切削原理30張世昌課件

第4章切削原理

金屬切削加工：是利用刀具從工件毛坯上切去一層多余的金屬，從而使工件達(dá)到規(guī)定的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的加工方法?！?切削過程及切屑類型

1.1切屑的形成過程

切屑的形成與切離過程，是切削層受到刀具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變形過程。FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削正擠壓：金屬材料受擠壓時(shí)，最大剪應(yīng)力方向與作用力方向約成45°偏擠壓：金屬材料一部分受擠壓時(shí)，OB線以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線滑移，而只能沿OM線滑移切削：與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪切應(yīng)力增大，達(dá)到屈服點(diǎn)→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大，達(dá)到斷裂強(qiáng)度→切屑與母體脫離。圖3-2金屬擠壓與切削比較擠壓與切削1.2三個(gè)變形區(qū)

研究金屬切削變形的方法側(cè)面方格變形觀察法快速落刀法其他試驗(yàn)方法

高速攝影法光彈塑性試驗(yàn)法5)三個(gè)變形區(qū)的劃分

1第一變形區(qū)2第二變形區(qū)3第三變形區(qū)剪切面剪切角

剪切角φ↑→剪切面積↓→變形程度↓→切削力↓變形系數(shù)

切削過程中，切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長度縮小，寬度基本不變。可用其表示切削層變的變形程度。根據(jù)體積不變?cè)?，變形系?shù)Λh可用下式表示：

式中LD－切削層的長度LDh－切屑的長度hDh－切屑的厚度hD－切削層的厚度LDhhDhDhLD切屑與切削層尺寸

厚度變形系數(shù)長度變形系數(shù)變形系數(shù)與剪切角的關(guān)系tgφ=cosγo/(Λh

－sinγo)內(nèi)摩擦外摩擦平均摩擦系數(shù)圖3－10切屑和前面摩擦情況示意圖

鈍圓半徑加工硬化殘余應(yīng)力1.5已加工表面的形成過程

hDΔhD切脆性材料不平穩(wěn),表面粗糙帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑

加工塑性材料切塑性材料：

帶狀切屑

擠裂切屑

單元切屑↑γ0↑v↓hD↓γ0↓v↑hD↓γ0↓v↑hD↑γ0↑v↓hD切削不平穩(wěn)，力波動(dòng)大加工表面粗糙切削平穩(wěn)，力波動(dòng)小加工面光潔，斷屑難

滑移量較大，局部剪應(yīng)力達(dá)斷裂強(qiáng)度1.6切屑的類型

切屑刀具圖積屑瘤積屑瘤積屑瘤對(duì)切削過程的影響

圖積屑瘤前角和伸出量積屑瘤的產(chǎn)生及積聚高度的相關(guān)因素與金屬材料的硬化性質(zhì)有關(guān)；

刃前區(qū)的溫度和壓力狀況有關(guān)；

切削速度。精加工時(shí)避免或減小積屑瘤的措施控制切削速度，盡量采用很低或很高的速度，避開中速區(qū)；

使用潤滑性能好的切削液，以減小摩擦；

增大刀具前角，以減小刀屑接觸區(qū)壓力；

提高工件材料硬度，減少加工硬化傾向。

1.8切屑變形的變化規(guī)律

1）工件材料對(duì)切屑變形的影響

工件材料強(qiáng)度愈高，切屑變形愈小。

工件塑性越大，切屑變形越大。

2）刀具前角對(duì)切屑變形的影響

前角對(duì)厚度變形系數(shù)的ξa的影響.工件材料：5210鋼；刀具材料：高速鋼；切削用量：hD=0.31～0.36mm，bD=0.8~0.9mm

刀具前角增大，切屑變形減小。有積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，切削速度的影響是通過積屑瘤的實(shí)際前角來影響的。4）切削厚度對(duì)切屑變形的影響

