第3章 金属切削过程

课次 7，8 主要教学过程Chapter3共16页第- 1 -页 第3章 金属切削过程 □□教学基本要求与目标 1．了解切屑形状的分类,，切削加工性的含义及刀具合理几何参数的含义； 2．理解和掌握难加工材料的切削加工特点及改善难加工材料的切削加工性的途径； 3．掌握切削液的种类、作用及选用，掌握影响表面粗糙度的因素，掌握刀具合理几何参数的选择原则，掌握切削用量的选择原则。 □□教学重点 难点是分析影响切削加工性的因素和改善切削加工性的途径，分析影响表面粗糙度的主要因素基本规律的掌握；重点是初步具有能根据加工条件，合理地选择刀具几何参数及切削用量的能力基本规律的应用。 □□课时分配 本章课时：讲课…6学时 3.1 金属切削过程（1学时） 3.2 切削过程的基本规律（2学时） 3.3 切削过程的基本规律的应用（2学时） ☆ 单元测验（第3章内容）（1学时） □□授课方式 以教师讲授为主，多媒体教学为辅 □□习题与思考题 P72习题与思考题3.1，3.2，3.3，3.4，……3.11

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3.1 金属切削过程 一、切削层和切削层参数 切削层：主运动一个周期，相邻两加工表面（切削刃）之间的材料截面。 切削层公称厚度hD（老标准ac）： hD=f· sinKr 切削层公称宽度bD（老标准aw）: bD=ap/sinKr 切削层公称截面积Ac：Ac=ap· f=bD· hD 主偏角为90度时情况： hD=f Ac=ap 课次 7，8 主要教学过程Chapter3共16页第- 3 -页

二、切削过程 切屑的形成： 推挤作用 切割作用 切屑的种类：（不考虑刀具断屑等因素的影响） 节状（挤裂）切屑：上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑，较低 vc，较大ap，f 加工中等硬度塑性金属时产生。 带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大γ0，高vc，小ap，f 加工塑性金属时产生。 粒状（单元）切屑：菱形单元分离体，较低 vc，较大ap，f 加工硬度较高塑性较差金属时产生。 崩碎切屑：不规则屑片，较低 vc，较大ap，f 加工脆性金属时产生。

切屑变形： 1、I变形区（剪切区、塑性变形区）：从开始发生塑性变形到晶粒剪切滑移基本完成。 切屑收缩现象： 变形系数越大，切削变形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量越差。 课次 7，8 主要教学过程Chapter3共16页第- 4 -页

2、II变形区（摩擦区） 滞流现象: 切削塑性金属时，由于切屑底层与刀具的挤压和摩擦，切屑底层金属流速减缓的现象。 积屑瘤：在一定温度、压力条件下，滞流层与前刀面之间的摩擦力大于切屑底层内部晶粒的间的亲和力，滞流层部分金属粘结在前刀面切屑刃附近，形成的一块硬的金属层（由于塑性变形，硬比度比工件材料高2~3倍）

积屑瘤的形成及其影响： 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。 积屑瘤对切削过程的影响： （1）使刀具前角变大； （2）使切削厚度变化； （3）使加工表面粗糙度增加； （4）对刀具寿命的影响。 积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有： （1）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。 课次 7，8 主要教学过程Chapter3共16页第- 5 -页

（2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。 （3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。 （4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。 3、III变形区（挤压区） 变形强化（加工硬化） 成因：1）挤压塑性变形 2）表面相变 对加工过程的影响： （1）后续加工 （2）影响加工表面质量 （3）产生残余应力 消除变形强化的措施： （1）通过热处理降低材料塑性； （2）采用切削液； （3）加工后通过热处理消除变形强化。

三、影响切削变形的因素 1、工件材料的影响 工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和前刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力 增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角β减小，剪切角φ增大，变形系数 将随之减小。 2、刀具几何参数的影响 （1）前角的影响 增大刀具前角γo，剪切角φ将随之增大，变形系数 将随之减小；但γo增大后，前刀面倾斜程度加大，使摩擦角β和摩擦系数μ增大而导致φ减小。由于后一方面影响较小，还是随γo的增加而减小。 （2）刀尖圆弧半径的影响 3、切削用量的影响 （1）切削速度的影响

av

h

h 课次 7，8 主要教学过程Chapter3共16页第- 6 -页

在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度 越大，变形系数 越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度 越高，切削变形越不充分，导致变形系数 下降。 此外，提高切削速度 还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度τs因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数μ减小，使变形系数 下降。 （2）进给量的影响 进给量大，变形系数 下降

