3月27 1、2节切削过程及其的物理现象
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金属切削过程及其物理现象
切屑收缩：
之一
切削层金属经过第I、II变形区的挤压和摩擦变形，切屑的长 度将减小，厚度将增加。这种现象称为切屑收缩。切屑收缩 是切削层金属塑性变形的有力证据。 切削收缩的程度可用变形系数来表示ξ，用下式计算
ξ = ac/a = l/lc
式中：a、l分别为切削层的厚度和长度 ac、lc分别为切屑的厚度和长度，
教学光盘（30”）
10
影响积屑瘤的因素
工件材料
塑性越大，越容易产生积屑瘤 当工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤的主要因素 规律：高速或低速不易产生积屑瘤
切削速度
刀具角度 切削液
11
控制积屑瘤的措施
提高或降低切削速度 增大刀具前角 使用润滑性能较好的切削液
总之：减小切屑流走时的阻力和摩擦力，都会减小积屑瘤的 高度或避免积屑瘤挤裂切屑）
条件：v较低、f较大、 γ 0较小、加工塑性金属； 特征：靠近前刀面一侧有裂纹（贯穿或不贯穿），另 一面锯齿状
6
切屑的种类
C:崩碎切屑
特征：碎屑 条件：切削脆性材料
7
注意
各种不同切屑的形成，主要是由于切削过程中 金属的变形能力和变形程度不同造成的
切屑的各种形态之间是可以转化的
常常伴随着残余应力和表面裂纹，使材料的疲劳强度 下降，并且使下道工序的工序的加工困难，还会引起 零件的变形。 增大刀具前角、减小刃口圆弧半径、限制后刀面磨损 以及采用合适的切削液等
减轻措施
13
小结
切削变形
切削变形机理 现象
1. 2.
切屑收缩 不同切屑种类
之一
切削层金属经过第I、II变形区的挤压和摩擦变形，切屑的长 度将减小，厚度将增加。这种现象称为切屑收缩。切屑收缩 是切削层金属塑性变形的有力证据。 切削收缩的程度可用变形系数来表示ξ，用下式计算
ξ = ac/a = l/lc
式中：a、l分别为切削层的厚度和长度 ac、lc分别为切屑的厚度和长度，
教学光盘（30”）
10
影响积屑瘤的因素
工件材料
塑性越大，越容易产生积屑瘤 当工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤的主要因素 规律：高速或低速不易产生积屑瘤
切削速度
刀具角度 切削液
11
控制积屑瘤的措施
提高或降低切削速度 增大刀具前角 使用润滑性能较好的切削液
总之：减小切屑流走时的阻力和摩擦力，都会减小积屑瘤的 高度或避免积屑瘤挤裂切屑）
条件：v较低、f较大、 γ 0较小、加工塑性金属； 特征：靠近前刀面一侧有裂纹（贯穿或不贯穿），另 一面锯齿状
6
切屑的种类
C:崩碎切屑
特征：碎屑 条件：切削脆性材料
7
注意
各种不同切屑的形成，主要是由于切削过程中 金属的变形能力和变形程度不同造成的
切屑的各种形态之间是可以转化的
常常伴随着残余应力和表面裂纹，使材料的疲劳强度 下降，并且使下道工序的工序的加工困难，还会引起 零件的变形。 增大刀具前角、减小刃口圆弧半径、限制后刀面磨损 以及采用合适的切削液等
减轻措施
13
小结
切削变形
切削变形机理 现象
1. 2.
切屑收缩 不同切屑种类
切削 过程
③振动切削：常用振动切削方式，实现间断进给，造成切削 厚度不均，狭小截面处容易因应力集中而造成断裂。
④冷冻脆断：利用材料冷脆特性，对加工区域喷射零下数十 度的冷气达到断屑目标
3.切削变形的影响
1).工件的冷作硬化
冷作硬化亦称加工硬化，它是在第III变形区内产生的物理现象。任何刀 具的切削刃口都很难磨得绝对锋利，当在钝圆弧切削刃和其邻近的狭小后 面的切削、挤压和摩擦作用下，使已加工表面层的金属晶粒产生扭曲、挤 紧和破碎，这种经过严重塑性变形而使表面层硬度增高的现象称为加工硬 化,如图3.11。金属材料经硬化后提高了屈服强度，并在已加工表面上出现 显微裂纹和残余应力，降低材料疲劳强度。材料的塑性越大，金属晶格滑 移越容易，以及滑移面越多，硬化越严重。
③切削速度 在切削塑性金属材料时，在有积屑瘤的切削速 度范围内（νc≤40m/min），切削速度通过切积屑瘤来影响切 削变形。在积屑瘤增长阶段中，积屑瘤高度增大，实际前角 增大，使切削变形减少；在积屑瘤消退阶段中积屑瘤高度减 小，实际前角减小，切削变形随之增大。积屑瘤最大时切削 变形达最小值，积屑瘤消失时切削变形达最大值（图3.5）。
④崩碎切屑 属于脆性材料的切屑。切屑的形状是不规则的， 加工表面是凹凸不平的。加工铸铁等脆性材料时，由于抗拉 强度较低，刀具切入后，切削层金属只经受较小的塑性变形 就被挤裂，或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切 屑。
3)切屑的形状
金属切削加 工中常见的切 屑形状如图3.8 所示，生产中 较为理想的形 状有C形弧状、 宝塔状、盘旋 状、粒状和崩 碎切屑等，便 于处理。
第三章 切削过程
第一节 切削变形、切屑、断屑、积屑瘤
1.切削变形
1).变形区的划分
