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1、第二章,金属切削基本原理,金属切削基本原理,2.1 金属切削过程2.2 切削力2.3 切削热与切削温度2.4 刀具磨损与刀具耐用度2.5 刀具几何参数与切削用量的选择2.6 磨削机理,2.1,金属切削过程,2.1.1 切屑的形成与切屑变形2.1.2 切屑的类型2.1.3 影响切屑变形的因素,2.1 金属切削过程,切屑根部金相照片,金属切削变形过程,切削变形实验设备与录像装置,2.1.1 切屑的形成与切削变形,切屑的形成过程及变形区的划分,I 变形区,推挤、晶粒拉长、剪切滑移，塑性变形,II 变形区,切屑流出，受挤压，剧烈摩擦,III 变形区,挤压、摩擦，金属回弹，产生残留应力,第一变形区金属的
2、剪切滑移,用相对滑移来衡量变形程度,剪切滑移,剪切面OA、OM,剪切角：,剪切面和切削速度方向之间的夹角,变形系数,切屑变厚变短,前刀面的挤压摩擦与积屑瘤,粘结区的摩擦,为金属间的内摩擦,滑动区的摩擦,为外摩擦,积屑瘤,积聚、滞留、粘结、产生、成长、脱落,作用：,保护切削刃，增大前角影响工件尺寸精度使表面粗糙度值变大，振动,措施：,高速切削大前角小进给切削液,积屑瘤,已加工表面变形与加工硬化,挤压摩擦回弹,加工硬化,冷硬、显微裂纹、残余应力,鳞刺,2.1.2 切屑的类型,带状切屑,挤裂切屑(节状切屑),2.1.2 切屑的类型,单元切屑(粒状切屑),崩碎切屑,切屑的类型,切屑类型及形成条件,切屑
3、可控性,指标：,不妨碍正常的加工,不影响操作者的安全,易于清理、存放和搬运,国际标准化组织（ISO）切屑分类标准,切屑的卷曲,断屑的产生,2.1.3 影响切削变形的因素,工件材料,塑性大，强度硬度低，屈服极限低切屑变形大,2.1.3 影响切削变形的因素,工件材料,刀具前角,前角大，刃锋利，挤压小，剪切角大切屑变形小,2.1.3 影响切削变形的因素,工件材料,刀具前角,切削用量,切削速度,影响积屑瘤和切削温度,呈波形变化,进给量,进给量越大切屑变形小,2.2,切削力,2.2.1 切削力的来源与分解2.2.2 切削力测定和切削力实验公式2.2.3 单位切削力、切削功率2.2.4 影响切削力的因素,
4、2.2 切削力,切削力的来源及分解,切削力的来源,切削力的分解,2.2.2 切削力测定和切削力实验公式,切削力的测量原理,电阻应变片式测力仪,电桥平衡,电参数切削力,计算切削力的经验公式,2.2.3 单位切削力、切削功率,单位切削力,切除单位切削层面积所产生的主切削力 p,切削功率,切削过程中所消耗的功率,校验和选取机床电机的依据,2.2.4 影响切削力的因素,工件材料,强度、硬度、塑性大切削力大 铸铁切削力小,切削用量,背吃刀量影响大，进给量影响较大 切削速度无明显影响,刀具几何参数,前角增大切削力减小,主偏角r大小Fp、Ff的比值,刀具磨损,刀具材料及切削液,2.3,切削热与切削温度,2.
5、3.1 切削热的来源与传导2.3.2 切削温度2.3.3 影响切削温度的因素2.3.4 切削液,2.3 切削热与切削温度,2.3.1 切削热的来源与传导,来源：,弹性、塑性变形功，摩擦功,QFc vC,传导：,切屑、刀具、工件、介质,车：5086切屑，1040车刀 39工件，1 空气,钻：28切屑，145刀具 525工件，5介质,磨：4磨屑，12砂轮，84工件,2.3.2 切削温度,切屑与前刀面接触区域的平均温度,二维切削中的温度分布,2.3.3 影响切削温度的因素,切削用量,v 大，f 中，ap 小,刀具几何参数,前角大 切削温度低,刀具磨损,主偏角r大 切削温度高,硬度强度高，导热系数小切
6、削温度高 脆性材料 切削温度低,工件材料,切削液,2.3.4 切削液,切削液的作用,冷却作用,润滑作用,清洗与防锈作用,常用切削液及其选用,水溶液,=水+防锈剂、清洗剂、油性添加剂,乳化液,=乳化油+水,切削油,车削、钻削、攻螺纹,=矿物油、+动植物油,极压切削油,滚齿、插齿、车螺纹、一般精加工,磨削、粗加工,=切削油+硫、氯和磷极压添加剂,难加工材料的精加工,2.4,刀具磨损与刀具耐用度,2.4.1 刀具磨损2.4.2 刀具耐用度,2.4 刀具磨损与刀具耐用度,2.4.1 刀具磨损,刀具磨损的形式,非正常破损：,卷刃、裂纹、崩刀、破裂,正常磨损：,前刀面磨损,后刀面磨损,月牙洼宽度KB和深度
