金属切削原理与机床第三章 金属切削过程的基本理论

1.切削温度的计算 • （1）每秒产生的切削热计算
q＝ Fzv (J/s); 式中:q——每秒钟产生的切削 热 Fz——主切削力（N）;
v——切削速度（m/s）。
单位切削热计算
2. 切削热的分布
2. 切削热的分布
二、影响切削热传导的主要因素
• (1)工件材料的导热性能
• (2)刀具材料的导热性能
❖积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替
切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。
❖使实际前角增大，切削轻快。
因此，粗加工时可利用积屑瘤。
❖积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断
地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影 响尺寸精度。
❖此外，还会导致切削力的变化，引起振动， ❖并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表
切削液对切削力的影响
•
以冷却为主的水溶液对切削力影响
很小，而润滑性能强的切削油能较明显
地降低切削力，因其可降低摩擦和塑性
变形。
• 其他因素
• 刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。
• 刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩 擦增大，切削力增大。
• 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。
通常将合力F分
2.切削力的分解
切削力Fz(Fc)
解为相互垂直的三个
分力：切削力 Fc 、 进给力 Ff 、背向力 Fp 。
总切削力在主运动方向的分力，
大小约占总切削力的80%～
背向力 Fy（Fp）
90% 。Fc消耗的功率最多，约 占总功率的90%左右，是计算
机床切削功率、选配机床电机、
校核机床主轴、设计机床部件
图3- 19 切削速度对切削力的影响
切削速度υc
➢切削速度在5～20m/min区域内增加时，积屑瘤高度
逐渐增加，切削力减小；
➢切削速度继续在20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐
渐消失，切削力增加；
➢在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩
擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min
二、影响切削力的因素
1. 工件材料 2. 切削用量
•影响较大的因素主要是工件材 料的强度、硬度和塑性。
•材料的强度、硬度越高，则屈 服强度越高，切削力越大。
•在强度、硬度相近的情况下， 材料的塑性、韧性越大，则刀具
前面上的平均摩擦系数越大，切
削力也就越大。
进给量f和背吃刀量ap
进给量f和背吃刀量ap增加， 使切削力Fc增加。
• (3)周围介质。
• (4)切屑与刀具的接触时间
• 车削加工时，50%-86%由切屑带走，40%-10% 由车刀传出，9%-3%传入工件，1%传入介质（空
气）。切削速度越高或切削厚度越大，则切屑带
走的热量越多。
•
钻削加工时，28%由切屑带走，14.5%传给
刀具，52.5%传入工件，5%传给周围介质。
金属切削层的变形和切屑
塑性金属切屑形成 过程四个阶段： 弹性变形、 塑性变形、 剪切滑移 切离过程。
切削塑性金属的三个变形区
第一变形区金属的滑移
刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程：
2. 变形系数ξ
➢切屑厚度hch与切削层的厚
度hD之比称为厚度变形系数， 用ξh 表示，ξh = hch/hD ；
➢挤裂(节状)切屑
外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。
形成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，
刀具前角较小,粗加工中等硬度的钢材料
特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙
➢崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时， 切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑 性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片， 即为崩碎切屑。
影响前刀面摩擦系数的主要因素
• 工件材料 • 切削厚度 • 刀具前角 • 切削速度 • 上述四个因素是影响前刀面摩擦系数
的主要因素。
切削厚度
• 切削厚度ac增加时，μ也略为下 降，如10钢的ac从0.1mm增大到 0.18mm，μ从0.74降至0.72。因为ac 增加后正应力也随之增大。在一般 切削速度范围内，前角γ0愈大，则μ 值愈大。因为随着γ0增大，正应力 减小，故μ增加。
小加工硬化倾向。
第三节 切削力
切削过程中，刀具 施加于工件使工件材料 产生变形，并使多余材 料变为切屑所需的力， 称为切削力(cutting force) 。
一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率
1. 切削力的来源
切削力来自于金属切削过程中克服 被加工材料的弹、塑性变形抗力和 刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦 阻力。
4. 刀具磨损
5. 切削液
6. 刀具材料
刀具材料与被加工 材料间的摩擦系数，影响到 摩擦力的变化，直接影响着 切削力的变化。
第四节 切削热和切削温度
一、切削热的产生与传导
金属切削过程的三个变形区就是产生切削热 (cutting heat)的三个热源：
1)切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来 源； 2)切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量； 3)工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。