切削厚度增加時(shí)，變形減小。切削速度及進(jìn)給量對(duì)厚度變形系數(shù)的ξa的影響

工件材料：20鋼；被吃刀量ap=4mm

2)切削合力及分力

切削合力主切削力徑向力（背向力）軸向力（進(jìn)給力）2.3切削力的計(jì)算

目前生產(chǎn)實(shí)際中采用的計(jì)算公式都是通過大量的試驗(yàn)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后而得到的經(jīng)驗(yàn)公式。如指數(shù)形式公式：

式中CFc,CFp,CFf——與工件、刀具材料有關(guān)系數(shù)；

xFc,xFp,xFf——切削深度ap對(duì)切削力影響指數(shù)；

yFc,yFp,yFf——進(jìn)給量f對(duì)切削力影響指數(shù)；

KFc,KFp,KFf——考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。（3-7）單位切削力

切除單位切削層面積的主切削力（令修正系數(shù)KFc

=1）機(jī)床電機(jī)功率式中η

——機(jī)床傳動(dòng)效率，通常η=0.75～0.85

（3-9）式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主運(yùn)動(dòng)速度（m/s）。

（3-8）切削功率2.4影響切削力的因素2.4.1工件材料的影響

工件材料的強(qiáng)度、硬度越高,切削力是增大的。強(qiáng)度、硬度相近的材料，塑性越大，切削力越大。

2.4.2．切削用量的影響

1背吃刀量和進(jìn)給量

2切削速度的影響2.4.2．切削用量的影響

2.4.3刀具幾何參數(shù)的影響

1前角的影響

2負(fù)倒棱的影響

3主偏角的影響

4刃傾角的影響2.4.4刀具磨損的影響

2.4.5刀具材料的影響

2.4.6切削液的影響水溶性切削液對(duì)切削力影響很小

非水溶性切削液顯著降低切削力§3切削熱與切削溫度

切削熱的危害：刀具磨損加劇，刀具耐用度下降。精加工時(shí)，工件本身和刀桿受熱膨脹致使工件尺寸精度達(dá)不到要求。會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生熱變形而導(dǎo)致加工誤差的產(chǎn)生。

一般所說的切削溫度是指切削區(qū)的平均溫度。

3.1切削熱的產(chǎn)生和傳出

切削熱來源切削熱的轉(zhuǎn)換切削熱的傳出圖2-25切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)第一變形區(qū)：60%的熱量第二變形區(qū)：30%的熱量第三變形區(qū)：10%的熱量影響切削熱傳導(dǎo)的主要因素

工件材料的導(dǎo)熱性能

刀具材料的導(dǎo)熱性能

周圍介質(zhì)

切屑與刀具的接觸時(shí)間

3.2影響切削溫度的主要因素

1切削用量中切削速度對(duì)切削溫度的影響

進(jìn)

給

量

f

的

影

響

3.2影響切削溫度的主要因素

背

吃

刀

量

ap

的

影

響

3.2影響切削溫度的主要因素

切削用量中，v對(duì)θ影響最大，f次之，ap最小。

為有效控制切削溫度以提高刀具耐用度，選用大的背吃刀量或進(jìn)給量，比選用大的切削速度有利。

3.2影響切削溫度的主要因素

3.2.2刀具幾何參數(shù)對(duì)切削溫度的影響

圖前角與切削溫度的關(guān)系主偏角kr對(duì)切削溫度的影響3.2.3刀具磨損對(duì)切削溫度的影響

3.2.4工件材料對(duì)切削溫度的影響正火：σb=0.589GPa,187HB；

調(diào)質(zhì)：σb=0.736GPa,229HB；

淬火：

σb=1.452GPa,44HRC

圖3-21切削速度、工件材料對(duì)切削溫度的影響1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45鋼(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：o=15，o=6~8，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rvc（m/min）θ（℃）1030507090110130400600800100012433.2.5切削液對(duì)切削溫度的影響

