1、 第第3 3章章 金屬切削過程與控制金屬切削過程與控制3.1.1 切屑形成過程切屑形成過程 以塑性材料的切屑以塑性材料的切屑形成為例，金屬切削區(qū)形成為例，金屬切削區(qū)可大致劃分為：可大致劃分為： 三個變形區(qū)三個變形區(qū) 第一變形區(qū)第一變形區(qū) 第二變形區(qū)第二變形區(qū) 第三變形區(qū)第三變形區(qū) 3.1 金屬切削過程與切屑類型金屬切削過程與切屑類型（1）第一變形區(qū)）第一變形區(qū)OA始滑移線始滑移線OM終滑移線終滑移線變形的主要特征：變形的主要特征： 剪切滑移變形剪切滑移變形 加工硬化加工硬化一般速度范圍內(nèi)一區(qū)一般速度范圍內(nèi)一區(qū)寬度為寬度為0.020.2mm，速度越高，寬度越小，速度越高，寬度越小，可看作一個可看

2、作一個剪切平面剪切平面（剪切滑移區(qū)）（剪切滑移區(qū)）（2）第二變形區(qū)）第二變形區(qū)（3）第三變形區(qū)第三變形區(qū) 切屑沿前刀面排出時進一步受到前刀面的擠壓和摩切屑沿前刀面排出時進一步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面的金屬纖維化，基本與前刀面平行。擦，使靠近前刀面的金屬纖維化，基本與前刀面平行。（擠壓摩擦區(qū)）（擠壓摩擦區(qū)） 已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化和加工硬化。摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化和加工硬化。刃前區(qū)：刃前區(qū)：三個變形區(qū)匯集在切削刃附近，此處的應(yīng)力集三個變形區(qū)匯集在切削刃附近，此處的應(yīng)力集 中而復(fù)

3、雜，被切削層在此與工件本體材料分離中而復(fù)雜，被切削層在此與工件本體材料分離（擠壓摩擦回彈區(qū)）（擠壓摩擦回彈區(qū)）1. 剪切角剪切角 ：剪切面與切削速度方向之間的夾角。剪切面與切削速度方向之間的夾角。 2. 相對滑移相對滑移：滑移距離滑移距離s與單元厚度與單元厚度y之比。之比。 =s/ y =NP/MK =(NK+KP)/MK = cot + tan( -0）變形系數(shù)變形系數(shù)h ：切屑厚度與切削層厚度的比值。切屑厚度與切削層厚度的比值。 hcos ( -0）/ sin 一般一般 /4 00 ， h 3.1.2 變形程度的表示方法變形程度的表示方法圖圖3-3 剪切變形示意圖剪切變形示意圖3.1.3

4、刀刀-屑接觸區(qū)的變形與摩擦屑接觸區(qū)的變形與摩擦滯流層：滯流層：接近前刀面的切屑接近前刀面的切屑底層晶粒拉長，形成與前刀底層晶粒拉長，形成與前刀面平行的纖維層，流速很慢，面平行的纖維層，流速很慢，變形程度非常劇烈。變形程度非常劇烈。切塑性金屬時前刀面上應(yīng)力切塑性金屬時前刀面上應(yīng)力分布情況分布情況刀刀-屑接觸區(qū)可分兩部分：屑接觸區(qū)可分兩部分：粘接區(qū)粘接區(qū)lf1: 剪切滑移，內(nèi)摩擦剪切滑移，內(nèi)摩擦滑動區(qū)滑動區(qū)lf2: 滑動摩擦，外摩擦滑動摩擦，外摩擦一般內(nèi)摩擦力約占總摩擦力的一般內(nèi)摩擦力約占總摩擦力的85%積屑瘤積屑瘤在速度不高切削塑性金屬形成在速度不高切削塑性金屬形成帶狀切屑的情況下，滯流層金帶狀

