金属切削原理与刀具袁广第三章金属切削基本理论Word格式文档下载.docx

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（一）切屑的形成及三个变形区

1、设切削层厚度，宽度，以切削速度向刀具接近。

从OA线开始发生塑性变形，到OM线剪切滑移基本完成。

形成AOM塑性变形区。

塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，因此又称为剪切区或第一变形区。

2、当切屑以速度沿前面流出时，进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，变形方向基本上与前面平行（即为晶格变形方向）。

由于该变形主要由摩擦引起，因而又称摩擦变形区或第二变形区。

3、已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化，称为第三变形区。

这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中，也比较复杂，金属的被切削层就在此处与工件本体材料分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面上。

第一变形区形成切屑，变形最大；

第二变形区变形大小主要影响前面的磨损；

第三变形区的滑移变形，严重使已加工表面产生变形。

※※剪切滑移区（第一变形区）的变形机理

研究剪切滑移区的变形机理，就是看材料是在该区域内怎样完成变形的。

以切屑为研究对象。

设刀具对切屑的正压力位Fn，摩擦力位Ff，二者合力为Fr，在合理的作用下，在垂直它的横截面上产生正应力σ。

，在与该力大致呈45º

角的截面上产生最大剪应力τ。

σ。

=Fr/A，而τ=σ。

/2

（1）若最大剪应力τ≥τs（材料的屈服极限）时，材料就沿剪应力的方向滑移（沿剪切面滑移）；

（2）若最大剪应力τ≥τb（材料的强度极限）时，材料发生剪切强度破坏，切屑断裂。

※※剪切滑移区（第一变形区）的变形过程

在切削层内刃取一点P,当点P为达到剪切滑移区时，只产生弹性变形，一旦达到该区域时，就要产生剪切滑移——塑性变形。

（1）OA线为始滑移线，OM线为终滑移线（都是等剪应力曲线）。

当P点到达1点的位置时，剪应力到达材料的屈服极限τs，开始产生剪切滑移，点1在向前移动的同时，也沿OA滑移，其合成运动将使点1流动到点2。

2-2ˊ就是滑移量。

随着滑移的产生，剪应力将逐渐增加，也就是当P点向1、2、3个点流动时，剪应力不断增加，直到点4位置，此时其流动方向与前面平行，不再沿OM线滑移。

（2）第一变形区（OA～OM之间）其变形的主要特征是：

沿滑移线剪切变形，以及随之产生加工硬化。

（3）切削速度较高时，第一变形区较窄。

一般的切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约为0.2～0.02mm。

（可用一剪切面来表示）

（4）剪切面OM与切削速度间的夹角φ——剪切角φ。

（5）OA线上的剪应力τ＝τs；

OB、OC、OM线上的剪应力由于变形加工硬化而依次升高，在OM线达最大值τmax，若

τmax<

τb时，切屑为带状；

τmax≥τb时，切屑为挤裂状；

▼▼思考：

1、切屑的基本形态有几种？

2、第一变形区剪切滑移的机理是什么?