3.2 切削过程的基本规律。 一、切削力 切削力的来源与分解： （1）切削力的来源：变形抗力和摩擦阻力 切削力是所有切削力的合力，为空间交变力。 （2）切削力的几何分力（车削外圆为例） 主切削力Fc（垂直于基面主运动方向上的分力） 进给力Ff（基面内进给方向上的分力） 背向力Fp（基面内沿吃刀方向上的分力）

cvhcvh

cv

h 课次 7，8 主要教学过程Chapter3共16页第- 7 -页 总切削力的分解和切削功率： （1）总切削力的分解

22222fPCDCFFFFFF

rFpFDcos rFDfFsin

cfcpFFFF0.6)~(0.10)7.0~15.0(

 课次 7，8 主要教学过程Chapter3共16页第- 8 -页

（2）切削功率 4106

cFcPcv 单位：kw

Fc——切削力，单位：N； vc——切削速度，单位：m/min。

影响切削力的因素： （1）工件材料：材料成分、组织和力削性能是影响切削力的主要因素。强度、硬度、塑性、韧性越大切削力越大； （2）切削用量：影响最大的是ap ，其次是f，切削速度c最小，Fc与c是1：1，f影响70~80%，c影响积屑瘤的存在，有积屑瘤时F明显减小。 （3）刀具几何角度：0增大，刃口锋利、切削变形小，摩擦小，切削力减小；o增大、摩擦减小，切削力减小；Kr增大Fp减小；正s，Fp减小Ff增大。 （4）其它因素：切削液使用润滑条件好，切削力减小，刀具磨损后切削力剧增。

二、切削热与切削温度 切削热的来源与传散： （1）切削热来源于：切削层材料弹、塑性变形—变形热刀具前、后刀面的摩擦—摩擦热，三个切削变形区是三个主要热源区。 （2）切削热的传散：通过刀具、切屑、工件和周围介质（如：空气、切削液等）散热。 切削温度及其影响因素： （1）切削温度取决于切削热的产生与传热的综合因素，切削温度太高，工件产生热变形，加工精度下降，刀具寿命降低。 （2）影响切削温度的因素：切削用量、工件材料、刀具几何角度、其它条件。 （3）切削量中影响最大的是切削速度c，其次是f，ap影响最小。 课次 7，8 主要教学过程Chapter3共16页第- 9 -页

三、刀具磨损和耐用度 1、刀具磨损的形式 切削过程中，刀具在高温和高压条件下，受到工件、切屑的剧烈摩擦，刀具在前、后面接触区域内产生磨损。这种现象称为刀具磨损。随切削时间增加磨损逐渐扩大。主要磨损形式有：前面磨损、后面磨损、前后刀面同时磨损。 （1）前刀面磨损 （2）后刀面磨损 （3）前、后刀面同时磨损 在高速和较大的切削厚度切削塑性金属时，易产生月牙洼磨损。在低速和较大切削厚度切削塑性金属及切削脆性金属时，后刀面上的磨损有明显痕迹。在中等切削用量切削塑性金属的情况下，易产生前面和后面的同时磨损。 2、刀具磨损的原因 （1）磨粒磨损 （2）粘结磨损 （3）扩散磨损 （4）相变磨损 （5）氧化磨损 磨粒磨损（机械磨损、硬质点磨损）、相变磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损。 不同的刀具材料在不同的使用条件造成磨损的主要原因不同。 3、刀具破损原因 刀具破损主要由于机械冲击力作用或受热后内应力作用造成的。 4、磨损过程和磨钝标准 1）磨损过程 刀具磨损过程的三个阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。 （1）初期磨损阶段（AB段） （2）正常磨损阶段（BC段） （3）急剧磨损阶段（CD段） 2）磨钝标准 刀具的磨钝标准：刀具的磨损达到一定限度就不能继续作用，而应进行重磨，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。 5、刀具耐用度 刀具耐用度系指刀具刃磨后开始切削，至磨损量达到磨钝标准的总切削时间。