5、切屑的情況下，滯流層金屬粘接在前刀面上，形成硬度屬粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬塊，稱為很高的硬塊，稱為積屑瘤。積屑瘤。積屑瘤對切削過程的影響：積屑瘤對切削過程的影響：（1）代替刀具切削，保護刀具）代替刀具切削，保護刀具（2）增大前角，減小變形和力）增大前角，減小變形和力（3） 產(chǎn)生過切及犁溝，產(chǎn)生過切及犁溝，精度精度（4） 增大已加工表面粗糙度增大已加工表面粗糙度積屑瘤對精加工是不利的，應(yīng)避免它產(chǎn)生：積屑瘤對精加工是不利的，應(yīng)避免它產(chǎn)生：降低工材塑性；降低工材塑性；合理選切削速度；增大前角；減小進給量；采用潤滑液等合理選切削速度；增大前角；減小進給量；采用潤滑液等3.1.4 刀刀-工接觸區(qū)

6、的變形與加工質(zhì)量工接觸區(qū)的變形與加工質(zhì)量刀刃鈍圓半徑刀刃鈍圓半徑 rn后刀面磨損帶后刀面磨損帶VB彈性恢復(fù)區(qū)彈性恢復(fù)區(qū)CD變形特征：變形特征：擠壓、摩擦與回彈擠壓、摩擦與回彈 金屬進入第一變形區(qū)金屬進入第一變形區(qū)時，晶粒因壓縮而變長，時，晶粒因壓縮而變長，因剪切滑移而傾斜。因剪切滑移而傾斜。 金屬層接近刀刃時，金屬層接近刀刃時，晶粒更為伸長，成為包晶粒更為伸長，成為包圍在刀刃周圍的纖維層，圍在刀刃周圍的纖維層，最后在最后在O點斷裂。點斷裂。 已加工表面的金屬纖維被拉伸的又細又長，纖維方向平行于已加工表面的金屬纖維被拉伸的又細又長，纖維方向平行于已加工表面，金屬晶粒被破壞，發(fā)生了劇烈的塑性變形，

7、產(chǎn)生已加工表面，金屬晶粒被破壞，發(fā)生了劇烈的塑性變形，產(chǎn)生加工硬化，表面殘余應(yīng)力加工硬化，表面殘余應(yīng)力，稱之為，稱之為加工變質(zhì)層加工變質(zhì)層。3.1.5 切屑的類型及控制切屑的類型及控制從變形觀點出發(fā)，可將切屑歸納為四種形態(tài)：從變形觀點出發(fā)，可將切屑歸納為四種形態(tài)：切塑性材料切塑性材料 帶狀切屑帶狀切屑 擠裂切屑擠裂切屑 單元切屑單元切屑切削平穩(wěn)，力波動小切削平穩(wěn)，力波動小 滑移量較大，局部滑移量較大，局部 切削不平穩(wěn)，力波動大切削不平穩(wěn)，力波動大加工面光潔，斷屑難加工面光潔，斷屑難 剪應(yīng)力達斷裂強度剪應(yīng)力達斷裂強度 加工表面粗糙加工表面粗糙 少見少見0vac0 v ac0 v ac0vac切脆

8、性材料切脆性材料不平穩(wěn)不平穩(wěn),表面粗糙表面粗糙 應(yīng)應(yīng)0vac 3.2 3.2 切削力切削力切削力的來源：切削力的來源： 被切削材料的彈性、塑性變形抗力被切削材料的彈性、塑性變形抗力 刀具與切屑、工件表面之間的摩擦力刀具與切屑、工件表面之間的摩擦力 將切削合力將切削合力F分解為三個互相垂直的分力分解為三個互相垂直的分力Fc 、Ff 、Fp Fc 主切削力，主切削力，與切削速度方向一致與切削速度方向一致 Ff 進給力，進給力，與進給方向平行，車外圓時稱為軸向力與進給方向平行，車外圓時稱為軸向力 Fp 背向力背向力(切深抗力切深抗力)，與進給方向垂直，又稱徑向力，與進給方向垂直，又稱徑向力2 2p