（τ≥τs）

（二）衡量变形的方法

首先来看一看研究切屑变形有什么意义：

切削过程是复杂的，既有剪切，又有前面对切屑的积压和摩擦作用（第二变形区），衡量变形的方法是在纯剪切的观点上提出来的。

因为切屑变形的大小，会直接影响到切削力的大小，以及切削温度、刀具磨损等物理现象，所以必须研究切削变形的大小。

在金属切削过程中，切屑的变形的大小是怎样衡量的呢？

目前衡量切屑变形的方法有三种：

①剪切角φ②变形系数ξ③相对滑移

1、变形系数ξ

切削层经切削成为切屑，由于变形——变短、变厚。

设切削层长度为L，切削厚度为hD，切屑长度为Lc,切屑厚度为hDc，那么一定是L>

Lc，hDc>

Hd.这说明金属在切削过程中确实存在着变形，与用斧子劈木头是两码事，有本质的不同，不能混为一谈。

设金属在变形前后的体积不变，切削宽度bD不变（直角切削）那么

hd*L*bD=hDc*Lc*bD则令L/Lc=hDc/hd=ξ〉1

即变形系数有着优点：

比较直观地反映了变形程度，容易测量，简单可行。

但也有不足，那就是精确度低。

ξ的意义：

ξ变大，变形就大，表示切除的切屑越厚越短。

反之变形小。

另外，ξ的表示方法还可以用前角和剪切角来表达。

（如图）

ξ=hDc/Hd

上式说明：

变形的大小与剪切角φ和前角有关。

一般认为前角γo增大，剪切角φ增大则ξ减小。

但前角γo一定时，若剪切角φ增大，

那么切削变形就小。

2、剪切角φ

剪切角φ的大小是怎样确定的呢？

上次课中知道，切削合力与切削速度间的夹角为β-γo，剪切角为φ。

最大剪应力存在的平面OM与作用力方向间的夹角约为45°

，那么

φ+β-γo=45°

则φ=45°

-（β-γo）其中β为摩擦角

（三）第二变形区

1、摩擦区的形成

塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。

这是由于受前面的挤压和摩擦进一步加剧变形，在靠近前面处形成第二变形区即摩擦区。

摩擦区的特征：

使切屑底层靠近前面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上（实质上就是滞留层）；

切屑弯曲，有摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高等。

滞留层的特点：

滞留层的变形程度要比上层剧烈，约几倍到几十倍，厚度一般约占切屑厚度的1/8～1/9。

2、前刀面的摩擦特性

实验证明，在第二变形区（摩擦变形区）内，对于塑性金属来讲，切屑与前面间的摩擦不是一般的滑动摩擦。

在摩擦区域内分为内摩擦和外摩擦两部分。

粘结部分Lf1为内摩擦；

粘结部分之外Lf2为外摩擦。

（1）什么是内摩擦呢？

在切削塑性金属时，由于压力大、温度高，切屑的最底层金属流动速度很慢，甚至粘结到前面上。

这一层金属与上层金属之间的摩擦就是内摩擦。

内摩擦发生材料内部的滞留层内。

如图，假如刀具绝对锋利，切削厚度hD较小，那么刀尖正应力σ。

最大。

在内摩擦部分正应力σ。

较大，在外摩擦部分正应力σ。

较小，逐渐减小为零。

在前面上正应力分析曲线由下式表达：

σr=qxb其中q—系数，b—指数。

均由具体实验条件确定，x以切屑与前面的脱离点为起点。

在前面上，剪应力τr分布曲线为分段函数

τr=τs——内摩擦部分

τr<

τs——外摩擦部分，τr由τs逐渐减小为零。

（2）内摩擦力的计算：

粘结部分Lf1内的摩擦力，主要有剪应力τr和接触面积Aα决定，其大小为

Ff=τrAα

（3）内摩擦系数μ值

实验测得前面上的摩擦系数是一个变量。

因而只能令μ代表前面上的平均摩擦系数。

在内摩擦部分有

μ=Ff/Fn≈τrAα/（σrav×

Aα）=τr/σrav

Aα—内摩擦部分的接触面积，σrav—内摩擦部分的平均正应力。

由于各点正应力是个变值，用上式所求的μ值也是一个变量;

采用平均正应力σrav求的μ值也为平均摩擦系数。

由此=μ所求得的摩擦角也是平均摩擦角。

（4）内摩擦的特点：

1）发生在材料内部；

2）摩擦力的大小与内摩擦面积成正比。

第二次课

3、积屑瘤

在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在刀具前面处粘着一块剖面常呈三角状的硬块。

它的硬度很高，通常是工件材料的2～3倍，在处于比较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。

这块冷焊在刀具前面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。

（1）积屑瘤的成因

切屑与刀具前面接触处有摩擦，当两者的接触面积达到一定温度，同时压力又较高时，会产生粘结现象，即所谓的“冷焊”。

这时切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。

如果温度与压力适当，底层上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。

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。

所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。

一般来说，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；

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。

对于碳素钢来说，约在300℃～350℃时积屑瘤最高，到500℃以上时趋于消失。

（2）积屑瘤的特点

<

1>

化学性质与工件材料相同，说明积屑瘤来自于工件材料（切屑底层）逐渐堆积。

2>

硬度是工件材料的3～4倍，稳定时可代替刀刃进行切削。

3>

积屑瘤是一个动态结构，不稳定，产生、成长、脱落反复进行。

（3）积屑瘤的利弊

精加工（不希望产生积屑瘤）

1）积屑瘤会改变切削深度，不能保证加工尺寸精度；

2）积屑瘤使前角变大，由于积屑瘤粘附在刀具前面上，加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，变形小，但积屑瘤消失时，切削力又变大，容易引起振动。