3.4切削溫度的分布

切削脆性材料時(shí)最高溫度區(qū)域切削塑性材料時(shí)最高溫度區(qū)域§4刀具失效及刀具壽命

刀具失效：磨損和破損。磨損：刀面和切削刃上的金屬微粒被工件、切屑逐漸帶走而喪失切削能力的現(xiàn)象破損：在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的破壞。1）前刀面磨損(月牙洼磨損)4.1刀具磨損的形態(tài)月牙洼增長示意圖

2）后刀面磨損3）邊界磨損4.2刀具磨損的原因

刀具磨損是機(jī)械的、熱的和化學(xué)的三種作用的綜合結(jié)果。

1）硬質(zhì)點(diǎn)磨損

硬質(zhì)點(diǎn)磨損的概念硬質(zhì)點(diǎn)磨損發(fā)生范圍2）粘結(jié)磨損

粘結(jié)磨損的概念粘結(jié)磨損的發(fā)生范圍3）擴(kuò)散磨損

擴(kuò)散磨損的概念擴(kuò)散磨損的范圍4）化學(xué)磨損

化學(xué)磨損的概念

化學(xué)磨損的范圍

5）小結(jié)

不同的工件材料、刀具材料和切削條件下，磨損原因和磨損強(qiáng)度是不同的。圖切削速度對(duì)刀具磨損強(qiáng)度的影響1-硬質(zhì)點(diǎn)磨損；2-粘結(jié)磨損；3-擴(kuò)散磨損；4-化學(xué)磨損4.4刀具磨損過程

初期磨損階段

正常磨損階段

急劇磨損階段

圖3-30刀具的磨損過程4.5刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)

刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的概念磨鈍標(biāo)準(zhǔn)后刀面磨損刀具徑向磨損量切削力磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的取值

粗加工和半精加工

精加工

工藝系統(tǒng)

VB

VBmax或VC4.6刀具耐用度刀具耐用度：開始切削到達(dá)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的純切削時(shí)間。

刀具壽命：

第一次使用到完全報(bào)廢時(shí)的純切削時(shí)間。切削用量對(duì)刀具耐用度的影響

1切削速度與刀具耐用度的關(guān)系試驗(yàn)法T-v關(guān)系式

圖各種切削速度下的刀具磨損曲線刀具T—v關(guān)系曲線（圖3－32），該直線方程為：Lgv=-mlgT+lgA式中，m=tgφ，即該直線的斜率；A—當(dāng)T＝1s（或1min）時(shí)直線在縱坐標(biāo)上的截距。V=A/Tmm表示切削速度對(duì)刀具耐用度地影響程度；m越大，切削速度對(duì)耐用度影響小,刀具材料切削性能好。圖3－32在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的T—v曲線進(jìn)給量、背吃刀量與刀具耐用度的關(guān)系

進(jìn)給量與刀具耐用度的關(guān)系f=B/Tn

背吃刀量與刀具耐用度的關(guān)系

ap=C/Tp切削用量與刀具耐用度的關(guān)系

一般情況下，m<n<p(1)當(dāng)切削速度認(rèn)提高1倍，而其它條件不變時(shí)，刀具耐用度將降低到原來的3%；(2)如果其它切削條件不變．進(jìn)給量提高1倍時(shí)，刀具耐用度將降低到原來的21%；(3)其它切削條件不變時(shí)，背吃刀量提高1倍時(shí)，刀具耐用度僅降低到原來的59％。用YT5硬質(zhì)合金車刀切削σb＝0.63Gpa的碳鋼4.7刀具的破損

破損（非正常磨損）：刀具使用時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)不經(jīng)正常磨損就突然破壞而失效。

