机械制造基础笔记

机械制造技术基础笔记

第三章 切削与磨削原理

3.1.3 前刀面上刀-屑的摩擦与积屑瘤

1.摩擦面上的接触状态

1）峰点型接触（ F 不太大时）：m= f/F=tsAr/ss Ar=ts/ss=常数

此时的摩擦状态为滑动摩擦（外摩擦）。

ss--材料的拉压屈服极限 ts--材料的剪切屈服极限

Aa--名义接触面积 Ar--实际接触面积

2）紧密型接触（F 很大时）： m= f/F= tsAa/F=ts/sav≠常数

此时的摩擦状态为粘结摩擦（内摩擦）。

2.前刀面上刀-屑的摩擦：既有粘结摩擦，也有滑动摩擦，以粘结摩擦为主。

前刀面上的平均摩擦系数可以近似用粘结区的摩擦系数表示：m=

ts/sav≠常数

当前刀面上的平均正应力sav增大时，m 随之减小。

4.积屑瘤

1）现象：中速切削塑性金属时，在前刀面上切削刃处粘有楔形硬块（积屑瘤）。

2）形成原因：

（1）在一定的温度和很大压力下，切屑底面与前刀面发生粘结（冷焊）；

（2）由于加工硬化，滞流层金属在粘结面上逐层堆积（长大）。3)对切削过程的影响

（1）积屑瘤稳定时，保护刀具（代替刀刃切削）；

（2）使切削轻快（增大了实际前角）；

（3）积屑瘤不稳定时，加剧刀具磨损；

（4）降低尺寸精度；

（5）恶化表面质量（增大粗糙度、加深变质层、产生振动）。

--粗加工时可以存在，精加工时一定要避免。

4）抑制方法

（1）避免中速切削；

（2）提高工件材料的硬度（降低塑性）；

（3）增大刀具前角（至30~35o）；

（4）低速切削时添加切削液。

5.剪切角公式

∵第一变形区的剪切变形是前刀面挤压摩擦作用的结果，

∴切削合力Fr的方向就是材料内部主应力的方向，

剪切面的方向就是材料内部最大剪应力的方向。根据材料力学，二者夹角应为p/4，即：

p/4= c+ b- go （tgb= Ff/ Fn= m ）

f= p/4- b+ go --李和谢弗的剪切角公式（1952）

由公式可知：go ↗ → f ↗ → Lh ↘ b(m)↘ →f ↗ → Lh ↘

-前刀面上的摩擦直接影响剪切面上的变形。

3.1.4 影响切削变形的因素

1.工件材料： 强度、硬度↗→sav↗→ m (=ts/sav) ↘→ f↗→ Lh↘

2.刀具几何参数：主要是前角的影响。 go ↗ → f↗ → Lh ↘

3.切削用量

1)切削速度

低速、中速，主要是积屑瘤的影响：

积屑瘤长大时，实际前角gb ↗→ f↗→Lh↘；积屑瘤变小时，实际前角gb↘→f↘→Lh↗；

高速：vc↗→ts↘→m (=ts/sav)↘→ f↗→Lh↘

2)进给量 f↗→hD(=f•sinkr) ↗→f↗→Lh↘；

3)背吃刀量 ap ↗→bD(= ap/ sinkr) ↗

参加切削的刀刃长度增加了，其它条件未改变，所以：Lh基本不变。（见图3.14）

• 以上分析均有实验结果为证。

3.1.5 切屑类型及切屑控制

1.切屑类型（p80 图3.16）

2.切屑的控制-通过合理选择刀具角度、设计卷屑槽或断屑台，可以控制切屑的流向、卷曲程度和使其折断。

3.1.6 硬脆非金属材料切屑形成机理

1.刀具对材料的撕裂作用：

刃口前方的材料受到挤压，刃口下方的材料受到拉伸，所以裂纹多数是向刀刃的前下方裂开。向下延伸的裂纹当能量耗尽后终止，转而向上的裂纹最终到达自由表面形成断裂（越靠近自由表面能量消耗越小）。

