金属切削基本理论共53页
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金属切削与机床金属切削的基本概念资料.pptx
式中: αf——侧后角； αp——背后角。
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图 1-13 正交平面参考系与假定工作平面、 背平面参考系的角度换算
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5）副前角γo′和副刃倾角λs′的计算
用“一刃四角法”原理标注刀具几何角度时，当副切削刃与主切削刃在同一前 刀面上时，副前角和副刃倾角为派生角度， 可以通过计算得到，一般不在刀具图中 标出，其计算公式如下：
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图 1-10 法平面参考系及角度标注 (a） 法平面参考系; (b）法平面参考系的角度标注
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3） 假定工作平面、背平面参考系的角度标注 假定工作平面、背平面参考系与正交平面参考系的不同也只是采用不同的刃剖 面反映刀具的前、后角。 在假定工作平面内标注的前、后角称为侧前角γf、侧后角αf；在背平面内标注的 前、后角称为背前角γp、背后角αp。 而主偏角κr和刃倾角λs仍分别在基面和切削平 面内标注。图 1-11 为车刀在假定工作平面、背平面参考系中的角度标注。
图1-1 切削运动
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2． 进给运动 进给运动是使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可以是连续的，如车削 外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动； 也可以是步进的，如刨削时工件或刀具 的横向移动等。在金属切削中可以有一个或几个进给运动， 也可以没有进给运动。
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3． 合成切削运动 由主运动和进给运动合成的运动，称为合成切削运动。 刀具切削刃上选定点 相对工件的瞬时合成运动方向称为该点的合成切削运动方向，其速度称为合成切 削速度，如图1－1所示。
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图 1-9 刀具角度正负的规定 (a） 前、后角; (b） 刃倾角
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金属切削原理基本理论
当刀具作用于切屑层，切削刃由a相对运动至 O时，整个切削单元OMma就沿着OM面发生剪 切滑移；或者OM面不动，平行四边形OMma 受到剪切应力的作用，变成了平行四边形 OMm1a1 。
实际上切屑单元在刀具前面作用下还受到挤 压，因而底边膨胀为Oa2，形成近似梯形的切 屑单元OMm2a2 。
许多梯形叠加起来就迫使切屑向逆时针方 向转动而弯曲。因此也可以说，金属切削过程 是切削层受到刀具前面的挤压后，产生以剪切 滑移为主的塑性变形，而形成为切屑的过程。
一） 切屑的形成过程 我们将切屑形成过程近似地比拟为推挤一叠卡片的形象化模型。
刀具
工
件
切屑形成过程模拟
金属被切削层好比一迭卡片1´、2 ´ 、3 ´ 、4 ´…等,当刀具切入 时这迭卡片被摞到1、2、3、4….的位置。卡片之间发生滑移，这滑 移的方向就是剪切面。
当然卡片和前刀面接触这一端应 该是平整的，外侧是锯齿的、或呈不 明显的毛茸状。
金属切削的基本物理现象包括：切削变形、切削力、切削温度、 刀具磨损与刀具耐用度。本章将针对这些现象进行阐述。
§ 3-1 切削变形
切削过程中的各种物理现象，都是以切屑形成过程为基础的。 了解切屑形成过程，对理解切削规律及其本质是非常重要的，现以塑性 金属材料为例，说明切屑的形成及切削过程中的变形情况。
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区——剪切滑移变形； 第Ⅱ变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区——挤压变形； 第Ⅲ变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区——已加工表面变形。
三） 第一变形区内金属的剪切变形
追踪切削层上任一点P，可以观察切屑的变形和形成过程。
当切削层中金属某点P向切削刃逼近，到达点1时，此时其剪切应力达到材 料的屈服强度τ s，故点1在向前移动 的同时，也沿OA滑移，其合成运动 使点l流动到点2。2- 2 ´为滑移量， 当P点依次到达3、4点后，其流动方 向与前刀面平行，不再沿OM线滑移。 OA称为始剪切滑移线，OM称为终 剪切滑移线。
金属切削原理(基本理论)
切削液中含有活性物质，能迅速渗入加工表面和刀具之间，
减小切屑与刀具前刀面的摩擦，并能降低切削温度，所以不易
产生积屑瘤。
积屑瘤对切削过程的影响
1. 影响刀具耐用度：
积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面。积屑
瘤相对稳定时，可代替切削刃进行切削。切削刃和前刀面
都得到积屑瘤的保护，减少了刀具的磨损，提高刀具耐用
如铜、20钢、40Cr钢、1Crl8Ni9Ti等，随着工件材料的强
度和硬度的依次增大，摩擦系数μ略有减小；
这是由于在切削速度不变的情况下，材料的硬度、强度
大时，切削温度增高，故摩擦系数下降。
切削厚度ac增加时， μ也略为下降；如20钢的ac从0.
