粘结的金属层上面，与其粘结成一体并逐渐增大，便形成了积屑瘤。

    （3）积屑瘤对切削过程的影响

    1）使实际前角（γb）增大（如图3-10所示），可使切削力减小。

    2）积屑瘤的产生、成长和脱落，每秒可有几十次至几百次，因而可引起切削振动。

    3）使加工表面粗糙度增大。

    4）在积屑瘤相对稳定时，可代替刃切削，减少刀具磨损；在不稳定情况下，可加剧刀具磨损。

3.1.4影响切削变形的因素

工件材料

工件材料强度和硬度越大，变形系数Lh越小，即切屑变形越小。

见图3-11。

刀具几何参数

刀具几何参数中影响最大的是前角。

刀具前角γo越大，剪切角φ变大，变形系数Lh就越小（见图3-12）。

切削用量

（1）无积屑瘤的情况

图3-13说明：

    1）当切削速度高于切屑塑性变形速度时，金属在始滑移线上尚未来得及变形就流动到OA'线上，也就是始滑移线OA后移到OA'线，从而使得剪切角φ增大，变形系数Λh变小。

    2）随着切削速度vc的提高，切削温度升高，切屑底层金属的τs下降，摩擦系数减小，也使剪切角φ增大，变形系数Λh减小。

切削速度vc越高，变形系数Λh越小，如图3-13和图3-14所示。

进给量f越大，hD增大，前刀面上的σav增大，摩擦系数减小，剪切角φ加大，变形系数Λh越小。

如图3-15所示。

（2）有积屑瘤的情况

图3-14说明：

    在积屑瘤生长区（vc＜22m/min），随着vc升高积屑瘤逐渐长大，使得γb增大,当γb达到最大时，即γoe达最大，使剪切角增到最大，变形系数Λh减至最小；在积屑瘤消退区（vc=22m/min～84m/min）,vc再升高，积屑瘤逐渐脱落，γb逐渐减小，直至积屑瘤完全消失。