①第一变形区 由OA线和OM线围成的区域（I）称为第一变形区，也称剪 切滑移区。这是切削过程中产生变形的主要区域，在此区域内产生充分的塑 性变形形成切屑。
机械制造技术课件4切削过程中的物理现象
1.3.3 切削热和切削温度
l 切削热的来源与传散
• （1）切削热来源于：切削层材料弹、塑性变形—变形 热刀具前、后刀面的摩擦—摩擦热 三个切削变形区是三个主要热源区 （2）切削热的传散：通过刀具、切屑、工件和周围介 质（如：空气、切削液等）散热。
金 属 切 l 切削温度及其影响因素 削 切削温度取决于切削热的产生与传热的综合因素，切削 温度太高，工件产生热变形，加工精度下降，刀具寿命降 过 低。 程 影响切削温度的因素：切削用量、工件材料、刀具几何
ap，f 加工硬度较高塑性较差金属时产生。
粒状（单元）切屑：菱形单元分离体，较低 vc，较大
金属时产生。
崩碎切屑：不规则屑片，较低 vc，较大ap，f 加工脆性
l 切屑变形
• （1）第I变形区（剪切区、塑性变形区）：从开始发生 塑性变形到晶粒剪切滑移基本完成。 • 切屑收缩现象： 变形系数越大，切削变形越大，切削 力越大，消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量 越差。
金 属 切 削 过 程
刀具磨损与刀具寿命
金 属 切 削 过 程
l 刀具磨损过程 • 初期磨损阶段：刀具表面粗糙度大、单位面积压力高， 磨损快。 • 正常磨损阶段 • 急剧磨损阶段：磨损后切削温度升高，磨损量急剧增加。
Байду номын сангаас
金 属 切 削 过 程
o 1. 机械摩擦磨损：磨粒磨损、粘结磨损 • 2. 热效应磨损：相变磨损-----高速钢刀具 • 氧化磨损、扩散磨损------硬质合金刀具 l 刀具寿命及其影响因素 磨钝标准：通常指刀具后刀面允许的最大磨损量。 刀具寿命T：刀具开始切削到达到磨钝标准中切削时间。 影响刀具寿命的因素：切削用量；工件材料；刀具材料 及几何角度；其它因素。
切削过程中的物理现象分析
梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴 、湿度 、流量 传感器 以及多 种光学 器件。 美国加 州理工 学院在 飞机翼 面粘上 相当数 量的1mm
的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机 的空气 动力学 特性。 美国大 批量生 产的硅 加速度 计把微 型传感 器(机械 部分) 和集成 电路(电
信号源、放大器、信号处理和正检正 电路等) 一起集 成在硅 片上3m m×3m m的 范围内 。日本 研制的 数厘米 见方的 微型车 床可加 工精
金会把MEMS作为一个新崛起的研究 领域制 定了资 助微型 电子机 械系统 的研究 的计划 ，从1998年开 始，资 助MIT ，加州 大学等8所大
学和贝尔实验室从事这一领域的研究 与开发 ，年资 助额从100万、 200万 加到1993年的500万美 元。1994年发 布的《 美国国 防部技
术计划》报告，把MEMS列为关键技 术项目 。美国 国防部 高级研 究计划 局积极 领导和 支持MEMS的 研究和 军事应 用，现 已建成 一条
1-11
课程教学模块五：金属切削的基本理论与应用 ——课题4
5.4.5 刀具的磨损和耐用度
在切削过程中,刀具在高压、高温和强烈摩擦条件 下工作,切削刃由锋利逐渐变钝以至失去正常切削能力。 刀具磨损超过允许值后,须及时刃磨,否则会引起振动 并使加工质量下降。
1．刀具的磨损 刀具正常磨损时,按磨损部位不同,可分为主后面 磨损、前刀面磨损、前刀面和主后面同时磨损三种 形式。
工序1：在车床上车外圆、车端面 、镗孔 和内孔
了1115m2研究开发MEMS的超 净实验 室。
日本通产省1991年开始启动一项为期10年、 耗资250亿日元 的微型 大型研 究计划 ，研
制两台样机，一台用于医疗、进入人 体进行 诊断和 微型手 术，另 一台用 于工业 ，对飞 机发动 机和原 子能设 备的微 小裂纹 实施维 修
第二章金属切削过程的物理现象
切削力。
◆切削力影响刀具的磨损和使用寿命。 ◆切削力影响加工精度。 ◆是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。
二、切削力的产生
1、来自工件的切削力：工件材 料被切过程中所发生的弹性变 形和塑性变形的抗力。
2、来自切屑的切削力：切屑对 刀具前刀面的摩擦力和加工表 面对刀具后刀面的摩擦力。
三．切削力的分解和切削功率
简言之，被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过 剪切滑移变形便形成了切削。
金属切削过程中的三个变形区
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层 内产生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区；
第Ⅲ变形区 近切削刃处已加 工表层内产生的变形区 （后刀 面与工件的接触区域）
