第3章 切削过程的基本规律

⑶工件材料影响 工件材料是通过强度、硬度和导热 系数等性能不同对切削温度产生影响的。 ⑷其它因素的影响 磨损、干切削都会使温度升高。浇 注切削液是降低切削温度的一个有效措 施
3. 4 刀具磨损与刀具耐用度
一、刀具磨损形式
刀具磨损形式为正常磨损和非正常磨损两大类。 ⑴正常磨损
正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制 造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削 过程中逐渐产生的磨损。
⑵切削速度
切削速度vc是通过(a)积屑瘤使剪切角φ改变; (b)切削 温度使磨擦系数μ变化,而影响切屑变形的。如图2.11以 中碳钢为例。
⑶进给量
进给量对切屑变形的影响规律如图2.12所示，即f ↗使Λh ↘； 这是由于f ↗后，使切削厚度↗，正压力和平均正应 力↗ ，磨擦系数↘ ，剪切角↗所致。
性变形就产生脆性崩裂，切屑呈不规则的细粒状。
三、切屑变形程度的表示方法 (1)剪切角φ vc
剪切面AB 与切削速度vc 之间的夹角。 V↗，φ↗， A剪切 ↘， （切削省力） F↘。
B
φ
A
大小确定： 获得切屑根部 照片，度量得 出。
(2)相对滑 移ε
B”
B’
ε=Δs/Δy=
ctgφ+tg(φ-γo)
3. 3 切削热与切削温度
一、切削热的来源与传导 1)热源： 剪切区变形功形成的热Qp; 切屑与前刀面摩擦功形成的热Qγf; 已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qαf。 2)传导：传入切屑Qch(切削钢不加切削液时传入比例50%~86%)、 工件Qw(40%~10%) 、刀具Qc(9%~3%)和周围介质Qf(1%)。 3)切削热的形成及传导关系为：
(二)、磨损过程和磨钝标准
▼ 磨损过程如图 3-26所示，图中大致分三个阶 段。 • 初期磨损阶段(I段)：磨损较快。是由于刀具 表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的。 • 正常磨损阶段(II)： 该磨损度近似为常数。 AB呈直线。 • 急剧磨损阶段(III)：磨损急剧加速继而刀具 损坏。由于磨损严重，切削温度剧增，刀具强 度、硬度降低所致。
刀具角度对切 削力的影响
为负值
⑷其它因素的影响 ▼刀具的棱面：棱面
提高了刀具强度，但 也增大了挤压Байду номын сангаас摩擦 作用，Fr ↗ 。
▼刀尖圆弧半径：刀 尖圆弧半径 ↗ ，圆
弧刀刃参加工作比例 越多，切削变形和摩 擦越大，Fr ↗ 。
▼刀具磨损： 在切削
过程中刀具会产生磨 损，如果刀具后刀面 上磨损量↗，使刀刃 变钝、后刀面与加工 表面间挤压和摩擦加 剧，Fr ↗ 。
②最低生产成本耐用度Tc
所确定的耐用度能保证加工成本最低。如果刀 具耐用度高于最低成本耐用度Tc值，则机床消耗费 增多、成本提高；反之，刀具耐用度低于Tc值，刀 具损耗费和磨刀费增多、成本也高。 注：比较最高生产率耐用度Tp 与最低生产成本耐 用度Tc可知： Tc> Tp 。 刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。
方便又直观。 上述是根据纯剪切观点提出的，但切削过 程是复杂的，既有剪切、又有前刀面Aγ 对切屑 的挤压和摩擦作用，不能反映全部的变形实质。
（例如 Λh =1时，而实际情况是有变形的）
四、前刀面上磨擦与积屑瘤
积屑瘤：
积屑 瘤是堆积 在前刀面 上近切削 刃处的一 个楔块。
通常认为积屑瘤是由于切屑在前刀面上粘结造成的。当vc 的值在20m/min附近时（3~60m/min见图2.9），随着切屑 与前刀面间温度和压力的增加，磨擦力也增大，使近前刀 面切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞流”理象。
▼在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和
硬质合金刀具磨钝标准为：
在后刀面B区内均匀磨损VB=0.3mm；
在后刀面B区内非均匀磨损VBmax=0.6mm ； 月牙洼深度标准 KT=0.06+0.3f (f---进给量mm/r)
(三)、刀具磨损原因
⑴磨粒磨损 ⑵粘结磨损
粘结磨损就是由于接触面在压力和温度作用下 滑动粘结处产生剪切破坏造成的。
二、切削力测定和切削力实验公式
三、单位切削力、切削功率
四、切削力的变化规律
⑴工件材料的影响