粗加工

1）硬质合金材料的刀具：

在积屑瘤比较不稳定的情况下，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒破落，反而使刀具磨损加剧。

2）高速钢材料的刀具：

积屑瘤粘附在刀具前面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减小刀具磨损，提高耐用度的作用。

（4）积屑瘤的控制

要控制积屑瘤的产生，根据积屑瘤的成因和实践经验，应从三个方面即工件材料、切削用量、刀具几何参数控制。

工件材料

对于塑性材料，如钢材、球墨铸铁、铝合金等只要切削温度和切削速度适宜，便产生积屑瘤。

因此在工件材料方面，应提高材料硬度，减少滞留层的形成。

〈2〉切削用量

切削用量（ap、f、Vc）中的切削速度vc的影响最大，切削深度ap和进给量f的影响较小。

控制了切削速度Vc以控制切削温度。

1）低速时（Vc=10m/min以下），由于温度低（低于300℃）,不会引起粘附，不会形成积屑瘤。

2）高速时（Vc=100m/min以上），由于温度高（在500℃～600℃以上），积屑瘤的加工硬化消失，积屑瘤消失。

3）中速时，（10m/min<

Vc<

100m/min）易产生积屑瘤，切削中碳钢时，Vc=20～30m/min,温度适宜（约300℃～400℃），积屑瘤大最高。

刀具几何参数

刀具几何参数对积屑瘤的产生影响不大。

为减少切屑与刀具前面接触区的压力，增加刀具前角。

4>

加工时用切削液

切削液可以减少内摩擦，起到润滑作用，从而抑制积屑瘤的产生。

（四）已加工表面的变形与表面质量（第三变形区）

1、已加工表面的变形

前面在分析第一、第二两个变形区的情况时，假设刀具的刀刃是绝对锋利的，但实际上无论怎样仔细刃磨，刀具都可认为具有一个钝圆半径rn，rn的大小与刃磨质量、刀具材料和刀具的前、后面间的夹角βo有关。

高速钢3--10μm

刃磨后rn为硬质合金18—32μm磨损时rn将增大

金刚石砂轮（细粒）3--6μm

在刀刃钝圆半径作用下，已加工表面是怎样形成的呢？

（1）切削时，当切削层金属以速度逐渐接近刀刃时，便发生压缩与剪切变形，最终沿剪切面OM方向剪切滑移而成为切屑。

（2）在刀刃钝圆半径的作用下，在整个切削层中，由于任何刀具非绝对锋利，总是存在切削刃钝圆半径rn，这样使切削层内厚度为△hD的一层金属未被切掉，而被强行挤压到已加工表面上。

（3）留在已加工表面上的金属经过刀具后面的棱带的挤压并相互摩擦，这种剧烈的摩擦又是工件表层金属受到剪切应力。

（4）随后有一定的弹性恢复高度△h，与后面的接触长度为CD，那么已加工表面在CD长度上继续与后刀面摩擦。

使这层金属再次受到剪应力的作用。

这层受反复应力作用的金属层就成为已加工表面的变质层。

由于变质层受到刀刃的强行挤压，不但在组织上又变化，而且在性质上也引起变化，主要表现为加工硬化和残余应力两个方面。

2、加工硬化

已加工表面经过切削加工，是表面硬度提高的现象，称为加工硬化。

已加工表面的硬度是强化和弱化作用的综合结果，凡是增大变形与摩擦的因素都将加剧硬化现象；

凡是有利于弱化的因素，如高温、低熔点等，都会减轻硬化现象。

一般情况下，加工硬化可提高硬度20%--30%；

提高刃口的锋利程度可以降低加工硬化现象。

加工硬化有如下特点：

（1）硬化程度愈高，硬化层深度也愈深；

（2）加工硬化给下一道工序造成困难，刀具易被磨损；

（3）硬化层表面常会出现细微裂纹，增大表面粗糙度和降低材料的疲劳强度。

3、残余应力

残余应力指切削过程结束后，残存在金属中的应力，有时为残余拉应力，有时也为残余压应力。

产生原因：

1）机械应力的作用；

2）切削热的作用；

3）相变应起的体积变化；

产生后果：

1）均会使已加工表面发生裂纹；

2）降低零件的疲劳强度；

3）影响零件的尺寸和形状，甚至会发生弯曲、凸起变形。

第三次课

3—2切削力

在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精度和已加工表面质量。

在生产中，切削力又是计算切削功率，制定切削用量，监控切削状态，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。