1、第一变形区 （剪切滑移区）
Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件逐 渐形成，随着切削速度的提高积屑 瘤也增大。
Ⅲ区：积屑瘤随切削速度的 提高而减小，当达到Ⅲ区右 边界时，积屑瘤消失。
Ⅳ区：切削速度进一步提高，由 于切削温度较高而冷焊消失，此 时积屑瘤不再存在了。但切屑底 部的纤维化依然存在，切屑的滞 留倾向也依然存在。
4）刀具的前角
2）切削温度
切削温度也是形成积屑瘤的重要条件。切削 温度过低，粘结现象不易发生；切削温 度过高， 加工硬化现象有削弱作用，因而积屑瘤也不易产 生。
对于碳钢，300ºC～ 350ºC范围内最容易产 生积屑瘤， 500ºC以上趋于消失。
3）积屑瘤与切削速度的关系
Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状 或节状切屑，没有积屑瘤生成。
进给抗力Ff：切削合力F在进给运动方向的合力，车外圆 时，Ff与工件的轴线相平行，因此又称轴向分力。Ff作用 在机床的进给机构上，它是设计进给机构必须的数据。
◆切削力影响刀具的磨损和使用寿命。 ◆切削力影响加工精度。 ◆是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。
二、切削力的产生
1、来自工件的切削力：工件材 料被切过程中所发生的弹性变 形和塑性变形的抗力。
2、来自切屑的切削力：切屑对 刀具前刀面的摩擦力和加工表 面对刀具后刀面的摩擦力。
三．切削力的分解和切削功率
简言之，被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过 剪切滑移变形便形成了切削。
金属切削过程中的三个变形区
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层 内产生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区；
第Ⅲ变形区 近切削刃处已加 工表层内产生的变形区 （后刀 面与工件的接触区域）
1、第一变形区 （剪切滑移区）
Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件逐 渐形成，随着切削速度的提高积屑 瘤也增大。
Ⅲ区：积屑瘤随切削速度的 提高而减小，当达到Ⅲ区右 边界时，积屑瘤消失。
Ⅳ区：切削速度进一步提高，由 于切削温度较高而冷焊消失，此 时积屑瘤不再存在了。但切屑底 部的纤维化依然存在，切屑的滞 留倾向也依然存在。
4）刀具的前角
2）切削温度
切削温度也是形成积屑瘤的重要条件。切削 温度过低，粘结现象不易发生；切削温 度过高， 加工硬化现象有削弱作用，因而积屑瘤也不易产 生。
对于碳钢，300ºC～ 350ºC范围内最容易产 生积屑瘤， 500ºC以上趋于消失。
3）积屑瘤与切削速度的关系
Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状 或节状切屑，没有积屑瘤生成。
进给抗力Ff：切削合力F在进给运动方向的合力，车外圆 时，Ff与工件的轴线相平行，因此又称轴向分力。Ff作用 在机床的进给机构上，它是设计进给机构必须的数据。
1.2金属切削过程及其物理现象
磨削过程的特点
磨削过程与刀具切削过程相比，具有如下主要特点： ① 负前角切削是磨削的一大特点。砂轮的前角0平均为 - 65°～ - 80° 。 ② 磨削过程是无数磨粒对工件表面进行切削、刻划、摩擦、 抛光的综合作用过程。
③ 背向磨削力Fp大。Fp作用于砂轮切入方向，使砂轮轴和工件 均产生弯曲变形，影响工件的形状精度和表面质量。减少这 种影响的措施是增加光磨次数或采用辅助支承。 ④ 磨削温度高。工件表层温度可高达 1000℃以上，易产生烧伤 和热变形。减少这种影响的措施是施加大量切削液。 ⑤ 加工硬化和残余应力严重。 及时修整砂轮，施加足够 的切削液，增加光磨次数， 可减少这种影响。
a直角自由切削图214合力及其分力作用在前刀面的弹塑性变形抗力fny作用在前刀面的摩擦力ffy合力fr作用在后刀面的弹塑性变形抗力fna作用在后刀面的摩擦力ffa切削力的分解及其应用背向力f比例关系
1.4 刀具切削过程及其基本规律 一、切屑形成过程
1．切削过程的实质 金属切削过程是通过刀具把被切金属层变为切屑的 过程，其实质是一种挤压变形过程。
2）工件材料：
① 若HB↑ ， b ↑,则Q ↑； ② 若λ ↓ ，则Q↑。 3）刀具角度： ① 若0 ↑ ，则Q↓ ；
② 若Kr↓,则Q↓。
4）切削液： 合理施加切削液，则Q↓。
3. 积屑瘤
1.定义： 用中等切削速度切削塑性金属时，往往在刀具前刀面的 刃口处牢固地粘结着一小块很硬的金属。 2．产生条件)
切削力的计算 公式 ：Fc =FdAc=FdapfN Ff 、Fp可根据不同切削条件，由Fc乘以一定系数求得。 切削功率 1）切削功率Pc
① 定义：同一瞬间切削刃基点上的切削力与切削速度的乘积。 ② 公式： F V
机械制造基础-简答题答案