7、KT,平均磨损值VB,前后刀面同时磨损,刀具磨损原因,磨料磨损,硬质点及积屑瘤滑擦划出沟纹,粘结磨损,压力、摩擦粘结、冷焊被带走,扩散磨损,相变磨损,改变成分结构表层变脆弱磨损,温度升高，金相组织变化磨损,氧化磨损,高温氧化物，硬度下降磨损,刀具磨损过程,初期磨损阶段,正常磨损阶段,急剧磨损阶段,刀具的磨钝标准,规定允许磨损量的最大值,后刀面磨损带高度VB,硬质合金外圆车刀的磨钝标准，一般为：VB0.3mm,2.4.2 刀具耐用度 T,新刃磨的刀具从开始切削至 达到磨钝标准为止的切削时间,刀具寿命：,一把新刀具从使用到报废为止的切削时间,刀具寿命=刀具耐用度刀具刃磨次数,刀具耐用度的定义,切削
8、用量对刀具耐用度的影响,影响程度：vc大，f 中，ap 小,刀具耐用度允许的切削速度：,高速钢：m=0.1 0.125硬质合金：m=0.2 0.3陶瓷刀具：m0.4,刀具耐用度的选择,经济耐用度 Tc,以单件工序成本最低的原则来确定,最大生产率耐用度 Tp,以单位时间内加工工件数量最多的原则来确定,2.5,刀具几何参数与切削用量的选择,2.5.1 刀具几何参数的选择2.5.2 切削用量的选择,2.5 刀具几何参数与切削用量的选择,2.5.1 刀具几何参数的选择,刀具几何参数的基本内容,刀具角度：,前角、后角、主偏角、刃倾角副偏角、副后角,刀面型式：,卷屑槽、断屑台、铲背,负倒棱、消振棱、刃带,
9、切削刃的剖面形式：,刃形：,直线刃、折线刃、圆弧刃、波形刃,刀具合理几何参数选择应考虑的因素,工件材料,化学成分、制造方法、热处理状态 性能，表层情况等,刀具材料及结构,化学成分、性能，刀具结构形式,机床、夹具，系统刚性，功率 切削用量和切削液,加工条件,各参数间的联系,综合考虑相互作用与影响,刀具角度的选择,前角及前面的选择,前角的功用,大前角减小切削力、切削热 提高刀具寿命、表面质量 但强度降低、温度升高,使刀具耐用度为最大值的前角pt,合理前角：,前角的选择原则,加工材料,塑性材料(如钢)大前角脆性材料(如铸铁)小前角材料强度硬度小大前角材料硬度强度高小前角、负前角,刀具材料,高速钢大前
10、角硬质合金小前角,加工性质,精加工大前角粗加工小前角,表2.1 硬质合金车刀前角的合理值,前刀面型式的选择,正前角平面型,精加工、成形刀、铣刀，脆性材料,正前角平面带倒棱型,粗切削铸、锻件，断续表面,正前角曲面带倒棱型,粗、精加工塑性材料,负前角单面型,切削高硬度材料、淬火钢,负前角双面型,后角及后刀面的选择,后角的功用,大后角减小摩擦、提高寿命、改善表面质量 强度降低、散热差、磨损加快,合理后角,后角的选择原则,切削参数,切削层厚度hD小 大后角切削层厚度hD大 小后角,工件材料,强度、硬度高 小后角塑性大 大后角,工艺系统刚性,刚性差振动 小后角,精度要求高,重磨 小后角,表2.2 硬质合
11、金车刀后角的合理值,后刀面型式的选择,双重后面,保证刃口强度，减少刃磨,消振棱,增加接触面积及阻尼，消除振动,刃带（后角=0）,稳定、导向、消振、延长寿命,副后角的选择,通常等于后角,切断刀、切槽刀、锯片铣刀：,副后角很小一般为 0.52,主偏角和副偏角的选择,影响残留面积高度,主、副偏角小粗糙度值小,影响切削层形状,主偏角大切削宽小厚大，负荷大,影响切削分力比例,主偏角大背向力小，进给力大,影响刀尖角大小,刀尖强度、导热面积、容热体积,影响断屑、排屑,主偏角和副偏角的功用,主偏角大切屑变厚窄，易断,合理主偏角值的选择,粗、半精加工大主偏角,减小振动，延长寿命，断屑、大切深,加工硬材料小主偏角