因此，研究切削力的规律和计算方法，将有助于分析切削机理，并对生产实际有重要实用意义。

一、切削力的来源 

在刀具作用下，被切削层金属、切屑和已加工表面层金属都要产生弹性变形和塑性变形。

如图所示，有法向力FγN和FaN分别作用于前、后刀面。

由于切屑沿前刀面流出，故有摩擦力Fγ作用于前刀面；

刀具与工件间有相对运动，又有摩擦力Fa作用于后刀面。

FγN与Fγ合成为Fγ,γN；

FaN与Fa合成为Fa,aN；

Fγ,γN与Fa,aNv再合成为F，F就是作用在刀具上的总切削力。

对于锐利的刀具，作用在前刀面上的力是主要的。

作用在后刀面上的Fa和FaN很小，分析挤问题有时可以略而不计。

综上所述，切削力的来源有两方面：

一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；

二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。

二、切削合力和分力

车削外圆时的切削力。

如果不考虑副切削刃的切削作用以及其他造成流屑方向改变的因素的影响，合力F就在刀具的主剖面内。

为了便于测量和应用，可以将合力F分解为三个互相垂直的分力：

主切削力Fc—它垂直于基面，与切削速度Vc的方向—致，又可以称为切向力；

切深抗力Fp——它在基面内，并与进给方向（即工件轴线方向）相垂直；

进给抗力Ff——它也在基面内，并与进给方向（即工件轴线方向）相平行。

由图可知，合力F先分解为FC和FD，FD再分解为Fp和Ff。

因此

Fp、Ff与FD又有如下的关系：

Fp＝FDcosκr；

Ff＝FDsinκr

一般情况下，切削力Fc最大，Fg、Ff小一些。

随着刀具几何参数、刃磨质量、磨损情况和切削用量的不同，Fp、Ff相对于Fc的比值在很大的范围内变化：

Fp＝（0.15—0.7）Fc

Ff＝（0.1—0.6）Fc

在应用中，Fc和Fp很重要。

Fc是计算切削功率和设计机床的主要依据。

车削外圆时，Fp虽不作功，但能使工件变形或造成振动，对加工精度和已加工表面质量影响较大。

Ff作用在机床进给机构上，常用以设计机床进给机构或校核其强度。

三、切削力的经验指数公式

利用测力仪测出切削力，再将实验数据加以适当处理，可以得到切削力的经验公式。

切削力的经验公式通常是以切削深度ap和进给量f为变量的幂函数，其形式如下：

式中CFc、CFp、CFf——系数

xFc、yFc、xFp、yFp、xFf、yFf——指数。

车削常用金属时，主切削力Fc经验公式中的系数、指数值可查书上。

利用表中的数据可以计算Fc。

必须注意，如实际切削条件与试验中切削条件有差异时，则应在公式后面乘以相应的修正系数。

在《切削用量手册》中，有比较系统、全面的数据（包括所有的指数），可以应用指数公式计算出Fc、Fp、Ff。

四、单位切削力和切削功率

单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用κc表示：

而AD=ap·

f（mm2）

式中Fc—主切削力，N；

AD—切削面积，mm2

ap—切削深度，mm；

f—进结量，mm／r。

如果已知单位切削力kc，利用下面的公式就可以算出主切削力Fc：

Fc＝kc·

AD＝kc·

ap·

f（N）

式中kc单位为N／mm2，AD单位为mm2。

功率是力和力作用方向上的运动速度的乘积。

切削功率是各切削分力消耗功率的总和。

在外圆车削中，Fc方向的运动速度就是切削速度Vc；

Fp方向的运动速度等于零；

Ff方向的运动速度是转速nω和进给量f的乘积，即nω·

f。

因此，切削功率Pc可按下式计算：

（kw）

Vc—切削速度，m／s；

Ff——进给抗力，N；

nω——工件的转速，r／s；

f——进给量，mm／r。

或

式中Fc—主切削力，kgf；

Vc—切削速度，m／min；

Ff——进给抗力，kgf

nω——工件的转速，r／min；

1kW＝6120kgf·

m／min（或6120×

1000kgf·

mm／min）。

由于Ff远远小于Fc，而Ff方向的运动速度又很小，因此Ff所消耗的功率，对比于Fc所消耗的功率是微不足道的（一般小于1％），可以略而不计。

一般，切削功率根据Fc和Vc计算就可以了，即

Pc＝Fc·

Vc·

10-3（kW）

式中Fc单位为N，Vc单位为m／s。

根据切削功率选择机床电动机，还要考虑机床的传动效率。

机床电动机的功率PE应当是

式中

—机床的传动效率，一般取0.75—0.85。

第四次课