第一部分工程材料四、简答题1．什么是工程材料?按其组成主要分为哪些种类?答：工程材料主要指用于机械工程和建筑工程等领域的材料。
按其组成主要分为：金属材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料。
2．什么是金属的热处理?有哪些常用的热处理工艺?答：金属热处理就是通过加热、保温和冷却来改变金属整体或表层的组织，从而改善和提高其性能的工艺方法.金属热处理工艺可分为普通热处理（主要是指退火、正火、淬火和回火等工艺）、表面热处理（包括表面淬火和化学热处理)和特殊热处理（包括形变热处理和真空热处理等）。
3．钢退火的主要目的是什么？常用的退火方法有哪些？答：钢退火的主要目的是：①细化晶粒，均匀组织，提高机械性能；②降低硬度，改善切削加工性;③消除残余内应力，避免钢件在淬火时产生变形或开裂；④提高塑性、韧性，便于塑性加工⑤为最终热处理做好组织准备。
常用的退火方法有完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、扩散退火、再结晶退火。
4．钢正火的主要目的是什么？正火与退火的主要区别是什么？如何选用正火与退火？答：钢正火的主要目的是①细化晶粒，改善组织，提高力学性能；②调整硬度，便于进行切削加工（↑HB)；③消除残余内应力,避免钢件在淬火时产生变形或开裂；④为球化退火做好组织准备。
正火与退火的主要区别是冷却速度不同。
正火与退火的选用：①不同的退火方法有不同的应用范围和目的，可根据零件的具体要求选用;②正火可用于所有成分的钢，主要用于细化珠光体组织．其室温组织硬度比退火略高，比球化退火更高；③一般来说低碳钢多采用正火来代替退火。
为了降低硬度，便于加工，高碳钢应采用退火处理.5．淬火的目的是什么？常用的淬火方法有哪几种？答：淬火是将钢奥氏体化后快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺。
淬火的目的主要是为了获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。
它是强化钢材最重要的热处理方法。
常用的淬火方法有：单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火.6。
淬火后，为什么一般都要及时进行回火？回火后钢的力学性能为什么主要是决定于回火温度而不是冷却速度？答:淬火钢一般不宜直接使用，必须进行回火以消除淬火时产生的残余内应力，提高材料的塑性和韧性，稳定组织和工件尺寸。
第2章 金属切削过程的物理现象
4．崩碎切屑
切削脆性材料(如灰铸铁)时，由于材料的塑性很小，抗
拉强度较低刀具切入后，切削层内靠近切削刃和前面的 局部金属，几乎不经过塑性变形就被挤裂，或在拉应力 状态下脆断，形成大小不等、形状各异的碎块状切屑。
2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤
1．切屑与前刀面的摩擦
切屑与前刀面间的这种摩擦与一般金属接触面间的摩擦 不同。如图2-5所示，切屑与前刀面接触去分为粘结区 和滑动区两部分。
1．带状切屑
这是一种最常见的切屑形状。当切屑内剪应力小于材 料的强度极限时，剪切滑移变形较小，切屑连绵不断，
没有裂纹，就形成了带状切屑
2．节状切屑
当切屑内剪应力在局部地方达到了材料的破裂极限，
会形成节状切屑。
2.2.1 切屑的种类
3．粒状切屑
当切屑内部剪应力超过了材料的破裂强度，切屑将沿
剪切面完全断开，形成粒状切屑。
图2-1 金属切削的三个变形区域
图2-2 第一变形区金属的滑移
2.1.2切削层的变形
1．第一变形区（剪切变形区）
如图2-2所示从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒
的剪切滑移基本完成，这个区域叫第一变形区。
2．第二变形区（挤压变形区）
当切屑从刀具的前倾面排出时，受刀具前面的推挤和摩 擦，必将发生进一步变形，这就是第二变形区的变形。 这一变形主要集中在切屑底面一薄层金属里，使靠近刀 具前倾面的金属纤维基本上与前倾面平行，离刀具前面 愈远，影响愈小。
由于进给功率相对切削功率Pc很小（＜1％～2％），可 忽略不计。所以，工作功率P，可以用切削功率Pc近似 代替。 在计算机床电机功率Pm 时，还应考虑机床的传动效率 ηm(一般取0.75～0.85),则：
第二章 第三节 金属切削过程及物理现象
⑶第Ⅲ变形区 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层 金属也将发生塑性变形。这部分称为第及变形程度的表示方法