• 工件材料的硬度、强度、剪切屈服强度 ↗ ，Fr ↗ 。 • 塑性、韧性↗ （切屑越不易折断，使切屑与前刀 面间摩擦增大越高）， Fr ↗ • 切削铸铁（由于塑性变形小，崩碎切屑与前刀面摩 擦小）， Fr 小 。
副前角又随主偏角 增大而减小(关系式 未讲)，上述影响
又使主切削力↗ 。
③刃倾角λs
• 刃倾角λs的绝对值增大时，使主切削刃参加工作 长度增加，摩擦加剧，Fz ↗ ； • 但在法剖面中刃口圆弧半径减小，刀刃锋利，切 削变形减小， Fz ↘ 。 上述综合作用的结果是使主切削力Fz变化很小。 • 但对切深抗力Fy 、进给抗力Fx影响较显著。 当刃倾角λs由正值向负值变化时，切深分力Fy ↗ 、进给分力Fx ↘ 。
功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并 用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机
床电动机功率。
▼ 切深抗力FY不消耗功率，但在机床----工件----刀
具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要
因素。
▼ 进给抗力FX消耗了总功率5%左右，它是验算机床
进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。
①后刀面磨损(图3-24上图分C、N、B三个磨损区域， 其磨损量分别用VC、VN、VB表示)
②前刀面磨损(图2-24 下面两个图)
③前、后刀面同时磨损
图2.30
⑵非正常磨损
非正常磨损是指刀具在切削过程中突然 或过早产生损坏的现象。 ①破损 在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或碎 裂。 ②卷刃 切削时在高温作用下，使切削刃或 刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。
刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。 这主要由于“磨粒”的切削作用造成的。
⑶扩散磨损
切削时在高温作用下，接触面间分子活动能 量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材 料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被 磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。
⑷相变磨损
在刀具上最高温度超过材料相变温度 时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏 体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损 加剧。
⑴第一变形区金属的剪切滑移变形
切削层受刀具的作用，经过第一变形区的 弹、塑性变形和剪切滑移后形成了切屑。 AB 为剪切面。
⑵第二变形区内金属的挤压磨擦变形
切削在受前刀面挤压磨擦过程中进一步发生 变形。
⑶第三变形区内的金属的挤压磨擦变形
已加工表面受后刀面挤压磨擦造成纤维化与 加工硬化。
切削过程
二、切屑的类型
• 即切削用量对切削力Fr的影响:
ap >f>Vc
⑶刀具几何角度的影响
①前角γo γo ↗, Fr ↘(但使三个分力,减小的程度不同，见P48图) ②主偏角 kr kr改变使切削面积的形状和切削分力Fxy的作 用方向改变，因而使切削力也随之变化。
• 右图所示，当 kr↗,切削厚度↗ ， 切削变形↘ ，故 主切削力↘ ； • 但kr ↗后，圆 弧刀尖上占的切 削工作比例增大， 使切屑变形和排 屑时切屑相互挤 压加剧。此外，
⑴带状切屑经过塑性变形过程形成的切屑,外形呈带状.切削塑
性较高的金属材料常出现这类切屑
⑵挤裂（节状）切屑切屑上与前刀面接触的一面较光滑,其背 面局部开裂成节状.切削黄铜或用低速切削钢，较易得到这类 切屑。 ⑶单元切屑切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。切削铅或用很
低的速度切削钢时可得到这类切屑。
⑷崩碎切屑在切削脆性金属时易出现。切削层几乎不经过塑
⑷工件材料
材料的强度、硬度↗ ，正压力↗ ，平均正 应力 ↗ ，磨擦系数μ ↘ ，φ ↗导致Λh ↘
3. 2 切削力
一、切削力来源、合力及其分力
• 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为 切削力。 • 切削力来源于两个方面：
①变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力； ②切屑、工件与刀具间的摩擦力。