五、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。

（一）工件材料的影响

被加工工件材料的强度、硬度越高，切削力是增大的。

强度相近的材料，如其塑性（伸长率）较大，与刀具间的摩擦系数μ和摩擦角β也较大，故切削力增大。

切削脆性材料时，得崩碎切屑。

塑性变形及与前刀具面的摩擦都很小，故其切削力一般低于塑性材料。

例如：

45钢（中碳钢）的切削力高于A3钢（低碳钢）；

调质钢和淬火钢高于正火钢；

1Cr18Ni9Ti不锈高于45钢；

铸铁和铜、铝合金低于钢材料；

紫铜高于黄铜。

在计算某一种工件材料的切削力和切削功率时，必须在资料中查找该材料的切削力有关数据，或借用类别相同、性能相近材料的数据。

但是，在各种资料中，工件材料的种类不可能十分齐全，有时可借用现有材料的数据加以适当修正。

在《切削用量手册》中有较完整的工件材料机械（力学）性能对切削力的修正系数，可以参考使用。

（二）切削用量的影响

1．切削深度和进给量

切削深度ap或进给量f加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。

ap加大时，变形系数不变，切削力成正比增大；

而加大时，变形系数有所下降，故切削力不成正比增大。

在车削力的经验公式中，加工各种材料，ap的指数xFc≈1，而f的指数yFc＝0.75—0.9。

即当ap加大一倍时，Fc约增大一倍；

而f加大一倍时，Fc只增大68—86％。

因此，在切削加工中，如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。

书中列出的kc值是在f＝0.3mm/r时得到的。

如果进给量f≠0.3mm/r，则需乘以相应的修正系数。

实验表明，yFc的平均值约为0.85，据此算出进给量对切削力的修正系数值kfFc。

2.切削速度

加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随着切削速度的增大而减小这主要是因为Vc增大，将使切削温度提高，μ下降，从而使变形系数减小。

在低速范围内，由于存在着积屑瘤，所以切削速度对于切削力的影响，有著特殊的规律，这里就不再重复了。

切削脆性金属（如灰铸铁、铅黄铜），因其塑性交形很小，切屑和前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。

（三）刀具几何参数的影响

1．前角γ。

前角γ。

加大，被切金属的变形减小，因此切削力显著下降。

一般加工塑性较大的金属时，前角对切削力的影响比加工塑性较小的金属更显著。

例如，车刀前角每加大10，加工45钢的Fc约降低1%，加工紫铜的Fc约降低2%—3%，而加工铅黄铜的Fc仅降低0.4%。

2．负倒棱

在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刃区的强度，从而提高刀具使用寿命但将使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。

负倒棱是通过它的宽度bγ对进给量f的比值（bγ／f）来影响切削力的。

3.主偏角

（1）当kr加大时，Fp减小，Ff加大。

（2）当加工塑性金属时，随kr加大，Fc减小；

约在kr＝60—750之间，Fc减到最小；

然后随kr继续加大，Fc又有所增大。

Fc的变动范围不大，无论减小或增大，都在10%以内。

（3）kr加大时，Fp/Fc减小，Ff/Fc加大。

在已知Fc之后，可以用这个比值估算Fp和Ff。

4．刃倾角

刃倾角变化时，将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。

刃倾角λs减小时，Fp增大，Ff减小。

在非自由切削的情况下，刃倾角在10—45°

的范围内变化时，Fc基本不变。

5．刀尖圆弧半径

在一般的切削加工中，刀尖圆弧半径rε对Fp、Ff的影响较大，对Fc的影响较小。

当刀尖圆弧半径在0.25—2mm范围内变化时，随着rε的加大，Fp增大，Ff减小，Fc仅略有增大。

（四）刀具磨损的影响

后刀面磨损后，形成了后角等于零、高度为VB的小棱面，作用在后刀面上的法向力FaN和摩擦力Fa都将增大，故切削力加大。

当VB加大时，Fp和Ff的增大比Fc要显著一些。

在现代加工机床上，有时用切削力、切削功率的增大或切削分力之间比值的变化来实现刀具磨损在线检测。

（五）切削液的影响

以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。

而润滑作