1、3.1 切削過程中的金屬變形 3.1.1 切削變形的原理 1切削變形的本質(zhì) 金屬切削過程的本質(zhì)是切削層在受到刀具前面的擠壓而產(chǎn)生剪切滑移的塑性變形過程。如圖3.1a所示。 金屬切削加工的切削如圖3.1（b）所示，切削層在刀具的擠壓作用下，首先產(chǎn)生彈性變形，隨著刀具的不斷擠壓切入，金屬內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變不斷增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá) 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律圖3.1 金屬的切削與擠壓到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬便沿AD方向產(chǎn)生滑移，隨著刀具切削的繼續(xù)進(jìn)行，切削層沿AD方向滑移并脫離母體，成為切屑。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律23個(gè)變形區(qū)的分析 通常把切削層分為3個(gè)變形區(qū)，如

2、圖3.2所示。（1）第變形區(qū)。當(dāng)?shù)毒吲c工件接觸，其前面推擠切削層，工件先產(chǎn)生彈性變形，隨著切削的進(jìn)行，擠壓作用加強(qiáng)，其應(yīng)力和應(yīng)變增大，當(dāng)達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，被切削的金屬層開始沿著切應(yīng)力最大的方向滑移，產(chǎn)生塑性變形。此后，當(dāng)材料繼續(xù)受擠壓，則不斷發(fā)生滑移，當(dāng)達(dá)到OM線時(shí)，剪切應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度，擠裂而成為切屑。（2）第變形區(qū)。材料經(jīng)過第變形區(qū)后，切離工件基體，形成切屑流出，其靠近前面的切屑底層仍受到刀具的擠壓和接觸面之間強(qiáng)烈的摩擦作用，繼續(xù)進(jìn)行剪切滑移變第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律形，使切屑底層的晶粒趨向與前面平行而形成纖維狀，其接近前面部分的切屑流動速度較其他部分緩慢得多，甚至滯留在前面上，

3、使切屑產(chǎn)生彎曲。該變形主要由摩擦引起，其特點(diǎn)是摩擦生熱使刀屑接觸面的溫度升高。所以這一變形區(qū)也稱摩擦變形區(qū)。（3）第變形區(qū)。從圖3.2中可以看出，在已加工表面處也形成了顯著的變形層，這是工件已加工表面受到切削刃鈍圓半徑和后刀面的擠壓和摩擦而產(chǎn)生塑性變形引起的，這一部分稱為第變形區(qū)。 從以上分析可知，大部分的塑性變形集中在第變形區(qū)，所以切削變形的大小主要由第變形區(qū)決定。 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律圖3.2 切削過程的3個(gè)變形區(qū)第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律3.1.2 積屑瘤與鱗刺 在某一切削速度范圍內(nèi)，切削鋼、有色金屬等塑性材料時(shí)，常常在刀具切削刃附近的前刀面上粘結(jié)著一塊與工件材質(zhì)相同，但硬

4、度高于工件材料23.5倍的楔塊，其形狀好像在刀具上長了一個(gè)瘤，所以稱為積屑瘤。1積屑瘤的形成及變化規(guī)律 在切削塑性金屬時(shí)，因刀屑之間強(qiáng)烈的摩擦，產(chǎn)生很高的壓力和溫度，前面在不斷磨損使得切屑底層和前面形成新鮮的表面，切屑底層便被冷焊在前面上，在后續(xù)切屑的推動下，切屑底層便與上層發(fā)生剪切滑移破壞分離開，第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律與切屑脫離的切屑底層金屬冷焊并滯留在前面上，在前面上形成了第一層積屑瘤。后續(xù)切屑從其上流過，在原有的切削條件下又發(fā)生新的冷焊，并堆積在第一層積屑瘤上。如此逐層在前刀面上堆積和長大，最后長成積屑瘤。變化規(guī)律：積屑瘤的產(chǎn)生、成長、脫落過程是在短時(shí)期內(nèi)進(jìn)行的，并在切削過程中不

5、斷地周期出現(xiàn)。2積屑瘤對切削過程的影響（1）保護(hù)刀具。如圖3.3所示。（2）增大刀具前角。（3）增大切削厚度。（4）增大已加工表面粗糙度。 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律 圖3.3 積屑瘤對切削過程的影響 精加工時(shí)要避免積屑瘤的產(chǎn)生；在粗加工時(shí)，可利用積屑瘤，但采用硬質(zhì)合金刀具時(shí)，不希望產(chǎn)生積屑瘤 。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律3控制積屑瘤的措施（1）控制切削速度。其是影響積屑瘤的主要因素，所以應(yīng)使用低速或高速切削。以切削中碳鋼為例，低速切削時(shí)，產(chǎn)生的切削溫度低于300，不易形成積屑瘤；高速切削時(shí)，產(chǎn)生的切削溫度超過500，也不易形成積屑瘤。在中速切削時(shí)，產(chǎn)生的切削溫度為300400，是形成

6、積屑瘤的適宜溫度，積屑瘤的高度達(dá)到最大值。（2）增大刀具前角。（3）降低材料的塑性。（4）合理使用切削液。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律4鱗刺 鱗刺是已加工表面上出現(xiàn)的一種鱗片狀有裂口的毛刺。鱗刺經(jīng)過以下4個(gè)階段而形成，如圖3.4所示。（1）抹拭階段。（2）導(dǎo)裂階段。（3）層積階段。（4）切頂階段。 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律圖3.4 鱗刺的形成過程3.1.3 影響切削變形的因素及控制措施1工件材料的影響 工件材料塑性越大，也容易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺。采用熱處理來提高工件材料的硬度，可以減少切削變形。2切削用量的影響 進(jìn)給速度增大，切削變形增大；背吃刀量增大，切削變形減?。磺邢魉俣仍龃?，切削變