9、p2 2f f2 2c cF FF FF FF F3.2.1 切削力的分解切削力的分解切切 削削 力力3.2.2 切削力與切削功率的計算切削力與切削功率的計算1. 用指數(shù)經(jīng)驗公式計算切削力用指數(shù)經(jīng)驗公式計算切削力 2. 用單位切削力計算切削力用單位切削力計算切削力 單位切削力單位切削力 kc=Fc/Ac= Fc/(ap f) = Fc/(ac aw) 可查手冊可查手冊 Fc= kc Ac KFc KFc為切削條件修正系數(shù)為切削條件修正系數(shù)式中式中KFc、 KFf、 KFp為切削條件修正系數(shù)，為切削條件修正系數(shù)，xFc、 yFc、 zFc等為指等為指數(shù)，均可在切削用量數(shù)，均可在切削用量手冊中查到

10、。手冊中查到。3. 計算切削功率計算切削功率（1）切削功率）切削功率 Pe Pe Pc Pf Fc v + Ff nwf 10-3 Fc v （W）式中式中Fc、 Ff 為切削力、為切削力、 進給力（進給力（N N）；）； v 為切削速度為切削速度（m/s）；）； nw為工件轉(zhuǎn)速為工件轉(zhuǎn)速（r/s）；）； f 為進給量（為進給量（mm/r）（2）電動機功率）電動機功率 Pm PmPc/m m 為機床傳動效率為機床傳動效率3.2.3 影響切削力的主要因素影響切削力的主要因素 1. 工件材料的影響工件材料的影響（系數(shù)（系數(shù)C CF F 或單位切削力或單位切削力k kc c體現(xiàn)）體現(xiàn)） 工件材料的強

11、度、硬度、塑性和韌性越大，切削力越大。工件材料的強度、硬度、塑性和韌性越大，切削力越大。 2. 切削用量的影響切削用量的影響 apAc成正比成正比， kc不變，不變， ap的的 指數(shù)約等于指數(shù)約等于1，因而，因而 切削力成正比增加切削力成正比增加 fAc成正比成正比，但，但 kc略減小，略減小， f 的的 指數(shù)小于指數(shù)小于1，因而，因而 切削力增加但與切削力增加但與f 不成正比不成正比速度速度v 對對F 的影響分為有積屑瘤和無積屑瘤兩種情況的影響分為有積屑瘤和無積屑瘤兩種情況1）在積屑瘤增長階段）在積屑瘤增長階段 隨隨v 積屑瘤高度積屑瘤高度 變形程度變形程度，F(xiàn) 2）在積屑瘤減小階段）在積屑

12、瘤減小階段 v 變形程度變形程度，F(xiàn) 3） 在無積屑瘤階段在無積屑瘤階段 隨隨v ，溫度升高，摩擦溫度升高，摩擦 系數(shù)系數(shù)變形程度變形程度 F 計算計算F 時乘以修正系數(shù)時乘以修正系數(shù)Kv 或指數(shù)或指數(shù)zF約為約為-0.15來體現(xiàn)來體現(xiàn) 3. 刀具幾何參數(shù)的影響刀具幾何參數(shù)的影響 （1 1）前角）前角0 0 的影響的影響 加工塑性材料時，加工塑性材料時，0 0 變形程度變形程度F FFc加工脆性材料時，切削變形很小，加工脆性材料時，切削變形很小， 0 0對對 F F 影響不顯著影響不顯著0 0 3030或高速切削時，或高速切削時， 0 0對對 F F 影響不顯著影響不顯著（2 2）主偏角）主偏

13、角r r的影響的影響 1 1）r r對對F Fc c影響較小，影響較小， 影響程度不超過影響程度不超過10%10% r r在在60607575之之 間時，間時，F(xiàn) Fc c最小。最小。 2）r r對對F Fp p、 F Ff f影響較大影響較大 F Fp p F FD D coscosr r F Ff f F FD D sinsinr r F Fp p隨隨r r 增大而減小，增大而減小， F Ff f隨隨r r 增大而增大增大而增大（3 3）刃傾角）刃傾角s s的影響的影響 1 1）s s對對F Fc c影響很小影響很小 2） s s對對F Fp p、 F Ff f影響較大影響較大 F Fp