⑴ 第Ⅰ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅰ变形区的变形特征 沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化现象。 ⑶ 从金属晶体结构的角度理解第一变形区的变形 沿滑移线的剪切滑移变形就是沿晶格中晶面的滑移，设工件原材料晶粒 为圆形，当受剪应力时，晶格内的晶面就发生位移，使晶粒呈椭圆形。 ⑷ 变形区的宽度(始滑移线OA至终滑移线OM之间的宽度） 在一般切削速度范围内，仅为0.02~0.2mm，很窄。 切削速度越高，始滑移线OA后移至OA’的程度就越大，变形区的宽度就 越窄。所以第Ⅰ变形区可近似用一个面来表示。 ⑸ 剪切面及剪切角υ 剪切面——工件待加工表面与切屑顶面的交线O’O’和刀尖所在直线OO所组成 的平面。 剪切角υ——剪切面与切削平面的夹角，即在正交平面内剪切线OO’与速度v 的夹角。
3、第Ⅱ变形区的变形
⑴ 第Ⅱ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅱ变形区的变形特征 沿前刀面方向产生剧烈的剪切塑性变形并随之产生加工硬化现象。表 现为切屑 层沿前刀面方向出现严重纤维化，流动速度减缓，甚至会停止在前刀面上；切屑产生 弯曲；同时产生大量的摩擦热。
底
4、第Ⅲ变形区的变形
⑴ 第Ⅲ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅲ变形区的变形特征 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层 金属产生纤 维化并随之产生加工硬化。
Fr—切削力（切屑形成力）→ Fr方向就是主应力方向。 Fs—是剪切面上的剪切力 → Fs方向就是最大剪应力方向。 据材料力学可知：主应力与最大剪应力之间的夹角应为π/4。 故由受力分析图可知：υ＋β－γo= π/4 → υ = π/4 ＋ γo － β（李和谢弗剪切角公式—根据塑性区剪切模型推导出） 另一公式： υ = π/4 ＋ γo/2 － β/2（麦钱特剪切角公式——根据单一剪切面模型推 导出） 由公式可知： γo↑——υ ↑ → 剪切滑移变形减小。 β ↑——υ ↓ → 剪切滑移变形增大。 所以，在保证切削刃强度的前提下，增大前角γo ；提高刀具刃磨质量或加切削液减 小前刀面上的摩擦即β 减小，均可减小切削变形，切削力随之减小对切削有利。
金属切削中的物理现象
10
2. 切削力
切削力的来源： 切削力的来源： 被切削材料的弹性、 被切削材料的弹性、塑性变形抗力 刀具与切屑、 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力
11
切削力的分解
1）主切削力Fz （切向力） ）主切削力 切向力） 2）切深抗力 y （径向力） 径向力） ）切深抗力F 3）进给抗力 x （轴向力） 轴向力） ）进给抗力F
mV 工件
刀具
金属丝
小孔
30
热电偶
4. 刀具磨损及耐用度
刀具失效： 刀具失效：磨损和破损
刀具的磨损形态
31
塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度 塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度KT
32
原因： 原因： •前刀面上过高的切 前刀面上过高的切 削温度引起扩散磨损 改进方法： 改进方法： •降低切削速度 降低切削速度 •减小走刀 减小走刀 •采用正前角刀片， 采用正前角刀片， 采用正前角刀片 更耐磨的刀片材质或 涂层 •避免积屑瘤 避免积屑瘤
经验公式
x Fz f y Fz Fz = C Fz a p
切削力的测定： 切削力的测定： 1、测定机床功率，计算切削力 、测定机床功率， 2、用测力仪测量切削力 、
v
n Fz
K Fz
20
3. 切削热和切削温度
切削力做功转化为切削热： 切削力做功转化为切削热：
切屑
刀具
工件
切削热的来源与传出
21
影响热传导的因素： 影响热传导的因素：导热系数和加工方法 加工方法 车削 铣削 钻、镗削 磨削 切屑 50~86% 70% 30% 4% 工件 3~9% <30% >50% >80% 刀具 10~40% 5% 15% 12%
机械制造基础 切削过程中的物理现象 PPT精品课件
1.3 切削过程中的物理现象
切削过程(切屑的形成) 切削力与切削功率 切削热、切削温度 刀具磨损与刀具寿命
1.3.1 切削过程
切屑的形成
推挤作用 切割作用
1.3.1 切削过程
切屑的种类
带状切屑
切屑形貌 产生原因 特点 产生条件
1. 内表面光滑； 2. 外表面毛茸状； 3. 连续、带状。
1. 切削力波动很大，切削过程很不平稳； 2. 已加工表面粗糙度很大； 3. 刀具易崩刃。
1. 脆性金属（铸铁、高碳钢、硬铝、石材、玻璃）
1.3.1 切削过程
不同切屑比较
带状切屑 内 表 面 光 滑 ， 外 表 剪切位移未达到破 切削力波动小，切削 塑 性 , v 较
面 毛 茸 状 ； 连 续 、 裂程度，剪应力小 过程平稳；
1.3.2 切削力和切削功率
切削力的测量
1.3.3 切削热和切削温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
切削热
产生
切削层材料的
刀具
弹、塑性变形，
切屑与前刀面
之间的摩擦，
工件与后刀面
之间的摩擦。