lmm增大到0. 18mm， μ从0 .74降至0 .72。因为ac增加
最后长成积屑瘤。
影响积屑瘤产生的因素：
①工件材料的影响：塑性高的材料，由于切削时塑性
变形较大，加工硬化趋势较强，积屑瘤容易形成；而
脆性材料一般没有塑性变形，并且切屑不在前刀面流
过，因此无积屑瘤产生。
②切削速度主要通过切削温度影响积屑瘤。
低速(Vc＜3～5m／min)时，切削温度较低（低于
300℃），切屑流动速度较慢，摩擦力未超过切屑分子的结
工件母体分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加
工表面上。
第Ⅰ变形区
近切削刃处切削层内产生的塑性变形区——剪切滑移变形；
第Ⅱ变形区
与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区——挤压变形；
第Ⅲ变形区
近切削刃处已加工表层内产生的变形区——已加工表面变形。
三） 第一变形区内金属的剪切变形
追踪切削层上任一点P，可以观察切屑的变形和形
系数ξ可直观反映切屑的变形程度，并且容易测量。
减小切屑与刀具前刀面的摩擦，并能降低切削温度，所以不易
产生积屑瘤。
积屑瘤对切削过程的影响
1. 影响刀具耐用度：
积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面。积屑
瘤相对稳定时，可代替切削刃进行切削。切削刃和前刀面
都得到积屑瘤的保护，减少了刀具的磨损，提高刀具耐用
如铜、20钢、40Cr钢、1Crl8Ni9Ti等，随着工件材料的强
度和硬度的依次增大，摩擦系数μ略有减小；
这是由于在切削速度不变的情况下，材料的硬度、强度
大时，切削温度增高，故摩擦系数下降。
切削厚度ac增加时， μ也略为下降；如20钢的ac从0.
lmm增大到0. 18mm， μ从0 .74降至0 .72。因为ac增加
最后长成积屑瘤。
影响积屑瘤产生的因素：
①工件材料的影响：塑性高的材料，由于切削时塑性
变形较大，加工硬化趋势较强，积屑瘤容易形成；而
脆性材料一般没有塑性变形，并且切屑不在前刀面流
过，因此无积屑瘤产生。
②切削速度主要通过切削温度影响积屑瘤。
低速(Vc＜3～5m／min)时，切削温度较低（低于
300℃），切屑流动速度较慢，摩擦力未超过切屑分子的结
工件母体分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加
工表面上。
第Ⅰ变形区
近切削刃处切削层内产生的塑性变形区——剪切滑移变形；
第Ⅱ变形区
与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区——挤压变形；
第Ⅲ变形区
近切削刃处已加工表层内产生的变形区——已加工表面变形。
三） 第一变形区内金属的剪切变形
追踪切削层上任一点P，可以观察切屑的变形和形
系数ξ可直观反映切屑的变形程度，并且容易测量。
金属切削的基本理论
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3.2 切削变形
相应的轮廓算术平均偏差Rα为
Ra 1 Rz mm
用圆头刀加工时，残留层4的最大高度Rz为:
2.实际粗糙度
Rz f 2 mm
8
实际粗糙度是在理论粗糙度上叠加着非正常因素，例如:积屑 瘤、鳞刺、刀具磨痕和切削振纹等附着物和痕迹，因此，增 大了残留面积的高度值。
刀具几何形状和切削运动对表面粗糙度的影响主要是通过刀 具的主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径厂以及进给量对切削后 工件上的残留层高度来体现的。主偏角、副偏角、进给量越 小表面粗糙度越小;刀尖圆弧半径厂越大，表面粗糙度越小。
如图3-8所示，用尖头刀加工时，残留层的最大高度Rz为
Rz
f
mm
cot cot '
教学单元3 金属切削的基本理论
3.1 知识引入 3.2 切削变形 3.3 切削力 3.4 切削热与切削温度 3.5 刀具磨损
教学单元3 金属切削的基本理论
金属切削的基本理论是关于金属切削过程中基本物理现象变 化规律的理论。金属切削过程就是刀具从工件表面上切除多 余的金属，形成切屑和已加工表面的过程。伴随这一过程将 产生一系列物理现象，包括切削变形、切削力、切削温度和 刀具磨损等，而这些现象均以切削过程中金属的弹性、塑性 变形为基础，将直接或间接地影响工件的加工质量和生产率 等。生产实践中出现的积屑瘤、鳞刺、振动等问题，又都同 切削过程中的变形规律有关。因此，了解并掌握这些变化规 律，对分析解决切削加工中出现的问题有着十分重要的意义。
(1)积屑瘤和鳞刺影响钻附在刀刃上的积屑瘤顶端切入加工表 面后使已加工表面粗糙不平。在已加工表面上垂直于切削速 度方向会产生突出的鳞片状毛刺，通常称作鳞刺(如图3-9所 示)。
金属切削加工基础知识PPT课件
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7.6 切削力
一、切削力的来源与分解
金属切削时，刀具切入工件使被切金属层发生变形成为切屑所 需要的力称为切削力。
金属切削时，力来源于两个方面：
•其一是克服在切屑形成过程中工
件材料对弹性变形和塑性变形的变 形抗力；
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注释:
1、主运动可以使旋转运动，也可以是往复运动； 2、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。 3、主运动可以是工件来实现（车外圆）,主运动 也可以是刀具来实现 （切断、刨、铣加工）;
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3、切削过程中，工件上三个不断变化的表面
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四、切削用量
切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给 运动参数的量。
切削用量包括：
•切削速度 •进给量 •背吃刀量三个要素。
