第四讲 金属切削过程的基本规律(简)

弹性 压力
摩擦力：
塑性 压力 摩擦力
1、克服切屑对前刀面的摩擦力 2、克服后刀面对过度表面与已加工表面的摩擦 弹性 压力 力
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塑性 压力
切削力分析

切削合力及其分解
1）切深抗力Fy（背向力Fp）—切深方向的分力；背向力虽不作功，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。
切削变形与切屑形成过程

切削变形程度表示方法

相对位移量ε
S y ct g tan( 0 )
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切削变形与切屑形成过程

切削变形程度表示方法

切削厚度压缩比Λh
lD hch h 1 lch hD
切削变形与切屑形成过程

挤裂切屑 产生条件：加工塑性材料，切削速度较低，切削 厚度较大，刀具前角较小 形态特征：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形 是毛葺的
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切削变形与切屑形成过程

单元切屑 产生条件：改变挤裂切屑条件，进一步减小刀 具前角，减低切削速度，或加大切削厚度 形态特征：梯形单元切屑

影响切削变形的主要因素

前角γo
前角增加->楔角减小->切削刃圆弧半径减小 ->剪切角增加->变形减小
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切削变形与切屑形成过程

影响切削变形的主要因素

进给量f
进给量增加->切削厚度增加->正压力增加->摩擦因数减小 ->切屑厚度压缩比减小->切削变形小
hch OM cos( o ) h hD OM sin cos o cot sin o
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切削变形与切屑形成过程

切削变形程度表示方法

切削厚度压缩比Λh与相对滑移的关系。
2 h 2 h sin o 1 h cos o
3.
4.
减小背吃刀量；
合理选用切削液；
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切削变形与切屑形成过程

影响切削变形的主要因素


材料
硬度、强度增高，正压力增大，摩擦因数减小，
剪切角增加，因此变形减小。
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切削变形与切屑形成过程
切削变形与切屑形成过程

积屑瘤

定义：由切屑堆积在刀具前刀面靠近切削刃处 的一个硬楔块，它位于第二变形区内。
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切削变形与切屑形成过程

积屑瘤

形成原因：
切削塑性金属时，切削层受 到前刀面的挤压和摩擦，当挤 压力和温度达到一定的程度时 ，就产生“冷焊”现象。切屑 流过与刀具粘附的底层时，产 生内摩擦，这时底层上面金属 出现加工硬化，并与底层粘附 在一起，逐渐长大，成为积屑 瘤。

切屑类型
带状 切屑
挤裂 切屑
单元 切屑
崩碎 切屑
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切削变形与切屑形成过程

带状切屑 产生条件：加工塑性材料，切削速度较高，切 削厚度较小，刀具前角较大 形态特征：内表面是光滑的，外表面是毛葺的
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3）主切削力Fz（切向力Fc）—主运动切削速度方向的分力；主切削力 是计算切削功率和设计机床的主要依据
Ff
Fp Fd Ff
Fp
Fd Fc F
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切削力分析

切削功率

由实验，当κr=45，γo=+15，λs=0时
Fy (0.4 ~ 0.5) Fz Fx (0.3 ~ 0.4) Fz Fr (1.12 ~ 1.18) Fz
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切削变形与切屑形成过程

积屑瘤

防止积屑瘤产生的方法：
①切削速度↓→切削温度↓→不易产生粘结现象； ②切削速度↑→切削温度↑→不发生粘结现象； ③润滑性能好的切削液→摩擦↓； ④刀具前角↑ → 接触压力↓；
⑤减小进给量↑ → 接触压力↓；
⑥改变工件材料加工特性→ ↓加工硬化。
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切削变形与切屑形成过程

影响切削变形的主要因素

切削速度Vc
在高速时，由于切削层受力小，切削速度又快，切削变 形不充分而使切屑变形减小。
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切削力分析

切削力来源，合力及分解

抗力：
1、克服被加工材料对弹性变形的抗力 2、克服被加工材料对塑性变形的抗力
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切削变形与切屑源自文库成过程

第二变形区

纤维化金属粘附在前刀面 上，使贴近前刀面厚度为 Δhch的切屑层流动速度低。 因此称该Δhch为滞流层。 刀屑这种摩擦实质上是切 屑底层内的剪切滑移。变 形性质为塑性变形。造成 前刀面的磨损和积屑瘤的 形成。
Fp
Fp
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切削力分析

切削合力及其分解
2）进给力Fx (轴向力Ff ) —进给方向的分力。进给力常用以设计机床 进给机构或校核其强度。
Ff Fd
Fp Fd Ff
Fp
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切削力分析

切削合力及其分解
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切削力分析

切削力测量
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切削力分析

切削力经验公式与估算

切削力指数公式（见教材表3-1）
Fz Fc CFz a p
xFz xFy xFx
f f f
yFz
v K Fz v v
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切削变形与切屑形成过程