• 它们的合力用Fr表示。
为了便于分析，通常将合力Fr 分解成三个相互 垂直的分力，它们是： • 主切削力FZ：主运动切削速度方向的分力；
• 切深抗力FY：切深方向的分力；
Fz
• 进给抗力FX：进给方向的分力。
F r=
FX2+FY2+FZ2
， Fr
FY
FX
Fxy
FZ Fr
▼ 主切削力FZ是最大的一个分力，它消耗了切削总
vc >f >ap ( 与Fr相反)。
⑵刀具几何参 数影响 ①前角γo γo ↗ ，切 削变形和摩 擦↘ ，因此 产生的热量 少，切削温 度↘ 。 但 γo ↗ 至 15 o 左右，由 于楔角减少 使刀具散热 变差，切削 温度略有↗ 。
②主偏角kr 主偏角kr ↘ ，使切削宽 度bD ↗ ，切削 厚度hD ↘,因此， 切削变形和摩 擦↗ ，切削温 度↗ 。 但当切削 宽度bD ↗后， 散热条件改善。 由于散热起主 要作用，故随 着主偏角kr ↘ ， 切削温度↘ 。
Qp+ Qγf+ Qαf =Qch +Qw +Qc+ Qf
Qf
二、切削温度测量
▼ 切削区域处温度的高低，决定于该处
切削热的多少和散热的快慢。 ▼通常所说的切削温度一般是指切削区 域的平均温度，用θ表示。 (1)切削温度可以计算
(2)切削温度可以测定
①自然热电偶法 ②人工热电偶法 P51图
三、影响切削温度的因素 ⑴切削用量的影响 *
积屑瘤对切削加工的影响:
(1)实际γo ↗ (2) ap ↗ (3)Ra ↗ (4)影响刀具耐用度
防止产生积屑瘤的措施:
(1)低速或高速切削 (2)加强润滑 (3) ↗γo以减小刀屑接触区压力 (4) ↗材料硬度(如热处理), ↘加工硬化倾向
七、切屑变形的变化规律
⑴前角
。
因此，切屑变形减小 为负值 为正值
第三章 金属切削过程的基本 规律
本章提要:
• 总结出切削变形、切削力、切削热与切削 温度、刀具磨损与刀具耐用度变化的四大 规律。
3.1 切削变形
一、切削变形区
金属切削过程产生弹性变形、塑性变形，晶格产生 滑移，而后断裂。
切削层变化的三个变形区，如图3-1所示。
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：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 。
⑸氧化磨损
硬质合金中WC(钨碳)、Co(钴)与空气 介 质 中 O2 化 合 成 脆 性 、 低 强 度 的 氧 化 膜 WO2，该膜受到了工件表面中氧化皮、硬 化层等摩擦和冲击作用，形成了边界磨损。
综上所述,
刀具磨损是由机 械摩擦和热效应 两方面因素作用 造成的。在低、 中速范围内磨粒 磨损和粘结磨损 是刀具磨损的主 要原因; 在中等 以上切削速度加 工时，热效应使 高速钢刀具产生 相变磨损、使硬 质合金刀具产生 粘结、扩散和氧 化磨损。
(3) 变形系数 Λh (大于1) Λh=hch /hD = ctgφcosγo +sin γo hch
hD
（4）分析
由公试ε=Δs/Δy=ctgφ+tg(φ-γo)和
Λh=hch /hD = ctgφcosγo+sin 可知： φ和γo是影响切削变形的主要因素 在γo=0~30o、 Λh大于1.5时，Λh与ε值接近， 此时用Λh或ε值来（近似的）表示变形程度才既
⑵切削用量的影响
①背吃刀量ap和进给量f ap 和f ↗，（AD ↗）， Fr ↗ 。
( 但ap 比f 影响程度更大些，其指数比为: 1：0.75~0.9)
②切削速度Vc • 加工塑性金属时，积屑瘤与摩擦的作用造成的。 以车削45钢为例，见下图。
• 切削脆性金属,因为变形和摩擦均较小，故切削 速度改变时切削力变化不大。
(切削速度vc)
四、刀具使用寿命（耐用度）
⑴刀具耐用度概念
刀具耐用度是指刃磨后的刀具从开始切削至磨损 量达到磨钝标准为止所用的切削时间，用T分钟表示。 ⑵刀具耐用度试验 (自阅) ⑶刀具耐用度合理数值的确定 刀具耐用度合理数值有两种：
①最高生产率耐用度 Tp
所确定的Tp 能达到最高生产率。若刀具耐用度超 过最高生产率耐用度，则由于切削用量降低，使生产率 下降；小于该耐用度，会增加刀具磨刀和装卸时间，亦 会使生产率下降。
• 切削用量ap、f和vc对切削温度的影响关系:
• 切削用量ap 、 f和vc对切削温度的影响规律: 切削用量ap 、 f和vc增大，切削温度增加。其中切削速度 vc对切削温度影响最大，进给量f次之，切削深度ap影响 最小,即对切削温度的影响: • 由此可见，在金属切除率相同的条件下，为了减少切削 温度影响，防止刀具迅速磨损，保持刀具耐用度，增大 切削深度ap或进给量f比增大切削速度vc更有利。