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1、切削速度Vc
在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离, 单位为m/s。
（1）主运动为旋转运动时,切削速度Vc计算公式为:
vc
dn
1000
(m /
s)
式中：d－工件待加工表面直径（mm） n－工件或刀具每分(秒)钟转数(r/s)
•表面粗糙度对零件的耐磨性、抗腐蚀性和配合性质等有很大影
响。它直接影响机器的使用性能和寿命。
•一般来说，零件的表面粗糙度越小，零件的使用性能越好，寿
命也越长，但零件的制造成本也会相应增加。
•国家标准GB/T1031-1995规定了表面粗糙度的评定参数及其
数值。常用的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差Ra值。
金属切削基础ppt课件
21
基面
基面Pr： “通过主切削刃上选定 点垂直于主运动方向的 平面”
22
切削平面
2.切削平面Ps： 3.通过主切削刃上选定 点，与切削刃相切并垂 直于基面的平面
23
主剖面
主剖面Po： 通过主切削刃上选定点，并 同时垂直于基面和切削平面 的平面
24
法平面
法平面Pn: 通过主切削刃上选定点，并垂直 于切削刃的平面。
热塑性差，不宜制造成大截面刀具。
B、钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成 的钢 ）典型牌号：Ｗ 6 Mo 5 Cr 4 V 2
优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性 。 缺点：高温切削性能和W18相比稍差。
66
高性能高速钢
在通用型高速钢的基础上，通过调整基本 化学成分并添加其他合金元素，使其常温 与高温力学性能得到显著提高
45
刀具的工作角度
•刀杆轴线安装的偏 斜的影响: •改变了主偏角和副 偏角 •(也就是说：实际的 主偏角和标注时的 主偏角不同)
46
刀具的工作角度
进给运动的 影响
进给量改变了 合成运动的方 向
(从而改变了基 面的位置以及 其他面的位置, 影响所有的角 度)
47
刀具的工作角度
刀尖的安装位 置的影响
63
高速钢
概念：
高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元 素较多的工具钢
性质：
①、具有良好的热稳定性 ②、具有较高强度和韧性 ③、具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性
64
高速钢的分类
普通高速钢 钨系高速钢 钨钼钢
高性能高速钢
65
普通高速钢
A、钨系高速钢（简称 W18） 典型牌号：W18Cr4V 优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。 缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，
基面
基面Pr： “通过主切削刃上选定 点垂直于主运动方向的 平面”
22
切削平面
2.切削平面Ps： 3.通过主切削刃上选定 点，与切削刃相切并垂 直于基面的平面
23
主剖面
主剖面Po： 通过主切削刃上选定点，并 同时垂直于基面和切削平面 的平面
24
法平面
法平面Pn: 通过主切削刃上选定点，并垂直 于切削刃的平面。
热塑性差，不宜制造成大截面刀具。
B、钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成 的钢 ）典型牌号：Ｗ 6 Mo 5 Cr 4 V 2
优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性 。 缺点：高温切削性能和W18相比稍差。
66
高性能高速钢
在通用型高速钢的基础上，通过调整基本 化学成分并添加其他合金元素，使其常温 与高温力学性能得到显著提高
45
刀具的工作角度
•刀杆轴线安装的偏 斜的影响: •改变了主偏角和副 偏角 •(也就是说：实际的 主偏角和标注时的 主偏角不同)
46
刀具的工作角度
进给运动的 影响
进给量改变了 合成运动的方 向
(从而改变了基 面的位置以及 其他面的位置, 影响所有的角 度)
47
刀具的工作角度
刀尖的安装位 置的影响
63
高速钢
概念：
高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元 素较多的工具钢
性质：
①、具有良好的热稳定性 ②、具有较高强度和韧性 ③、具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性
64
高速钢的分类
普通高速钢 钨系高速钢 钨钼钢
高性能高速钢
65
普通高速钢
A、钨系高速钢（简称 W18） 典型牌号：W18Cr4V 优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。 缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，
机械制造技术 吉卫喜 编 第二章 金属切削基本理论1PPT课件
切屑与前刀面间的摩擦与一般金属材料接触面间的摩 擦不同。切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域， 如图所示有粘结区和滑动区。 粘结区：近切削刃长度 lf1， 由于高温（可过900℃）、 高压（可达3.5×109N/m2） 的作用使切屑底层材料产生 软化，切屑底层的金属材料 粘嵌在前刀面上的高低不平 凹坑中而形成粘结区。粘结面间相对滑动产生的摩擦 称为内摩擦。
19
3）影响积屑瘤的因素
• 积屑瘤的产生及其成长 与工件材料的性质、切 削区的温度分布和压力 分布有关。塑性材料的 加工硬化倾向越强，越 易产生积屑瘤；在背吃 刀量和进给量保持一定 时，积屑瘤高度Hb与切 削速度有密切关系，因 为切削过程中产生的热 是随切削速度的提高而 增加的。
20
积屑瘤 如图所示，某堆积在前刀面上近切削刃处的积屑瘤，经
变形区（Ⅱ）。
7
（3）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）。