14、p隨隨s s增大而減小，增大而減小， F Ff f隨隨s s增大而增大增大而增大（4 4）負倒棱）負倒棱b b11的影響的影響b b1 1 與與f f 之比增大之比增大, ,切削力隨之增大。切削力隨之增大。當(dāng)切鋼當(dāng)切鋼b b11/ /f f 55或或切鑄鐵切鑄鐵b b11/ /f f 33時，時，切削力趨于穩(wěn)定，接切削力趨于穩(wěn)定，接近于負前角的狀態(tài)。近于負前角的狀態(tài)。（5 5）刀尖圓弧半徑）刀尖圓弧半徑r r的影響的影響 1 1）r r對對F Fc c影響很小影響很小 2 2）F Fp p隨隨 r r增大而增大增大而增大 F Ff f隨隨 r r增大而減小增大而減小r r增大相當(dāng)于增大相當(dāng)于r

15、 r減小的影響減小的影響 6. 刀具材料的影響刀具材料的影響 按立方氮化硼、陶瓷、涂層、硬質(zhì)合金、高速鋼順序，按立方氮化硼、陶瓷、涂層、硬質(zhì)合金、高速鋼順序， 切削力依次增大。切削力依次增大。 5. 切削液的影響切削液的影響 切削液潤滑作用越好，力減切削液潤滑作用越好，力減 小越顯著，低速時更突出。小越顯著，低速時更突出。 4. 刀具磨損的影響刀具磨損的影響 后刀面平均磨損帶寬度后刀面平均磨損帶寬度VB 越大，摩擦越強烈，切削力越大，摩擦越強烈，切削力 也越大。也越大。 VB對背向力對背向力Fp影響最顯著影響最顯著 3.3 3.3 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度3.3.1 切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)

16、切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo) 切削熱產(chǎn)生切削熱產(chǎn)生于三個變形區(qū)，于三個變形區(qū)， 切削過程中消耗的能量約切削過程中消耗的能量約 98%轉(zhuǎn)換為熱能，切削熱轉(zhuǎn)換為熱能，切削熱 qPcFcv =Cfcapf 0.75v -0.15KFcv = Cfcapf 0.75v0.85KFc切削熱切削熱通過切屑、工件、通過切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)向外刀具和周圍介質(zhì)向外傳出傳出3.3.2 切削溫度的分布切削溫度的分布紅外膠片法測得切鋼料的溫度場，紅外膠片法測得切鋼料的溫度場，分析歸納切削溫度分布規(guī)律：分析歸納切削溫度分布規(guī)律：1）剪切區(qū)等溫線與滑移線相近）剪切區(qū)等溫線與滑移線相近 OM線溫度比線溫度比OA線上溫度高線上溫

17、度高 剪切滑移相等的地方溫度相等，剪切滑移相等的地方溫度相等， 剪切變形是切削熱的第一來源剪切變形是切削熱的第一來源2）前后刀面最高溫度點不在刀刃上）前后刀面最高溫度點不在刀刃上 切屑上最高溫度比剪切區(qū)溫度高切屑上最高溫度比剪切區(qū)溫度高 切屑底層溫度比上層溫度高切屑底層溫度比上層溫度高 摩擦是切削熱的又一來源摩擦是切削熱的又一來源3.3.3 影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素切削溫度切削溫度 一般指前刀面與切屑接觸區(qū)內(nèi)的平均溫度一般指前刀面與切屑接觸區(qū)內(nèi)的平均溫度兩個方面：兩個方面：切削熱的產(chǎn)生與傳出切削熱的產(chǎn)生與傳出1. 切削用量的影響切削用量的影響由實驗得出切削溫度經(jīng)驗公式如下由

18、實驗得出切削溫度經(jīng)驗公式如下 C v z f y ap x式中系數(shù)及指數(shù)見表式中系數(shù)及指數(shù)見表3-2,由表中數(shù)據(jù)看出：由表中數(shù)據(jù)看出： z z在在0.30.5之間，之間，y在在0.150.3，x在在0.050.1切削用量切削用量時切削溫度時切削溫度 ，其中，其中v 對對影響最大，進影響最大，進給量給量 f 的影響比的影響比v 小，背吃刀量小，背吃刀量ap的影響很小。的影響很小。2. 刀具幾何參數(shù)的影響刀具幾何參數(shù)的影響 （1 1）前角）前角0 0 的影響的影響 0 0 變形程度變形程度F F q 但但0 0 2020時，因散熱面積時，因散熱面積，對，對的影響減小的影響減?。? 2）主偏角）主偏