当γoe=γ0时，变形系数Λh又增至最大。

vc＞84m/min为无瘤区，vc升高，τs下降，μ下降，φ增大，Λh减小。

vc通过积屑瘤前角γb（即实际工作前角γoe）来影响变形系数Λh，如图3-14所示。

背吃刀量ap对变形系数Λh基本无影响。

3.1.5切屑类型及切屑控制

切屑类型可分为以下四种类型（见图3-16）：

    1）带状切屑

    它的底层表面是光滑的、上表面是毛茸状的。

当加工塑性材料，进给量较小，切削速度较高，刀具前角较大时，往往会得此类切屑。

形成带状切屑的切削过程比较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度值较小。

    2）节状切屑

    又称挤裂切屑，其外弧表面呈锯齿状，内弧表面有时有裂纹。

节状切屑多在切削速度较低、进给量（切削厚度）较大、加工塑性材料时产生。

    3）粒状切屑

    又称单元切屑。

当切削过程中剪切面上的应力超过工件材料破裂强度时，则整个单元被切离成梯形单元，得到单元切屑。

当切削塑性材料，前角较小（或为负前角）、切削速度较低、进给量较大时易产生单元切屑。

    4）崩碎切屑

    切削脆性材料时，因工件材料的塑性很小，抗拉强度也很低，切屑是未经塑性变形就在拉应力作用下脆断，形成不规则的碎块状切屑，此种切屑称为崩碎切屑。

工件材料越硬、越脆，进给量越大，越易产生此类切屑。

切屑的控制

    为了使切削过程的正常进行和保证已加工表面质量，必须使切屑卷曲和折断。

（1）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（如图3-17所示）。

彩图3-1显示刀具加工工件时产生的切屑被卷曲的情况。

（2）断屑是对已变形的切屑再附加一次变形，如切屑碰到工件的待加工表面或刀具的后刀面或其它附加的断屑装置（如图3-18所示）。

彩图3-2显示刀具切削工件时产生断屑的情况。

3.1.6硬脆非金属材料切屑形成过程 

    硬脆非金属材料（如工程陶瓷、玻璃、石材等）的切除过程是通过断裂破碎成为切屑的。

因而，硬脆材料的切削过程需以断裂力学为基础进行研究。

以陶瓷材料为例。

陶瓷材料切屑形成过程及切屑形态

    使用金刚石刀具切削陶瓷材料时，工件材料是在大规模的挤裂与小规模的挤裂交替过程中被逐步切除的，如图3-19所示。

    整个过程可用图3-20所示中4个阶段来描述。

大规模﹑小规模挤裂过程的特点

（1）大规模挤裂的特点

    在切削深度较大的情况下，刀刃附近材料内部的裂纹向刀刃的前下方扩展，最终穿过自由表面而结束。

    其裂纹扩展的过程分为三种情况：

        第①阶段-→第②阶段-→第③阶段-→第④阶段

        第①阶段-→第②阶段-→第③阶段-→第④阶段

        第①阶段-→第④阶段    

第①阶段：

    发生在刀刃附近的材料内部，由于较大的张应力产生裂纹和裂纹的扩展过程（G≥Gc）。

裂纹扩展的速度比刀具前进的速度要快得多，在达到某一距离之后即告停止。

对于陶瓷一类硬脆材料，裂纹产生的位置取决于刀刃前方材料内的应力分布状况，多数位于刀具前刀面前方稍低于刀刃的区域。

第②阶段

    是一度停止的裂纹的再扩展过程。

再扩展的最初方向取决于裂纹前端特定的应力场，一般在一度停止的裂纹的延长线下方，而后就沿着再扩展之前的最小主应力方向进行。

在再扩展过程中，刀具前刀面前方的一部分材料（A部）突然破碎，由于特定应力场发生改变，裂纹开始向上转折进入第③阶段。

第③阶段

    沿着裂纹转折前的最小主应力方向继续扩展。

在此阶段，刀具前刀面前方裂纹上部（B部）的材料破碎，裂纹进入第④阶段。

第④阶段

    此时由特定的应力场确定的扩展方向及最小主应力方向都指向前上方，裂纹穿过上部的自由表面，形成粒状、片状切屑。

（2）小规模挤裂的特点

    在切削深度较小或发生在大规模挤裂之后切削深度变小的情况下，由于切应力作用，刀具前方的材料发生微细的破碎，形成粒状及粉末状的切屑，引起破碎。

    另外，由于刀刃后方的材料内存在有拉应力，可能会产生与表面大体相垂直的裂纹（如图3-19所示）。

3.2切削力及其影响因素

学习目标：

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

研究切削力对刀具、机床、夹具的设计和使用都具有很重要的意义。

学习本节主要掌握切削力概念、计算及其影响因素，。

3.2.1切削力的产生和分解

（1）切削力的产生来源