1.3.3 切削热和切削温度
切削热
背向力Fp ——吃刀方向的分力,是影响工件轴线变弯、切削过程稳定，进 而影响加工质量的重要因素。
1.3.2 切削力和切削功率
切削力估算与切削功率
切削力的估算
Fc = kc ·AD = kc ·ap ·f
切削功率
Pc = Fc ·Vc
经验公式、回归
1.3.2 切削力和切削功率
影响切削力的因素
特点 产生条件
1. 切削力波动大，切削过程不平稳； 2. 已加工表面粗糙度大； 3. 刀具易损坏。
切削过程(切屑的形成) 切削力与切削功率 切削热、切削温度 刀具磨损与刀具寿命
1.3.1 切削过程
切屑的形成
推挤作用 切割作用
1.3.1 切削过程
切屑的种类
带状切屑
切屑形貌 产生原因 特点 产生条件
1. 内表面光滑； 2. 外表面毛茸状； 3. 连续、带状。
1. 切削力波动很大，切削过程很不平稳； 2. 已加工表面粗糙度很大； 3. 刀具易崩刃。
1. 脆性金属（铸铁、高碳钢、硬铝、石材、玻璃）
1.3.1 切削过程
不同切屑比较
带状切屑 内 表 面 光 滑 ， 外 表 剪切位移未达到破 切削力波动小，切削 塑 性 , v 较
面 毛 茸 状 ； 连 续 、 裂程度，剪应力小 过程平稳；
1.3.2 切削力和切削功率
切削力的测量
1.3.3 切削热和切削温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
切削热
产生
切削层材料的
刀具
弹、塑性变形，
切屑与前刀面
之间的摩擦，
工件与后刀面
之间的摩擦。
1.3.3 切削热和切削温度
切削热
背向力Fp ——吃刀方向的分力,是影响工件轴线变弯、切削过程稳定，进 而影响加工质量的重要因素。
1.3.2 切削力和切削功率
切削力估算与切削功率
切削力的估算
Fc = kc ·AD = kc ·ap ·f
切削功率
Pc = Fc ·Vc
经验公式、回归
1.3.2 切削力和切削功率
影响切削力的因素
特点 产生条件
1. 切削力波动大，切削过程不平稳； 2. 已加工表面粗糙度大； 3. 刀具易损坏。
切削过程及控制
（3）刀具几何参数 （4）刀具磨损
1)前角γo↑→塑性变形和摩擦 ↓→切削温度↓（图）。但前角 不能太大，不然刀具切削部分 旳锲角过小，容热、散热体积 减小，切削温度反而上升。 2)主偏角κr↑→切削刃工作接触 长度↓，切削宽度bD↓，散热条 件变差，故切削温度↑（图）。
（5）切削液
利用切削液旳润滑功能 降低摩擦系数，降低切削热 旳产生，也可利用它旳冷却 功用吸收大量旳切削热，所 以采用切削液是降低切削温 度旳主要措施。
1-硬质点磨损； 2-粘结磨损；3-扩散磨损；4-化学磨损
三、刀具磨损过程及磨钝原则
1.刀具磨损过程 2.刀具旳磨钝原则
图3-30
•早期磨损阶段（Ⅰ） •正常磨损阶段（Ⅱ） •剧烈磨损阶段（Ⅲ）
刀具磨损到一定程 度就不能继续使用，这 个磨损程度称为磨钝原 则。磨钝原则旳详细数 值可从切削用量手册中 查得。
第三章 切削过程及控制
在金属切削过程中，一直存在着刀具切 削工件和工件材料抵抗切削旳矛盾，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旳磨损与刀 具寿命、卷屑与断屑等。
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、确保加工精度和表 面质量，提升切削效率、降低生产成本，合理 改善、设计刀具几何参数，减轻工人旳劳动强 度等有主要旳指导意义。
图 切削厚度与变形系数旳关系
图 前角对变形系数旳影响
图 刀尖圆弧半径对变形系数旳影响
八、切屑旳类型
图3－15 切屑类型
a) 带状切屑 b) 挤裂切屑
图3－15 切屑类型
C）单元切屑 d ) 崩碎切屑
九、已加工表面旳形成过程
图3－16 已加工表面旳形成过程
第二节 切削力
第2章 金属切削过程的物理现象
2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤
1．切屑与前刀面的摩擦 切屑与前刀面间的这种 摩擦与一般金属接触面 间的摩擦不同。切屑与 前刀面接触区分为粘结 区和滑动区两部分。
外摩擦
图2-5切屑与前刀面摩擦特性
内摩擦
•
刀—屑接触区的摩擦特点
切屑沿前面流出 → 切屑与前刀面间压力 大（2~3Gpa）、温度高（400~1000℃），切 屑底部严重塑性变形且与前刀面发生粘结 → 刀-屑间的摩擦不再是外摩擦，而是粘结层与 金属层的内摩擦 → 刀-屑接触区内摩擦力占 85%，整个接触区正应力σ以刀尖处最大 → 刀 -屑接触区实际上存在两个分区： 滑动区、粘 结区
切屑
节状切屑
粒状切屑
崩碎切屑
2) 节状切屑 又称挤裂切屑，外形和带状切屑不同之处在 于外表面呈锯齿形，有明显裂痕，内表面有时有裂纹，并未断 开，如图所示。 产生条件：这种切屑是在加工中等塑性金属材料时，切削 速度较低，切削厚度较大，并在较小的刀具前角的情况下产生。 影响：它的切削力波动较大，已加工表面粗糙度高。
2．切削用量
•ap和f的大小决定切削面积的大小。因此，ap和f的增加