刀具破損是刀具主要失效形式之一

刀具破損主要分為脆性破損和塑性破損1)刀具的脆性破損崩刃碎斷剝落裂紋破損2)刀具的塑性破損

刀具塑性破損的概念發(fā)生范圍3)防止刀具破損的措施

合理選擇刀具材料和刀具角度合適的切削用量

采用可轉(zhuǎn)位刀具

提高系統(tǒng)的剛性§5材料切削加工性材料切削加工性:材料被切削加工的難易程度。以切削力或切削溫度衡量加工性以加工表面質(zhì)量衡量加工性以切屑控制或斷屑的難易衡量加工性相對(duì)加工性:工件材料的相對(duì)切削加工性及分級(jí)加工性等級(jí)材料相對(duì)加工性等級(jí)材料名稱及種類相對(duì)加工性Kr代表性材料1很易切削材料一般有色金屬＞3.0銅鋁合金，鋁銅合金，鋁鎂合金2容易切削材料易切削鋼2.5～3退火l5Cr，σb＝0.373～o.441GPa自動(dòng)機(jī)鋼，σb＝0.393～0.491GPa3較易切削鋼1.6～2.5正火30鋼，σb＝0.441～0.549GPa4普通材料一般鋼、鑄鐵1.0～1.645鋼，灰鑄鐵5稍難切削材料0.65～1.02Crl3，調(diào)質(zhì)σb＝0.834GPa85，鋼σb＝0.883GPa6難加工材料較難切削材料0.5～0.6545Cr，調(diào)質(zhì)σb＝1.03GPa65Mn，調(diào)質(zhì)σb＝0.932～0.9817難切削材料0.15～0.550CrV,調(diào)質(zhì)；1Crl8Ni9Ti,鈦合金8很難切削材料＜0.15某些鈦合金，鑄造鎳基高溫合金5.2影響切削加工性的主要因素

工件材料的硬度和強(qiáng)度工件材料的塑性、韌性工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)化學(xué)成分C的影響；合金元素的影響金相組織低碳鋼（鐵素體）；淬火鋼（馬氏體）；不銹鋼（奧氏體）；冷硬鑄鐵（滲碳體）；中碳鋼（珠光體）5.3改善材料切削加工性的途徑

合理選擇材料供應(yīng)狀態(tài)低碳鋼以冷拔狀態(tài)最易切削;中碳鋼以部分球化的珠光體組織最好加工;高碳鋼以完全球化退火狀態(tài)加工性最好；鑄件、氣割件的周邊余量不均勻且有硬皮，加工性就不如冷拔或熱軋毛坯。

進(jìn)行熱處理調(diào)整化學(xué)成分

§6切削用量的選擇切削用量選擇的根本原則

高質(zhì)量、高效率、低成本6.1切削用量的選擇原則

切削用量同生產(chǎn)率的關(guān)系

切削用量同刀具耐用度的關(guān)系P＝1/tmP=Aovfap

質(zhì)量、成本、生產(chǎn)率，ap、f、v乘積最大。

首先選取盡可能大的背吃刀量

其次選取盡可能大的進(jìn)給量

最后確定切削速度6.1切削用量的選擇原則6.2背吃刀量的選定加工時(shí)，一次走刀盡可能切除全部加工余量。

硬皮的鑄鍛件或切削不銹鋼等加工硬化嚴(yán)重的材料時(shí)，應(yīng)盡量使背吃刀量超過硬皮或冷硬層厚度。在下列情況下粗車可能要分幾次走刀；(1)加工余量太大時(shí)，一次走刀會(huì)使切削力太大，會(huì)產(chǎn)生機(jī)床功率不足成刀具強(qiáng)度不夠；(2)工藝系統(tǒng)剛性不足，或加工余量極不均勺，以致引起很大振動(dòng)時(shí)；(3)斷續(xù)切削，刀具會(huì)受到很大沖擊而造成打刀時(shí)。在上述情況下，如需分兩次走刀，也應(yīng)將第一次走刀的背吃刀量盡量取大些，第二次走刀的背吃刀量盡量取小些，以保證精加工刀具有高的刀具耐用度，高的加工精度及較小的加工表面粗糙度。6.3進(jìn)給量的選定粗加工時(shí)，進(jìn)給量的大小主要受機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、刀具的強(qiáng)度與剛性、工件的裝夾剛度等因素的限制。