    1）切屑形成过程中弹性变形及塑性变形产生的抗力，

    2）是刀具与切屑及工件表面之间的摩擦阻力，

（2）切削力的分解

    Fc——切削力（主切削力或切向分力，以前用Fz表示）。

它切于加工表面，并与基面垂直。

Fc用于计算刀具强度，设计机床零件，确定机床功率等。

    Fp——背向力（切深分力或径向分力，以前用Fy表示）。

它处于基面内并垂直于进给方向。

Fp用于计算与加工精度有关的工件挠度和刀具、机床零件的强度等。

它也是使工件在切削过程中产生振动的主要作用力。

    Ff——进给力（轴向分力或走刀分力，以前用Fx表示）。

它处于基面内与进给方向相同。

Ff用于计算进给功率和设计机床进给机构等。

    切削合力与分力的关系如下列公式所示：

                  （3-8）

式中FD——作用于基面Pr内的合力。

3.2.2切削力与切削功率的计算

    目前生产实际中采用的计算公式都是通过大量的试验和数据处理而得到的经验公式。

这些经验公式主要有两种形式：

指数切削力形式和切削层单位面积切削力形式。

指数形式的切削力经验公式

    指数形式的切削力经验公式应用比较广泛，其形式如下：

             （3-9）

            （3-10）

           （3-11）

式中：

Fc、Ff、Fp——切削力、进给力和背向力；

    、、——取决于工件材料和切削条件的系数；

    、、;、、;、、——三个分力公式中背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc的指数；

    、、——当实际加工条件与求得经验公式的试验条件不符时，各种因素对各切削分力的修正系数。

    式中各种系数和指数都可以在切削用量手册中查到。

用切削层单位面积切削力计算切削力

    切削层单位面积切削力kc（N/mm2）可按下式计算：

               （3-12）

    各种工件材料的切削层单位面积切削力kc可在有关手册中查到。

根据式（3-12）可得到切削力Fc的计算公式：

                  （3-13）

式中：

——切削条件修正系数。

用切削层单位面积切削力计算切削力工作功率

    工作功率Pe可分为两部分：

    1）主运动消耗的功率Pc（w）（切削功率）

    2）进给运动消耗的功率Pf（w）（进给功率）

    所以，工作功率可以按下式计算：

            （3-14）

式中：

Fc、Ff--切削力和进给力（N）；

    vc--切削速度（m/s）；

    nw--工件转速（r/s）；

    f--进给量（mm/r）。

    由于进给功率Pf相对于Pc一般都很小（<1%～2%），可以忽略不计。

所以，Pe可以用Pc近似代替。

    在计算机床电动机功率Pm时，还应考虑机床的传动效率ηm，按下式计算：

                          （3-15）

切削温度θ3.3.1是指前刀面与切屑接触区内的平均温度。

前刀面磨损3.4.1切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，则在前刀面上被磨出一个凹窝，又称月牙洼磨损。

后刀面磨损3.4.1即在后刀面与工件接触的很小的一块面积上，由于大的接触压力而产生弹性和塑性变形，使后刀面被磨出沟痕形成的宽窄不均的磨损。

磨料磨损3.4.2工件材料中的杂质、材料基体组织中的碳化物、氮化物、氧化物等硬质点在刀具表面刻划出沟纹而造成的磨损。

粘结3.4.2是指刀具与工件材料接触达到原子间距离时所产生的粘结现象，又称为冷焊。

粘结磨损3.4.2刀具材料因为存在组织不均匀，内应力、微裂纹以及空隙、局部软点等缺陷，在表面发生破裂而被工件材料带走而形成的刀具磨损。

扩散磨损3.4.2由于切削温度很高，刀具与工件被切出的新鲜表面接触，两者化学元素由于活性很大而有可能互相扩散，使化学成分发生变化，削弱刀具材料的性能的磨损。

化学磨损3.4.2是在一定温度下，刀具材料与某些周围介质（如空气中的氧、切削液中的极性添加剂硫、氯等）起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，而被切屑带走而形成的刀具磨损。

刀具使用寿命3.4.4刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到刀具的磨钝标准为止的切削时间（以往称为刀具耐用度），以T表示。