12、,减轻负荷，导热容热、延长寿命,工艺系统刚性好小主偏角,延长刀具寿命,工艺系统刚性差大主偏角,减小背向力Fp,合理副偏角值的选择,一般较小,510,精加工,小，0,加工高强高硬材料或断续切削,小，46,切断刀、锯片、槽铣刀,小，12,过渡刃的型式,直线刃,粗车、强力车 r=r/2,圆弧刃,粗糙度值小,水平修光刃r0,粗糙度值小,大圆弧刃,宽刃精车刀、宽刃精刨刀、浮动镗刀,刃倾角的选择,控制切屑流出方向,影响刀尖强度,s0，非刀尖先切入，避免冲击，延长寿命,影响切入切出平稳性,s0，逐渐切入，冲击小，切削平稳,影响切削分力间比值,s减小进给力减小，背向力 增大,刃倾角的功用,合理刃倾角值的选择,
13、粗车钢、灰铸铁,冲击载荷,强力刨削,-10-20,车淬硬钢,-5-12,工艺系统刚性差,0,微量精车、精镗、精刨,4575,金刚石、立方氮化硼车刀,0-5,0-5,精车钢、灰铸铁,0+5,-5-15,冲击特别大,-30-45,2.5.2 切削用量的选择,选择切削用量的原则,生产效率,用量大，时间小。粗加工尽量增大,机床功率,背吃刀量大，功率大。粗加工尽量增大,背吃刀量影响最小，优先增大,刀具耐用度,表面粗糙度,限制提高,质量、生产率、成本，耐用度,基本原则：,切削用量选择方法,粗加工切削用量的选择,背吃刀量,考虑余量，刚性尽量一次切除,切削用量选择方法,粗加工切削用量的选择,背吃刀量,考虑余量
14、，刚性尽量一次切除,进给量,考虑刚性、强度查表,校验机床进给机构的强度,切削用量选择方法,粗加工切削用量的选择,背吃刀量,考虑余量，刚性尽量一次切除,进给量,考虑刚性、强度查表,切削速度,考虑刀具耐用度计算、查表,切削速度转速实际主轴转速实际切削速度,校核机床切削功率,切削用量选择方法,半精加工、精加工切削用量的选择,背吃刀量,半精加工约12mm；精加工更小,进给量,考虑表面粗糙度查表,切削速度,考虑刀具耐用度计算、查表,切削速度转速实际主轴转速实际切削速度,硬质合金80100m/min以上,高速钢3080m/min,2.6,磨削机理,2.6.1 磨削过程2.6.2 磨削力2.6.3 磨削热与
15、磨削温度2.6.4 磨削过程的砂轮磨损,2.6 磨削机理,2.6.1 磨削过程,磨粒的形状,微刃、负前角,磨屑的形成过程,滑擦阶段（弹性变形阶段）,切削厚度由零逐渐增大，只产生弹性变形 不产生切屑,刻划阶段（塑性变形阶段）,切削刃开始切入，产生塑性流动，推向前方 和两侧，刻划出沟痕，两侧隆起,切削阶段（磨屑形成阶段）,金属层受挤压，沿剪切面滑移 形成切屑流出,磨屑形态,带状切屑,塑性材料,挤裂切屑,脆性材料,球状切屑,灰烬切屑,高温下,2.6.2 磨削力,特征,单位磨削力很大,背向力FP值最大,70000Nmm2以上,FPFC=2.02.5,影响磨削力的因素,砂轮速度vs,大，磨粒数大，切削厚
16、度小，磨削力小,工件速度vw和轴向进给量,大，磨去金属量大，磨削力大,径向进给量f r,砂轮,大，切削厚度大，磨削力大,磨损，磨削力增大,2.6.3 磨削热和磨削温度,磨削温度的基本概念,砂轮磨削区温度A,磨粒磨削点温度dot,1000C左右,几百度,影响磨削温度的主要因素,砂轮速度vs,大，磨粒多，切削厚度小 挤压摩擦加剧，滑擦多，温度高,工件速度vw,大，金属切除量大，温度高,径向进给量fp,金属导热性差，温度高 韧性和强度高，温度高,工件材料,砂轮硬度与粒度,大，磨削力大，发热多，温度高,砂轮软温度低 粒度粗温度低,2.6.4 磨削过程中的砂轮磨损,磨损形态,磨耗磨损,脱落磨损,磨粒破碎
17、,砂轮的磨损过程,初期磨损,磨粒破碎,正常磨损,磨耗磨损,急剧磨损,脱落磨损,谢 谢,图2.1 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,图2.2 第一变形区金属的滑移,图2.7 切削速度与积屑瘤高度的关系,图2.10 国际标准化组织的切屑分类法,图2.11 材料对变形系数h的影响,图2.12 前角对变形系数h的影响,图2.13 切削速度对变形系数h的影响,图2.14 进给量对变形系数h的影响,图2.32 磨粒的磨削过程,车刀的磨损形态,图2.20 车刀典型磨损形式示意图,图2.21 扩散磨损,图2.22 温度对磨损的影响,1.粘结磨损 2.磨粒磨损 3.扩散磨损4.相变磨损 5.氧化磨损,残留面积高度,图2.30 刃倾角对切屑流向的影响,