均会使Fc增大，但两者的影响程度不同。ap增大，Fc成
正比线性增大。f增大，Fc成正比非线性增大。 这是由于，ap增大1倍，切削宽度aw增大1倍，故Fc 也增大1倍。f增大1倍时，切削厚度ac也增大1倍，Fc应随 之增大1倍。但是ac的增加将使变形系数下降，导致Fc 也有所下降，综合考虑，Fc的增长要慢于f的增长。 另：从切削力的指数公式中的系数大小也可看出切削 用量的影响程度的区别。
重要结论： 当切削面积相同时，采用较大的进给量f 及较小的背吃刀量ap可使切削力小一些→故从 刀具负荷和能量消耗方面来考虑，用大的进给 量f比用大的背吃刀量ap更有利。
浅析金属切削过程中的物理现象
浅析金属切削过程中的物理现象金属切削过程中的物理现象有哪些?针对这个问题，我们应该从多方面去考虑和解决。
首先，要确定温度，只有掌握了具体情况才能做到心中有数;其次，不同的材料要选用相应的刀具和工艺措施，并且还必须要根据工件形状来合理地安排夹具结构。
当然最重要的是金属切削过程中必须要控制好金属变形量和机床进给速度以及它们之间的关系。
一旦发生异常情况，就需要立即停车处理。
所谓“磨刀不误砍柴功”也正是如此吧!为什么要加强金属切削过程中的物理现象研究呢?一、温度与热变形问题。
随着科学技术的迅猛发展，人类已经走出了茹毛饮血的时代，逐步迈入文明社会。
但是，在许多领域仍然没有摆脱落后的局面。
例如：目前，汽车行业中的很多零部件都采用了金属切削加工技术。
由于金属材料本身具有良好的导热性，因而使得整个切削过程显得非常复杂。
特别是近年来新型金属材料的开发，更是使得金属切削加工技术的难度大大增加。
为此，必须要充分认识到影响金属切削过程中物理现象的主要因素。
否则，将直接影响到企业产品质量和经济效益。
工件温度升高时，材料内部分子运动加剧，表层的原子受到破坏，造成表面材料的强度降低。
这种现象称为热变形。
热变形又可分为冷变形和热变形两种。
(1)冷变形。
冷变形是指在室温下发生的塑性变形，它包括铸造、锻压、焊接等零件的加工。
这种变形虽然较小，但严重影响零件的精度。
(2)热变形。
热变形是指在较高温度条件下发生的金属变形，通常包括退火、淬火、回火等。
这种变形比冷变形要大得多，但却不易发觉，因此不容易引起注意。
另外，影响金属切削过程中物理现象的因素除了上述几点以外，还涉及到加工设备的结构参数、工作液的流量、压力、温度以及润滑剂的粘度等。
总之，在实际生产中，要想获取优质的产品，就必须把握住金属切削过程中的各种物理现象，这样才能提高生产效率和保证产品质量。
金属切削过程中的物理现象
金属切削过程中的物理现象
金属切削过程是指通过刀具把被加工金属的多余部分去除，从而获得所需要的形状、尺寸和表面质量的过程。
在这个过程中，会出现许多有趣的物理现象。
其中一个物理现象是切屑的形成。
当刀具切入工件时，工件材料会受到挤压、摩擦和剪切等力的作用，从而发生塑性变形并形成切屑。
切屑的形状和尺寸与刀具的几何形状、切削参数、工件材料等因素有关。
另一个物理现象是切削力。
在金属切削过程中，刀具会受到工件材料的阻力，这个阻力称为切削力。
切削力的大小和方向会影响刀具的寿命、加工质量和加工效率。
因此，在金属切削过程中，需要合理选择刀具材料、刀具几何形状和切削参数等，以减小切削力。
此外，还会出现切削热的现象。
在金属切削过程中，刀具与工件之间的摩擦会产生大量的热量，这些热量会使工件和刀具的温度升高。
过高的温度会降低工件材料的力学性能和刀具的寿命，因此需要采取适当的冷却措施来降低温度。
总之，金属切削过程中会出现许多有趣的物理现象，这些现象对于理解金属切削加工过程、提高加工质量和效率具有重要意义。
刀具切削过程及其物理现象
13.4.1 切削过程及切屑类型
2.切屑类型
名称 带状切屑 节状切屑 崩碎切屑
简图
带状切屑
形态 变形 形成 条件
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度
节状，底面光滑有裂 不规则块状颗粒 纹，背面呈锯齿状 未经塑性变形即 局部剪切应力达到 被挤裂 断裂强度
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
它的硬度很高（可达工件材料硬度的
2～3.5倍），在处于稳定状态时，能够 代替刀刃进行切削。
13.4.2 积屑瘤和表面变形强化
2）积屑瘤产生原因 切削加工时，切屑与前刀面发生强 烈摩擦而形成新的表面接触。当接 触面具有适当的温度和较高的压力
时就会产生粘结（冷焊）。于是，
切屑底层金属与前刀面冷焊而滞留 在前刀面上。连续流动的切屑从粘
磨损。
13.4.3 切削力和切削功率
1.切削力 切削加工中，刀具作用到工件上的力统称切削力。 1）切削力的来源 ①切削层金属、切屑和工件 表层金属的弹塑性变形所产 生的抗力；
②刀具与切屑、工件表面间
的摩擦阻力。
13.4.3 切削力和切削功率
2）切削合力、分力 切削分力 主切削力Fz(Fc) 切于过渡表面并与基面垂直
使用寿命不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。