精加工時(shí)，合理進(jìn)給量的大小則主要受加工精度和表面粗糙度的限制。

6.4切削速度的選定

在ap、f值選定后，根據(jù)合理的刀具耐用度計(jì)算或用查表來選定切削速度。

在生產(chǎn)中選擇切削速度的一般原則1）加工工藝2）工件材料3）工件結(jié)構(gòu)4）刀具材料7.1前角

§7刀具角度的選擇1）前角的功用切削規(guī)律斷屑效果刀具耐用度已加工表面質(zhì)量2）前角的合理選擇工件刀具加工工藝5.1前角

1）前角的功用7.1刀具角度的選擇影響切削規(guī)律γO

刀刃鋒利，切屑變形切削力和切削功率影響斷屑效果γO

刀刃鋒利，切屑變形不易折斷切屑影響刀具耐用度γO

刀刃和刀尖強(qiáng)度，散熱體積刀具壽命刀刃鋒利，切屑變形切削熱和切削力刀具壽命影響已加工表面質(zhì)量γO

刀刃鋒利，鈍圓半徑rn加工硬化抑制積屑瘤，振動(dòng)表面質(zhì)量工件材料塑性材料：為減小切削變形，降低切削力并減少切削熱，應(yīng)取大前角。脆性材料：出現(xiàn)崩碎切屑，為提高切削刃強(qiáng)度應(yīng)取小前角。工件材料硬度，強(qiáng)度較高時(shí)，應(yīng)取小前角，加工特硬材料時(shí)，可取負(fù)前角。刀具材料

刀具材料強(qiáng)度韌性好時(shí)，可取大前角。如高速鋼刀具可比硬質(zhì)合金刀具前角大5°～10°。加工工藝粗加工時(shí)，尤其是加工有硬皮的的鍛件和斷續(xù)切削，為保證切削刃強(qiáng)度，應(yīng)取較小前角。精加工，應(yīng)增加前角提高已加工表面質(zhì)量。7.2后角

1）后角的功用刀具耐用度已加工表面質(zhì)量2）后角的合理選擇工件刀具加工工藝7.2后角

1）后角的功用影響已加工表面質(zhì)量αo

刀刃鋒利已加工表面與后刀面間的摩擦，鈍圓半徑rn表面質(zhì)量，鈍圓半徑rn影響刀具耐用度刀刃和刀尖強(qiáng)度，散熱體積刀具壽命刀具壽命αo

已加工表面與后刀面間的摩擦刀具磨損

加工性質(zhì)

精加工時(shí)，切削厚度較小，磨損主要發(fā)生于后刀面，取大后角減小摩擦、鋒利切削刃，以提高表面質(zhì)量；粗加工時(shí)，切削厚度大，前刀面上月牙洼顯著，應(yīng)取小后角保證切削刃強(qiáng)度；斷續(xù)切削、強(qiáng)力切削時(shí)，為保證切削刃強(qiáng)度也應(yīng)取小后角；2）后角的合理選擇工件材料

加工塑性材料時(shí)，尤其是硬化現(xiàn)象嚴(yán)重的材料，應(yīng)取大后角以減小摩擦，提高表面質(zhì)量。加工脆性材料時(shí)，為增強(qiáng)切削刃，應(yīng)取小后角。加工硬度、強(qiáng)度高的材料時(shí)，應(yīng)取小后角。定尺寸刀具(如圓孔拉刀、鉸刀等)

應(yīng)取小后角以增加重磨次數(shù)，延長刀具使用壽命。

1）主偏角和副偏角的功用切削分力比例關(guān)系刀具耐用度已加工表面質(zhì)量7.3主偏角和副偏角2）主偏角和副偏角的合理選擇工件刀具工藝系統(tǒng)的剛性kr1

k'r1kr2

k'r2影響切削分力比例關(guān)系7.3主偏角和副偏角1）主偏角和副偏角的功用κr徑向力Fp，軸向力Ffκrκr′徑向力Fp可能引起振動(dòng)，并頂彎工件。副后刀面與已加工表面間的摩擦引起振動(dòng)影響刀具耐用度κr和κr′κr