19、角r r的影響的影響 r r ，切削寬度，切削寬度aw w ，散熱面積散熱面積 （3 3）負倒棱和刀尖圓弧半徑的影響）負倒棱和刀尖圓弧半徑的影響b b1 1 、r r，切屑變形程度切屑變形程度q 同時散熱條件改善，兩者趨于平衡同時散熱條件改善，兩者趨于平衡對對影響很小影響很小 3. 工件材料的影響工件材料的影響 強度硬度、塑性和韌性越大，強度硬度、塑性和韌性越大， 切削力越大，切削溫度升高。切削力越大，切削溫度升高。 導(dǎo)熱率大，散熱快，溫度下降導(dǎo)熱率大，散熱快，溫度下降 4. 刀具磨損的影響刀具磨損的影響 后刀面磨損增大，切削溫度升后刀面磨損增大，切削溫度升 高高; VB達一定值影響加劇達一定

20、值影響加劇; v越越 高刀磨損對高刀磨損對影響越顯著影響越顯著 5. 切削液的影響切削液的影響 澆切削液對澆切削液對切削溫度切削溫度刀具磨損刀具磨損加工質(zhì)量有明顯效果。加工質(zhì)量有明顯效果。 熱導(dǎo)率比熱容和流量越大，本身溫度越低冷卻效果越顯著熱導(dǎo)率比熱容和流量越大，本身溫度越低冷卻效果越顯著 3.4 3.4 刀具磨損、破損及使用壽命刀具磨損、破損及使用壽命刀具失效形式：刀具失效形式：磨損磨損 （正常工作時逐漸產(chǎn)生的損耗）（正常工作時逐漸產(chǎn)生的損耗） 破損破損 （突發(fā)的破壞，隨機的）（突發(fā)的破壞，隨機的）3.4.1 刀具的磨損形式刀具的磨損形式 1. 前刀面磨損前刀面磨損 切塑性材料，切塑性材料，

21、v 和和ac較大時，較大時， 在前刀面上形成在前刀面上形成月牙洼磨損，月牙洼磨損， 以最大深度以最大深度KT 表示表示 2. 后刀面磨損后刀面磨損 切鑄鐵或切鑄鐵或v 和和ac較小切塑性較小切塑性 材料時，主要發(fā)生這種磨損。材料時，主要發(fā)生這種磨損。后刀面磨損帶不均勻，刀尖部分磨損嚴重，最大值為后刀面磨損帶不均勻，刀尖部分磨損嚴重，最大值為VC；中間部位磨損較均勻，平均磨損寬度以中間部位磨損較均勻，平均磨損寬度以VB表示；邊界處表示；邊界處磨損嚴重，以磨損嚴重，以VN表示。表示。 3. 邊界磨損邊界磨損 切鋼料時，主刃、副刃與工件待加工表面或已加工表面接切鋼料時，主刃、副刃與工件待加工表面或已

22、加工表面接 觸處磨出溝紋，稱為邊界磨損。邊界處的加工硬化層、硬觸處磨出溝紋，稱為邊界磨損。邊界處的加工硬化層、硬 質(zhì)點、較大的應(yīng)力梯度和溫度梯度所造成。質(zhì)點、較大的應(yīng)力梯度和溫度梯度所造成。3.4.2 刀具磨損的原因刀具磨損的原因 1. 磨料磨損磨料磨損 切屑或工件表面上的硬質(zhì)點（碳化物、氧化物等）對切屑或工件表面上的硬質(zhì)點（碳化物、氧化物等）對 刀具表面刻劃作用造成的機械磨損。刀具表面刻劃作用造成的機械磨損。 低速切削時，磨料磨損是刀具磨損的主要原因低速切削時，磨料磨損是刀具磨損的主要原因(HSS刀刀)。 2. 粘結(jié)磨損粘結(jié)磨損 刀具與切屑、工件間存在高溫高壓和強烈摩擦，達到原刀具與切屑、工

