第1章切削加工的理论基础.ppt

机械制造技术基础 第1章 切削加工的理论基础 本章要点 1.1 切削运动与切削用量 1.2 切削层的变形 1.3 切削力 1.4 切削热 机械制造技术基础 第1章 切削加工的理论基础 机械制造技术基础 1.1.1 切削运动 加工的实质： 工件相对刀具运动，获得一定尺寸、精度、形状的工件 车削外圆的切削运动车削外圆的切削运动 机械制造技术基础 1.1.1 切削运动 切削加工过程中，工件上形成三个不断变化的表面： 待加工表面——工件有待切除金属层的表面 过渡表面——主切削刃正在切削着的表面 已加工表面——工件经刀具切除多余金属层后形成的新表面 机械制造技术基础 1.1.1 切削运动 定义：切削运动——刀具与工件间的（切削必须作的）相对运 动 分类：根据切削过程中所起的作用，分为主运动和进给运动 机械制造技术基础 1.1.1 切削运动 主运动——切除工件多余金属、形成工件新表面所必不可少的 基本运动 主运动的特征（判断依据） 速度最高 消耗功率最大 必有一个 形式为旋转或直线往复 车削主运动是工件的旋转运动 铣削和钻削运动是刀具的旋转运动 磨削主运动是砂轮的旋转运动 刨削主运动是刀具（牛头刨床）或 工件（龙门刨床）的往复直线运动 等 机械制造技术基础 1.1.1 切削运动 进给运动——使新的切削层金属间断或连续投入切削的运动。

进给运动的特征（判断依据） 速度较低 耗功较少 有0～N个 可连续，也可步进，形式 为旋转或直线往复 车削进给运动是刀具的移动 铣削进给运动是工件的移动 钻削进给运动是钻头沿其轴线方向的移 动 内、外圆磨削进给运动是工件的旋转运 动和移动以及砂轮的横向进给等 机械制造技术基础 1.1.2 切削用量 切削用量三要素：切削速度vc、进给量f、背吃刀量ap 切削速度vc——切削刃上选定点的主运动的线速度，单位磨削 速度用为 m/s，其他加工的切削速度习惯用m/min 主运动是旋转运动时，切削速度计算公式为 若主运动为往复运动时，其平均速度为： 式中 n —— 主运动转速（r/s或r/min ）； d —— 刀具或工件的最大直径（mm） 式中 nr —— 主运动每秒钟往复次数（str/s）； l —— 往复运动行程长度（mm） 机械制造技术基础 1.1.2 切削用量 进给量f——工件或刀具每转一周，刀具沿进给方向与工件的相对位移 外圆车削时，进给运动速度常常用进给量f来表述， 单位：mm /r （毫米/转） 刨削时，进给运动速度用每一行程多少毫米来表述， 单位为mm /str 铣削时，进给运动速度常用每齿进给量fz来表述， 单位：mm/z(毫米/齿)。

进给速度vf——是单位时间的进给量 进给速度vf、进给量f、每齿进给量fz 和刀具齿数Z之间的关系如下： vf=f·n=fz·z·n mm/s或mm/min 机械制造技术基础 1.1.2 切削用量 背吃刀量ap——工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离 例：外圆车削 例：对于钻孔工作 dm——已加工表面直径（mm） dw——待加工表面直径（mm） 机械制造技术基础 1.1.2 切削用量 机械制造技术基础 1.1.2 切削用量 铣削用量要素 机械制造技术基础 1.1.2 切削用量 例题： 车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速 为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm ，切入长度为3mm，求vc、f、asp 解： vc =πdn/1000 = π·62·4/1000 = 0.779 m/s f = vf /n = 2/4 = 0.5 mm/r ap = (dw-dm)/2=(62-56)/2=3 mm 切削运动与切削用量切削运动与切削用量 机械制造技术基础 第1章 切削加工的理论基础 机械制造技术基础 1.2.1 切屑的形成 挤压与切削 正挤压： 金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约 成45° 偏挤压： 金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻 碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移 切削： 与偏挤压情况类似。

弹性变形→剪切应力增大，达到 屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑 移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离 F A BO M 45° a）正挤压 F A BO M 45° b）偏挤压 O M F c）切削 机械制造技术基础 1.2.1 切屑的形成 研究方法 方格观察法——通过观察试件侧面规则格线的变形情况，研究金 属切削变形的基本规律 机械制造技术基础 1.2.1 切屑的形成 研究方法 金相照片——通过显微镜观察金属切屑根部金相照片，研究金属 切削变形的基本规律 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 变形区的划分 第一变形区 第三变形区 第二变形区 仿真研究仿真研究 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 切屑根部金相照片 M 刀具 切屑 O A 终滑移线 始滑移线：τ=τs Φ剪切角 切屑根部金相照片 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 第一变形区的变形特征： 切削层金属沿滑移线的剪切 滑移变形及随之产生的加工 硬化 第一变形区的实际厚度为 0.02~0.2mm，切削速度越大 ，厚度越小故第一变形区 可看成是一个剪切面。

剪切面与切削速度之间的夹 角成为剪切角，体现变形的 难易程度 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 第二变形区的变形特征： 切屑底层金属受摩擦挤压后的塑性变形及晶粒纤维化 受力： 挤压 摩擦 滑移与晶粒的伸长 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 前刀面内的摩擦（内摩擦与外摩擦） 区域划分： 粘结区lf1: 剪切滑移，内摩擦 滑动区lf2: 滑动摩擦，外摩擦 外摩擦与内摩擦 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 第三变形区的变形特征: 已加工表面的表层金属受刀具的钝圆刃和后刀面的挤压摩擦，使 金属材料的晶粒再次纤维化并加工硬化 厚度为Δac 的一薄层金 属被钝圆刃 挤压塑性变 形后成为已 加工表面 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 ——三个变形区对切削加工的影响 第一变形区的切削变形对刀具产生较大的切削抗力 第二变形区主要对刀具产生（粘接）摩擦阻力以及造成前刀面 磨损 第三变形区主要对已加工表面质量产生重大影响 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 ——表示切屑变形程度的方法 剪切面与剪切角 剪切面：第一变形区的实际厚度仅为0.02~0.2mm，故可用一个面 来表示，成为剪切面。