刀刃強(qiáng)度，散熱條件刀具壽命主切削刃長度單位切削刃負(fù)荷刀尖角影響已加工表面質(zhì)量κr′

表面粗糙度殘留面積高度2）主偏角和副偏角的選擇

加工方式粗加工時(shí)，硬質(zhì)合金車刀一般選用較大主偏角，以利于減小振動(dòng)、斷屑和采用較大的背吃刀量。精加工時(shí)，取小副偏角，有利于減小表面粗糙度，甚至可磨出一段K’r=0°的修光刃以消除殘留面積。工件材料

加工硬材料(如淬火鋼和冷硬鑄鐵等)時(shí)，為減少單位切削刃負(fù)荷，改善刀體散熱條件，提高刀具耐用度，應(yīng)采用較小的主偏角。工藝系統(tǒng)的剛性工藝系統(tǒng)剛性較好時(shí)不易產(chǎn)生振動(dòng)的情況下，可減小主、副偏角提高刀具耐用度；反之，則增大主偏角(甚至可取Kr≥90°)以減小徑向力Fp，降低工藝系統(tǒng)的彈性變形及振動(dòng)。1）刃傾角的功用控制切屑流出方向保護(hù)切削刃、刀尖

影響切削力7.4刃傾角

圖刃傾角對(duì)切削刃受力情況的影響

2）刃傾角的合理選擇工件刀具工藝系統(tǒng)的剛性2）刃傾角的選擇粗加工可取λs=0°～－5°以增大刀頭強(qiáng)度，精加工取λs=0°～+5°以免切屑劃傷已加工表面。在有沖擊載荷下，加工淬硬鋼、高強(qiáng)度鋼時(shí)，可取λs=－5°～－15°以保護(hù)切削刃、刀尖，沖擊特別大(如斷續(xù)切削等)時(shí)，可取λs=－20°～－30°。工藝系統(tǒng)剛性不足時(shí)，盡量不采用負(fù)刃傾角，以免引起加工過程中的振動(dòng)及工件變形。

應(yīng)該指出，刀具各角度之間是互相聯(lián)系互相影響的，是一個(gè)有機(jī)的整體。孤立地選擇某一角度并不能得到所希望的合理值。§8

磨削過程及磨削機(jī)理

磨削加工是用高速回轉(zhuǎn)的砂輪或其它磨具以給定的背吃刀量（或稱切削深度），對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。根據(jù)工件被加工表面的形狀和砂輪與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨削分為外圓磨削、內(nèi)圓磨削、平面磨削和無心磨削等幾種主要加工類型。此外，還有對(duì)凸輪、螺紋、齒輪等零件進(jìn)行磨削加工的專用磨床。

二、磨屑形成過程磨屑形成過程可分為以下三個(gè)階段：（1）劃擦階段（2）刻劃階段（3）切削階段一、磨料的形狀特征圖3－41圖3－41磨粒切削過程的三個(gè)階段三、磨削運(yùn)動(dòng)與磨削用量在磨削過程中，磨削速度、工件圓周進(jìn)給速度、軸向進(jìn)給量、徑向進(jìn)給量等，統(tǒng)稱為磨削用量。合理選擇磨削用量對(duì)保證磨削加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率有很大影響。磨削速度vs砂輪的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，磨削速度是指砂輪外圓的線速度。工件圓周進(jìn)給速度vw指工件外圓的線速度。軸向進(jìn)給量fa徑向進(jìn)給量fp指工件轉(zhuǎn)一周沿軸線方向相對(duì)于砂輪移動(dòng)的距離。單位為mm/r；指砂輪相對(duì)于工件在