工件材料的切削加工性3.5.1是指在一定的切削条件下，工件材料切削加工的难易程度。

工作功率3.2.2消耗在切削加工过程中的功率Pe。

粒度3.6.1指磨料颗粒的尺寸大小，对颗粒的最大尺寸大于40μm的磨料用磨粒能通过的筛网号表示。

微粉3.6.1直径小于40μm时的磨粒。

砂轮硬度3.6.1表示磨粒在磨削力的作用下，从砂轮表面脱落的难易程度。

磨削3.6.2是利用砂轮表面上由结合剂弹性（1～2N/μm）支承着的极多微小磨粒切削刃进行的切削加工。

浇注法3.6.6是用低压泵把磨削液输送至喷嘴，借助液体本身的重力作用浇注到砂轮与工件的接触区。

强力磨削3.6.7是以大的背吃刀量（可达1～30mm）和缓慢的进给速度（一般约为10-300mm/min）实现高效磨削的一种方法，又称缓进给磨削。

砂带磨削3.6.7是砂带在一定工作压力下与工件接触，并作相对运动，进行磨削或抛光。

3.2.3影响切削力的因素

工件材料的影响

    1）工件材料的物理力学性能、加工硬化程度、化学成分、热处理状态以及切削前的加工状态都对切削力的大小产生影响。

    2）工件材料的强度、硬度、冲击韧度、塑性和加工硬化程度愈大，则切削力愈大。

    3）工件材料的化学成分、热处理状态等因素都直接影响其物理力学性能，因而也影响切削力。

刀具几何参数的影响

（1）前角对切削力的影响

    1）加工塑性材料时，前角γ0增大，变形系数Λh减小，因此切削力降低；

    2）加工脆性材料（加铸铁、青铜）时，由于切屑变形很小，所以前角对切削力的影响不显著。

（2）主偏角对切削力的影响

    1）主偏角kr对切削力Fc的影响较小，影响程度不超过10%。

主偏角kr在60°～75°之间时，切削力Fc最小。

    2）主偏角kr对背向力Fp和进给力Ff的影响较大。

由图3-21b可知

       ；      （3-16）

式中：

FD--切削合力F在基面内的分力。

    可见Fp随kr的增大而减小，Ff则随kr的增大而增大。

    （3）刀尖圆弧半径对切削力的影响

    刀尖圆弧半径re增大，使切削刃曲线部分的长度和切削宽度增大，但切削厚度减薄，各点的kr减小。

所以re增大相当于kr减小时对切削力的影响。

    （4）刃倾角对切削力影响

    1）刃倾角λs在很大范围（-40°～+40°）内变化时对切削力Fc没有什么影响。

    2）刃倾角λs对Fp和Ff影响较大，随着λs的增大，Fp减小，而Ff增大。

    （5）负倒棱对切削力的影响

    在前刀面上磨出的负倒棱br的宽度与进给量f之比增大，切削力随之增大。

    但当切削钢，或切削灰铸铁时，切削力趋于稳定，接近于负前角刀具的切削状态。

切削用量的影响

（1）背吃刀量对切削力的影响

    背吃刀量ap增大，切削力成正比增加，背向力和进给力近似成正比增加。

（2）进给量对切削力的影响

    进给量f增大，切削力也增大，但切削力的增大与f不成正比。

    （3）切削速度对切削力的影响

    切削速度vc对切削力的影响分为有积屑瘤阶段和无积屑瘤阶段两种：

    1）在积屑瘤增长阶段，随着vc增大，积屑瘤高度增加，切屑变形程度减小，切削层单位面积切削力减小，切削力减小。

反之，在积屑瘤减小阶段，切削力则逐渐增大。

    2）在无积屑瘤阶段，随着切削速度vc的提高，切削温度增高，前刀面摩擦系数减小，变形程度减小，使切削力减小，如图3-22所示。

刀具材料的影响

    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。

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。

切削液的影响

    切削液具有润滑作用，使切削力降低。

切削液的润滑作用愈好，切削力的降低愈显著。

在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为突出。

彩图3-3显示切削液具有的润滑作用。

刀具后刀面磨损的影响 

    刀具后刀面磨损带中间部分的平均宽度以VB表示。

磨损面上后角为0°。

VB愈大，磨擦愈强烈，因此切削力也愈大。

VB对背向力Fp的影响最为显著。

3.3切削热与切削温度及其影响因素

学习目标：

    切削热是切削过程中的重要物理现象之一。

切削温度影响工件材料的性能、前刀面上的摩擦系数和切削力的大小；影响刀具磨损和刀具使用寿命；影响积屑瘤的产生和加工表面质量；也影响工艺系统的热变形和加工精度。

因此，学习本节主要掌握切削热产生及相关概念、切削温度分布及影响因素。

3.3.1切削热的产生和传出

（1）切削热的产生

    剪切区、切屑与前刀面的接触区、后刀面与切削表面的接触区的切屑变形功和前﹑后刀面的摩擦功产生切削热，如图3-23所示。

    这些功有98～99%转换为热能，因此切削功率Pc公式如下：

            （3-17）

式中：

q--单位时间内产生的切削热（J/s）,q近似等于Pc。

    Fc--切削力，条件是用硬质合金车刀车削σb=0.637GPa的结构钢。

    可知，背吃刀量ap增加一倍，q也增加一倍；切削速度vc对q的影响次之；进给量f的影响最小；其它因素对q的影响与对Fc的影响相似。

（2）切削热的传出

    切削热是通过切屑﹑工件﹑刀具和周围介质向外传出的，如图3-23所示。

    切削温度θ是由切削热的产生与传出的平衡条件所决定的。

产生的切削热愈多，传出的愈慢，切削温度愈高。

    凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度θ上升。

而有利于切削热传出的因素都会降低切削温度。

例如，提高工件材料和刀具材料的热导率或充分浇注切削液，都会使切削温度下降。

.3.2切削温度的分布

   在切削变形区，工件、切屑和刀具上的切削温度分布，即切削温度场，对研究刀具的磨损规律、工件材料的性能变化和已加工表面质量都很有意义。

    图3-24是用红外胶片法测得的切削钢料时，正交平面内的温度场。

由此可归纳出一些切削温度分布的规律：

    1）剪切区内，沿剪切面方向上各点温度几乎相同，而在垂直于剪切面方向上的温度梯度很大。

由此可以推想在剪切面上各点的应力和应变的变化不大，而且剪切区内的剪切滑移变形很强烈，产生的热量十分集中。

    2）前刀面和后刀面上的最