2.断裂碎块的大小与刃口距附近自由表面的深度有关，距离越深则碎块越大。

3.硬脆材料的切削过程大致可分4个阶段。（见图3.20，c、d可能会反复进行多次。

§3.2 切削力

3.2.1 切削合力F及其分力

F的来源：作用在前刀面、后刀面、副後刀面处的正压力和摩擦力的合力。 其大小、方向与切削条件有关。为测量和应用方便，通常需将它分解为三个相互垂直的分力，即：

1.主切削力Fc(切向力)：做功最多，用于验算刀具强度、设计机床零件、确定切削功率等；

2.背向力Fp(吃刀抗力、径向力)：不做功，对加工精度影响很大，用于验算工艺系统的强度、刚度。也是引起切削振动的主要作用力。

3.进给力Ff（走刀抗力、轴向力）：用于计算进给功率和验算进给机构的强度。

3.2.2 切削力与切削功率的计算 用理论公式计算切削力，由于推导公式时采用的切削模型过于简化，所以公式不够精确，计算误差较大。生产实践中多用经验公式（把切削实验得到的大量数据经过数学处理得到）计算切削力。

1.指数形式的切削力经验公式：

主切削力： （3.10）

进给力： （3.11）

背向力： （3.12）

对于常用材料，式中的系数CF （与工件材料有关）、指数XF 、YF 、ZF 及切削条件变化时的修正系数KF（共8个） 均可从切削用量手册中查出。

2.由单位切削力计算主切削力

• 单位切削力kc-作用在单位切削面积上的主切削力，单位：N/mm2• kc可以通过实验从下式求得： （3.13）

• 各种工件材料的kc可从手册中查出并按下式计算Fc: Fc=kc Ac KFc （3.14）

式中： KFc-切削条件修正系数

3. 切削功率Pc的计算(此处与教材p84不同）

切削功率即各切削分力所做功之和，可按下式计算：

Pc= Fc vc+Ff vf = Fc vc+Ff f n × 10-3 ≈ Fc vc (W) (3.15)

• 计算Pc主要用于验算机床电机功率Pm，验算公式： Pm﹥ Pc / hm (3.16)

式中：hm --传动效率，新机床取为0.85，旧机床0.75。

3.2.3 影响切削力的因素

影响因素的具体体现就是经验公式中的系数、指数和修正系数。

1.工件材料的影响

强度、硬度↗→切削力↗ 塑性、韧性↗，硬化严重→切削力↗

2.切削用量的影响

1）背吃刀量ap: ap↗→bD(=ap/sinkr) ↗→切削力↗（正比）

∴ ap的指数XF≈1,对ap不需修正。

2)进给量f: f↗→hD(=f•sinkr) ↗（正比）→f↗→Lh↘ 切削力↗但不成正比

∴ f 的指数YF≈0.75～0.9，

当f≠0.3时，需乘以修正系数Kf。

3）切削速度vc:主要与变形程度改变有关。vc≠1.33m/s时，需乘以修正系数Kv。

切脆性材料时，F基本不变。指数ZF≈0

•切削用量三要素对切削力的影响程度： ap影响最大，f其次，vc影响最小。

3.刀具几何参数的影响（对各分力影响不同，需分别修正）

1）前角go : go ↗ → f↗ → Lh ↘ →切削力↘

切脆性材料如铸铁、青铜时，切削力基本不变。

go ≠15O时，需乘以修正系数KgFc 、KgFp 、KgFf 。

2）负倒棱bg:可以在增大前角的同时，兼顾刀刃的强度。 bg /f ↗ →切削力 ↗

bg≠0时，需乘以修正系数KbgFc 、KbgFp 、KbgFf 。

3）主偏角Kr:

对Fc影响不超过10%, Kr=60～75时，Fc最小；

对两个水平分力影响大 Fp↓≈ FD CosKr↑ Ff↑≈ FD sinKr↑

Kr ≠75O时，需乘以修正系数KKFc 、KKFp 、KKFf 。

4)刀尖圆弧半径re: re ↗ →平均Kr↘→Fp↗， Ff↘ re≠0.25时，需乘