进给抗力Fx(Ff) 处于基面内与工件轴线平行
背向分力Fy(Fp) 处于基面内与工件轴线垂直 切削合力Fx2
13.4.3 切削力和切削功率
影响切削力的因素： （1）工件材料
工件材料的强度、硬度、冲击韧度及塑性↑，切削力↑
加工硬化程度↑，切削力↑ （2）切削用量
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
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⑵第Ⅱ变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦， 使切屑底层 的 金属将发生塑性变形。这部分称为第Ⅱ变形区。 ⑶第Ⅲ变形区 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层 金属也将发生塑性变形。这部分称为第Ⅲ变形区
致使这一层金属的流动速冻降低，形成“？流层”。当？流层金属与 前面之间的摩擦力超过切削本身分子间的结合力时，就会有一部分金 属粘合在刀刃附近形成积屑瘤。 （3） 、 积屑瘤形成条件 中速切削加工一般的钢料（或其他的塑性金属） 、形成连续性切屑、 刀屑之间保持一定的温度和较大的压力时易产生。且材料的加工硬化 倾向愈强，愈易产生。 四 切削力 1、 切削力分析 （1） 切向力 Fc （2） 进给力 Ff （3） 背向力 Fp 五、 影响切削力的因素 （1）工件材料的影响 （2）切削用量的影响 （3）刀具几何角度的影响 五、课堂小结 六、课堂练习 作 P21 练习 2-2 2-3 业 教 学 回 顾
过
二、切屑类型 ⑴ 带状切屑 形态: 内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的，用显微镜可观查 到剪切面的条纹，但每个单元很薄。 形成条件：加工塑性金属，切削速度较高，刀具前角较大，切削 厚度较 小时，易得这种切屑。 切削过程特点：切削过程平稳，切削力波动小，已加工表面质量好。 ⑵ 节状切屑 形态：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。 形成条件：加工塑性金属，切削速度较低，刀具前角较小，切削厚 度较大时，易得这种切屑。 切削过程特点：切削力有波动，已加工表面质量不太好。 ⑶ 单元切屑 形态:在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，整个单元被 切离，形成梯形粒状的切屑，且各粒形状相似。 形成条件：加工塑性金属，切削速度很低，刀具前角很小，切削厚 度很大时，易得这种切屑。 切削过程特点： 切削力呈规律性高频振动， 已加工表面质量不太好。 ⑷ 崩碎切屑 形态:不规则的碎块状的切屑。 形成条件：加工脆性金属。 切削过程特点： 切削力呈无规律性高频振动， 已加工表面凹凸不平。 避免这种切屑的措施：减小切削厚度，提高切削速度。
课 题 教 学 目 的 教学重点
1.切削过程及其物理现象
授课班级
12 春机电
授课时间
3-27
教
学
内
容
师生活动
一、
知识目标
1.了解金属切削过程，切削的类型。 2.掌握切削力的影响 金属切削过程，切削的类型。
教
教学难点 掌握切削力的影响 教具准备 多媒体教学相 关视频 师生活动
课堂类型
新课
教学方法 积屑瘤 在切削速度不高，加工一般的钢料（或其它塑性金属）且能形成 连续性切屑时，常常在前刀面切削处粘着一块剖面常为三角形状的硬 块。其硬度很高，通常为工件材料的 2～3 倍，处于较稳定状态时，能 够代替刀刃进行切削。如图所示： （2） 、积屑瘤形成过程 积屑瘤是由于切屑合前面激烈的摩擦、粘结而形成的。当切削沿前 面流出时，在高温和高压的作用下，积屑底层收到很大的摩擦阻力，
一、组织教学 二、复习提问：
学
教
三、导入新课： 四、新课教学：
学
过
程
金属切削过程实质上是一种挤压过程，是刀具与工件相互作用又相对运动 的过程。切削时，切削层金属受刀具的挤压而变形时切削过程中的基本问 题。 金属切削过程产生的积屑瘤 、 切削力、 切削热和刀具磨损等物理现象， 都是由切削过程中的变形和摩擦引起的。 一、 切削的形成及切削类型 1.切削的形成 金属切削的过程也是切削形成的过程。 切削塑性金属时，当工件受到刀具的挤压以后， 切削层金属在始滑移面 OA 左下方发生弹性形变，越靠近 OA 面，弹性变形越大。在 OA 面上，应力 达到材料的屈服点，发生塑性变形，产生滑移现象。随着刀具的连续移动， 原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力变形也逐渐加大。 在终滑移面 OE 上，应力和变形达到最大值。越过 OE 面，切削层金属 将脱离工件母材，沿着前面流出而形成切削。经过塑性变形的金属，其晶 粒沿大致相同的方向延伸。 ⑴第Ⅰ变形区（基本变形区） 从 OA 线开始发生塑性变形，到 OE 线晶粒的剪切滑移基本完成。将 这一区域 OAEO 称为第Ⅰ变形区（OA 称为始滑移线，OE 称为终滑移线。 ）