已加工表面变形与硬化


衡量硬化程度的指标：
硬化程度N 硬化层深度ΔhD
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切削变形与切屑形成过程

已加工表面变形与硬化

减轻硬化程度的手段：
1. 2. 磨出锋利的切削刃； 增大前角或后角；
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切削变形与切屑形成过程

第一变形区

剪切角φ ：剪切面和切削速度方向的夹角。 φ值小， 反映剪切变形的程度大
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切削变形与切屑形成过程

第二变形区

切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍， 在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切 屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化”的二次变 形，其方向基本上和前面相平行。 此区域称为第二变形区（Ⅱ）
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切削变形与切屑形成过程

崩碎切屑 产生条件：加工脆性材料 形态特征：切屑形状不规则，加工表面凹凸不 平
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切削变形与切屑形成过程

刀—屑面间摩擦区
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被加工材料 切削用量 刀具几何参数
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切削力分析

切削力影响因素

被加工材料
1、材料硬度、强度高，其剪切屈服强度就越高。 切削力也大。
2、材料塑性、韧性高，切削变形越大，切屑与刀 面间的摩擦增加，切削力也越大。
3、脆硬材料切削时，变形小，摩擦力小，故产生 的切削力也小。
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概 述

金属切削规律的四个基本内容

切削变形——分析切削过程机理的基础 切削力——设计机床、夹具的主要依据 切削温度——影响刀具磨损与寿命 切削磨损——降低成本、保证加工质量
上述内容均会影响零件的质量、加工效 率成本，主要分析掌握切削用量与刀具角度 对上述内容的影响与计算方法。
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切削变形与切屑形成过程

切削变形的力学本质：

工件材料受挤压而产生剪切滑移的塑性变形。
金属的压缩与切削
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切削变形过程示意图
刀
具
工
件
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切削变形与切屑形成过程

金属切削过程中的流线与三个变形区
h
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切削变形与切屑形成过程

切削变形程度表示方法

切削厚度压缩比Λh与相对滑移的关系。
45 ( o )
o

β—由刀具前面上的
摩擦因数确定的摩擦角。
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切削变形与切屑形成过程
切削功率是各切削分力消耗功率的总和。
P c ( FZ vc
机床额定功率：
Fx nw f 1000
) 10
3
( KW )
PE
Pc
( KW )
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切削力分析

切削力测量

间接测量法——电功率法

直接测量法——测力仪法
按工作原理的不同，可分为机械式、电阻式、电感式、 压电式等。目前使用较为普遍的是电阻应变式测力仪。压电 式测力精度高，但价格昂贵。
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切削变形与切屑形成过程

积屑瘤


影响积屑瘤大小的因素：
1、加工材料
屈服强度提高->加工硬化->容易产生积屑瘤

2、温度与压力
温度与压力下降->塑性变形小->摩擦因数小->不易产生 温度升高->屈服强度下降->摩擦因素小->不宜产生
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切削变形与切屑形成过程

切削变形程度表示方法
切削过程中，切削层金属变形主要表现在剪切 面上的剪切滑移，其次表现在切屑的收缩、卷曲和 加工过程中的硬化。变形程度的度量方法一般用相 对滑移ε、切削厚度压缩比Λh和剪切角Φ表示。
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切削变形与切屑形成过程

第三变形区

在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区 域称为第三变形区（Ⅲ）。

特点：在后刀面的法向力和摩擦力的、
作用下，使工件继续产生径向的塑性变形和 弹性变形。会造成以加工表面塑性变形、 晶粒纤维化、加工硬化。
nFy c
nFz c
Fy Fp CFy a p Fx Ff CFx a p

yFy yFx
K Fy K Fx
nFx c
单位切削力计算：
CFz Fz kc 1 yF AD f z
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切削力分析

切削力影响因素
实践证明，切削里的影响因素很多，主要有工 件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料、刀 具磨损状态和切削液等。
切削变形与切屑形成过程

积屑瘤


影响积屑瘤大小的因素：
3、切削速度v
切削速度高或低都不易产生。
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切削变形与切屑形成过程

积屑瘤

积屑瘤对切削过程的影响：
1. 实际切削前角增大； 2. 实际切削厚度增加；
3. 加工表面粗糙度增加；
4. 影响刀具寿命
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切削变形与切屑形成过程

第一变形区

塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间 形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶 格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变 形区(Ⅰ)

特点：沿滑移线的剪切滑移变形
和加工硬化。一般第一变形区AOM的 宽度很窄，仅为0.02～0.2mm。
金属切削与机床
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第四讲

金属切削过程的基本规律
切削变形与切屑形成过程

刀屑间摩擦与积屑瘤 已加工表面变形与硬化

影响切削变形的因素

切削力分析 切削热与切削温度 刀具磨损与刀具寿命
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