由于刀具刃口不可能 绝对锋利, 钝圆半径的存在 使切削层参数中公称切削 厚度不可能完全切除，会 有很小一部分被挤压到已 加工表面，与刀具后刀面 发生摩擦，并进一步产生 弹、塑性变形，从而影响 已加工表面质量。
测定它的硬度为金属母体的2～3倍，积屑瘤高出前刀面 0.369mm、凸出后刀面 0.057mm、宽1.138mm，在切削 时形成了实际前角32°27′(有 的可达40°)。积屑瘤替代切削 刃参加切削情况。
16
（2） 前刀面上的摩擦
滑动区：切屑即将脱离 前刀面时在lfo长度内的接 触区。在该区内切屑与前 刀面间只是凸出的金属点 接触，滑动区的摩擦称为
外摩擦。
17
（2） 前刀面上的摩擦
➢在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面
19
3）影响积屑瘤的因素
• 积屑瘤的产生及其成长 与工件材料的性质、切 削区的温度分布和压力 分布有关。塑性材料的 加工硬化倾向越强，越 易产生积屑瘤；在背吃 刀量和进给量保持一定 时，积屑瘤高度Hb与切 削速度有密切关系，因 为切削过程中产生的热 是随切削速度的提高而 增加的。
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积屑瘤 如图所示，某堆积在前刀面上近切削刃处的积屑瘤，经
变形区（Ⅱ）。
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（3）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）。
由于刀具刃口不可能 绝对锋利, 钝圆半径的存在 使切削层参数中公称切削 厚度不可能完全切除，会 有很小一部分被挤压到已 加工表面，与刀具后刀面 发生摩擦，并进一步产生 弹、塑性变形，从而影响 已加工表面质量。
测定它的硬度为金属母体的2～3倍，积屑瘤高出前刀面 0.369mm、凸出后刀面 0.057mm、宽1.138mm，在切削 时形成了实际前角32°27′(有 的可达40°)。积屑瘤替代切削 刃参加切削情况。
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（2） 前刀面上的摩擦
滑动区：切屑即将脱离 前刀面时在lfo长度内的接 触区。在该区内切屑与前 刀面间只是凸出的金属点 接触，滑动区的摩擦称为
外摩擦。
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（2） 前刀面上的摩擦
➢在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面
金属切削基本理论
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。
金属切削基本理论
二.相关知识
(一) 金属切削过程的物理现象
1.切削层的变形
(1)概述 金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属
2）切削用量
进给量f和背吃刀量ap金属切削基本进使理论给切量削f力和F背c增吃加刀。量ap增加，
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
(三) 切削热和切削温度
1.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。
金属切削基本理论
金属切削基本理论
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 削区内的切削温度上升。
金属切削基本理论
实验表明，切屑的形成过程是被切削层金 属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性 变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时， 产生塑性变形。随着刀具前刀面相对工件的继 续推挤，与切削刃接触的材料发生断裂而使切 削层材料变为切屑。
切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性 变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段。
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；
金属切削基本理论
二.相关知识
(一) 金属切削过程的物理现象
1.切削层的变形
(1)概述 金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属
2）切削用量
进给量f和背吃刀量ap金属切削基本进使理论给切量削f力和F背c增吃加刀。量ap增加，
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
(三) 切削热和切削温度
1.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。
金属切削基本理论
金属切削基本理论
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 削区内的切削温度上升。
金属切削基本理论
实验表明，切屑的形成过程是被切削层金 属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性 变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时， 产生塑性变形。随着刀具前刀面相对工件的继 续推挤，与切削刃接触的材料发生断裂而使切 削层材料变为切屑。
切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性 变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段。
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；