面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。
在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。
（四）抑制或消除积屑瘤的措施
➢ 采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度
影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc＜3m/min 和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故
不易形成积屑瘤；
➢ 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； ➢ 适当减少进给量、增大刀具前角、减小切削变形； ➢ 适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减
（二）积屑瘤的形成原因
当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作 用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使 这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。 当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时， 就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。
（三）积屑瘤对起削过程的影响
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、保证加工精度和表面质量， 提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计 刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的 指导意义。
第一节 金属切削层的变形
一、切屑的形成过程及切屑类型
（一）切屑的形成过程
1.切削变形的力学本质
切削金属形成切 屑的过程是一个类似 于金属材料受挤压作 用，产生塑性变形进 而产生剪切滑移的变 形过程。
时，切削力无明显变化。
➢在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀
屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度υc 对切削力Fc 无明显的影响。
➢在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采
用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。
3. 刀具几何参数
➢前角的影响: γo↑ →切削变形↓→切削
力↓。（塑性材料）
Q=Q弹+Q塑+Q前+Q后 Q=Q屑+Q工+Q刀+Q介
切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介 质传导，使它们的温度上升，从而导致切 削区内的切削温度(cutting temperatures) 上升。
用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削 钢料时，切削热传出的比例是：切屑传出的 热约为50%～86%；工件传出的热约为40%～ 10%；刀具传出的热约为9%～3%；周围介质 传出的热约为1%。
总切削力在垂直于工作 平面方向的分力，Fp不
及计算刀具强度等必不可少的 参数。
消耗功率。但容易使工 件变形，甚至可能产生
进给力Fx (Ff)
振动，影响工件的加工 精度。是进行加工精度 分析、计算工艺系统刚 度以及分析工艺系统振 动时，所必须的参数。
总切削力在进给方向的分力 ，进给力也作功，但只占总 功的1%～5%。是设计、校核 机床进给机构，计算机床进 给功率不可缺少的参数
➢而切削层长度lc与切屑长
度lch之比称为长度变形系数， 用ξl表示，ξl=lc/lch 。
➢变形系数越大,切屑越厚
越短,切削变形越大。
剪切角:剪切角是出自金属切削层产生剪切
滑移的一个特定参数。
• φ=45º-β+γ0 • β——刀和屑界面的摩擦角（º）；tanβ=μ；
• μ为刀和屑界面的摩擦系数。当刀和 屑界面出现粘结和滞留层时，μ值（内磨 擦）比一般外摩擦时大得多。
• 金属切削是用刀具从工件表面上切去多余 的金属，形成已加工表面的过程,也是工件的切 削层在刀具前面挤压下产生塑性变形,形成切屑 被切下来的过程。
• 切削过程中的许多物理现象，如切削力、 切削热、刀具磨损等，都与金属的变形及其变 化规律有密切的关系，研究切削过程对保证加 工质量、提高生产率、降低成本和促进切削加 工技术的发展，有着十分重要的意义。
重点是切削变形程度的表示方法、切削热的计算及影 响因素分析、切削力的影响因素、刀具磨损与破损的原因 和刀具耐用度的选择。
难点是切削力与切削热影响因素分析。
第三章 金属切削过程的基本理论
在金属切削过程(cutting process)中，始终存在着 刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，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的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑 等。
切削速度对摩擦系数的影响
பைடு நூலகம்
切削速度对变形系数的影响
进给量对变形系数的影响
前角对变形系数的影响
前角对摩擦系数的影响
（二）切屑的类型
➢带状切屑
外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸 茸的。 形成条件：用大前角的刀具、较高的切削速度和 较小的进给量，切削塑性材料 优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工 表面粗糙度较小。 缺点：切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加 工表面，因此要采取断屑措施。