剪切角：剪切面和切削速度方向之间的夹角（φ）其大小反映 了切削变形的大小 剪切角是影响切屑变形的重要因素，也可反映切屑变形程度实 验证明：φ大→剪切面积小→变形程度小→切削省力故：剪切 角φ的大小反映了切削变形的大小 Lee & Sheffer 公式： 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素 ——表示切屑变形程度的方法 切屑厚度压缩比（Λh） 由体积不变原理： 切屑长度压缩比（Λl） 机械制造技术基础 1.2.2 切削层的变形及其影响因素影 ——响切削变形的主要因素 工件材料 强度、硬度越大，切削变形就越小 原因： 强度和硬度↗→切削力Fz↗→σav↗→μ（β）↘ → φ↗→ Λh↘ 机械制造技术基础 刀具前角 刀具前角γo增大，则切削变形减小 原因 一方面：γo↗→φ↗→Λh↘ 另一方面： γo ↗→切削力Fz ↘ →σav ↘ →μ（β）↗ → φ ↘ → Λh↗（有 所增大） 1.2.2 切削层的变形及其影响因素影 ——响切削变形的主要因素 机械制造技术基础 切削速度 切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角φ改变和通过切削温度使摩擦系 数μ变化而影响切削变形的 切削速度vc对Λh的影响 vc 超过40m/min继续增高，由于切削 温度逐渐升高，致使摩擦系数μ下降 ，故变形系数Λh减小。

vc在3~20m/min范围内提高，积屑瘤高 度随着增加，刀具实际前角增大，使 剪切角φ增大，故变形系数Λh减小 vc＝20m/min时， Λh值最 小 vc在20 ~40m/min范围内提高，积 屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减 小，使φ减小， Λh增大 1.2.2 切削层的变形及其影响因素影 ——响切削变形的主要因素 机械制造技术基础 进给量 f↗ → hD↗ →切削力Fz ↗ → σav↗ → μ↘ → φ↗ → Λh↘ 1.2.2 切削层的变形及其影响因素影 ——响切削变形的主要因素 机械制造技术基础 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制 切屑形成过程 切削层 的金属 弹性变形塑性变形挤裂切离 切 屑 切削层的金属 受到刀具前刀 面的推挤后产 生弹性变形 随着剪应力、剪应变 逐渐增大，达到其屈 服强度时，产生塑性 变形而滑移 刀具继续切入时，材 料内部的应力、应变 继续增大，当剪应力 达到其断裂强度时， 金属材料被挤裂 沿刀 具前 刀面 流出 机械制造技术基础 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制 切屑的类型 切脆性材料 不平稳,表面粗糙 应↑γ0↑v↓hD 切塑性材料时切屑之间的转化 切削平稳，力波动小 加工面光洁，断屑难 滑移量较大，局部 剪应力达断裂强度 切削不平稳，力波动大加 工表面粗糙 少见 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 ↑γ0↑v↓hD ↓γ0 ↓v ↑hD↓γ0 ↓v ↑hD ↑γ0↑v↓hD 节状切屑粒状切屑 机械制造技术基础 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制 切屑的类型及形成条件 形成 条件 影响 名称 简图 形态 变形 带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状 粒状不规则块状颗粒 剪切滑移尚未达 到断裂程度 局部剪切应力达到断 裂强度 剪切应力完全达到 断裂强度 未经塑性变形即被 挤裂 加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀 具前角较大 加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀 具前角较小 工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低 加工硬脆材料， 刀具前角较小 切削过程平稳，表 面粗糙度小， 妨 碍切削工作，应设 法断屑 切削过程欠平稳，表 面粗糙度欠佳 切削力波动较大，切 削过程不平稳，表面 粗糙度不佳 切削力波动大，有冲 击，表面粗糙度恶劣 ，易崩刀 带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑 机械制造技术基础 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制 切屑的类型 带状切屑 挤裂切屑 节状切屑 崩碎切屑 切屑形态照片 机械制造技术基础 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制 切屑的形状 带状屑： 高速切削塑性金属， 一般应力求避免 C形屑 ： 切削一般碳钢和合金 钢时，采用带卷屑 槽的车刀时易得， 较好 长紧卷屑： 普通车床上较好 发条状卷屑： 重型机床上较好 宝塔状卷屑： 自动机或自动线上较 好 螺卷屑 ： 崩碎屑 ： 机械制造技术基础 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制 切屑控制 v 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折 断。

v 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果 （图3-7） 切屑的卷曲 断屑的产生 v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图3-8） 机械制造技术基础 第1章 切削加工的理论基础 机械制造技术基础 1.3.1 切削力及切削功率 （1）来源（变形与摩擦） 弹性变形抗力 塑性变形抗力 切屑与前刀面 的摩擦力 后刀面与已加工 表面的摩擦力 切削过程中，作用在刀具或工件上 的力叫切削力 机械制造技术基础 κr Fc F FpFf ·p Ff Ff ·p Ff ·p f v 切削力的分解 1.3.1 切削力及切削功率 （2）分解 作用在刀具上的合力Fr可分解为相互垂直的三个分力Fc、Ff、Fp F 切削合力 Fc 主切削力 Fp 吃刀抗力 Ff 进给抗力 机械制造技术基。