23、件間存在高溫高壓和強烈摩擦，達到原 子間結(jié)合而產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，又稱為子間結(jié)合而產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，又稱為冷焊冷焊。相對運動使粘。相對運動使粘 接點破裂而被工件材料帶走，造成粘結(jié)磨損。接點破裂而被工件材料帶走，造成粘結(jié)磨損。 中速切削形成不穩(wěn)定積屑瘤時，磨損嚴重；刀工材料硬中速切削形成不穩(wěn)定積屑瘤時，磨損嚴重；刀工材料硬 度比小親合力大時磨損嚴重；刀具刃磨質(zhì)量差磨損嚴重。度比小親合力大時磨損嚴重；刀具刃磨質(zhì)量差磨損嚴重。 3. 擴散磨損擴散磨損 刀具與切屑、工件接觸處由于高溫作用，雙方化學(xué)元素刀具與切屑、工件接觸處由于高溫作用，雙方化學(xué)元素 在固態(tài)下互相擴散，使刀材成分、結(jié)構(gòu)改變造成磨損。在固態(tài)下互相擴

24、散，使刀材成分、結(jié)構(gòu)改變造成磨損。 切削溫度越高擴散越快；刀工材料親合力越大擴散越快；切削溫度越高擴散越快；刀工材料親合力越大擴散越快； 高速切削時擴散磨損是刀具磨損的主要原因。高速切削時擴散磨損是刀具磨損的主要原因。 4. 化學(xué)磨損化學(xué)磨損 一定溫度下，刀材與空氣中的氧、切削液中的硫、氯起一定溫度下，刀材與空氣中的氧、切削液中的硫、氯起 化學(xué)作用，生成較軟的化合物，造成刀具磨損?；瘜W(xué)作用，生成較軟的化合物，造成刀具磨損。 化學(xué)磨損是邊界磨損原因之一；主要發(fā)生在較高速切削化學(xué)磨損是邊界磨損原因之一；主要發(fā)生在較高速切削 條件下。條件下。 5. 熱電磨損熱電磨損 切削區(qū)高溫，在刀工間產(chǎn)生熱電勢加

25、快擴散加劇刀具磨損。切削區(qū)高溫，在刀工間產(chǎn)生熱電勢加快擴散加劇刀具磨損。 3.4.3 刀具磨損過程及磨鈍標準刀具磨損過程及磨鈍標準 1. 刀具磨損過程刀具磨損過程 （1 1）初期磨損階段）初期磨損階段 與刀具刃磨質(zhì)量有關(guān)與刀具刃磨質(zhì)量有關(guān) （2）正常磨損階段正常磨損階段 VBVB與切削時間近似正比與切削時間近似正比 斜率表示磨損強度斜率表示磨損強度 （3）急劇磨損階段急劇磨損階段 切削力、溫度急升，刀切削力、溫度急升，刀 具磨損加劇，之前換刀具磨損加劇，之前換刀2. 刀具磨損標準刀具磨損標準 刀具磨損到一定限度后就不能繼續(xù)使用，這個磨損限度刀具磨損到一定限度后就不能繼續(xù)使用，這個磨損限度 稱為磨鈍標準。稱為磨鈍標準。 1）小廠、有經(jīng)驗工人根據(jù)一些現(xiàn)象來判斷刀具是否磨鈍；）小廠、有經(jīng)驗工人根據(jù)一些現(xiàn)象來判斷刀具是否磨鈍； 2）ISO標準規(guī)定以標準規(guī)定以1/2 ap處的處的VB值作為刀具的磨鈍標準；值作為刀具的磨鈍標準； 在不同的加工條件下，磨鈍標準的具體數(shù)值是不同的。在不同的加工條件下，磨鈍標準的具體數(shù)值是不同的。 粗車碳素鋼粗車碳素鋼0.60.8 粗車鑄鐵粗車鑄鐵0.81.2 粗車合金鋼粗車合金鋼0.40.5 精車碳鋼精車碳鋼0.10.3 系統(tǒng)剛性大、系統(tǒng)剛性大、HSS ， VB值較大；值較大； 系統(tǒng)剛性小、系統(tǒng)剛性小、Y合金，合金，VB值較