7、形呈波浪形變化。所以應(yīng)選擇較小的進(jìn)給速度、較大的背吃刀量和合理的切削速度。3刀具幾何參數(shù)的影響 刀具前角越小，切削變形增加；主偏角越大，切削變形增加。所以應(yīng)選擇較大的前角、較小主偏角。 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律3.2 切削力和切削功率 3.2.1 切削力1切削力的產(chǎn)生 切削力是指切削時(shí)，刀具作用在工件上使工件材料發(fā)生變形，并使多余材料變?yōu)榍行妓枰牧?。切削力的來源有以下兩個(gè)方面。（1）變形抗力。（2）摩擦阻力。 由變形抗力和摩擦阻力形成作用在刀具上的切削合力F，切削合力也稱為總切削力F，如圖3.5所示。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律2切削力的分解 常將合力F分解為3個(gè)互相垂直的分力，如

8、圖3.5所示。（1）主切削力Fc。 Fc是切削合力F在主運(yùn)動方向上的分力。（2）背向力FP。 FP是切削合力F在垂直于進(jìn)給運(yùn)動方向上的分力，縱車外圓時(shí)，F(xiàn)P不消耗機(jī)床功率，但它作用在機(jī)床工藝系統(tǒng)剛性最差的方向上，使工件在水平面內(nèi)彎曲，影響加工精度，并且容易引起振動。（3）進(jìn)給力Ff。 Ff是切削合力F在進(jìn)給運(yùn)動方向上的分力。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律圖3.5 切削合力與分力第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律 3.2.2 切削功率 切削功率是指在切削過程中消耗的總功率，用P表示，因背向力FP不消耗機(jī)床功率，所以它是主切削力Fc與進(jìn)給力Ff消耗的功率之和。由于進(jìn)給力Ff消耗的功率占總消耗功率的1%

9、5%，可忽略不計(jì)，故一般只計(jì)算切削功率Pc： 根據(jù)切削功率Pc，可以計(jì)算機(jī)床主電機(jī)的功率PE：第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律3.2.3 影響切削力的因素及控制措施1工件材料的影響 工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，切削力就越大；工件材料的強(qiáng)度、硬度相近，塑性和韌性越大，切削力也越大；即使同一種材料，由于制造方法和熱處理狀態(tài)不同，硬度就不同，也影響切削力的大小。采用適當(dāng)?shù)拿髦圃旆椒ɑ驅(qū)ぜM(jìn)行熱處理，可以減小切削力。2切削用量的影響 背吃刀量和進(jìn)給量增大，切削力增大。aP增加1倍，切削力增加1倍；f增大1倍，切削力增加7080%。切削塑性金屬時(shí)，切削速度v對切削力的影響是呈波浪形變化第三章 金屬切削過

10、程的基本規(guī)律在切削脆性金屬時(shí)，切削速度對切削力沒有顯著影響。 所以選擇切削用量時(shí)，應(yīng)選擇較大的進(jìn)給速度和切削速度，減小背吃刀量，以便減小切削力。3刀具幾何參數(shù)的影響（1）前角0。前角增大，切削力減小。（2）主偏角r。主偏角r對切削力的影響不大。（3）刃傾角s。刃傾角s對切削力的影響也不大。（4）刀尖圓弧半徑r。刀尖圓弧半徑增大，切削力變大。（5）負(fù)倒棱。在鋒利的刀刃上磨出負(fù)倒棱，從而提高刀具使用壽命，但負(fù)倒棱會使切削變形與切削力有所增大。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律4其他影響因素（1）切削液。以冷卻作用為主的水溶液切削液對切削力影響很??；而潤滑作用強(qiáng)的切削油，能顯著降低切削力。（2）刀具磨損

11、。刀具磨損影響切削力的大小。后刀面磨損后，故切削力增大。（3）刀具材料。刀具材料與工件材料之間的摩擦系數(shù)小，切削力小，反之，切削力則大。 綜上所述，切削力的大小是許多因素共同作用的結(jié)果，要減小切削力，應(yīng)在分析各種因素的基礎(chǔ)上，找出主要因素，并兼顧其他因素間的關(guān)系。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律3.3 切削熱與切削溫度 3.3.1 切削熱1切削熱的產(chǎn)生 切削過程中變形和摩擦所消耗的98%99%的功都轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠帷Ｈ鐖D3.6所示。2切削熱的傳散（1）車削。50%86%由切屑帶走，傳入刀具占10%40%，傳入工件占3%9%，傳入周圍介質(zhì)約占1%。（2）鉆削。約有28%由切屑帶走，傳入刀具占14.5%

12、，傳入工件占52.5%，傳入周圍介質(zhì)約占5%。（3）磨削。約有4%的熱量由切屑帶走，傳入砂輪的熱量占12%，傳入工件的熱量占84%。 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律 3.3.2 切削溫度1切削溫度的概念切削溫度是指切屑與刀具前刀面接觸區(qū)域的平均溫度。2切削溫度的分布規(guī)律 實(shí)際上切屑、工件和刀具上各點(diǎn)的溫度是不相同的。（1）切削塑性金屬。最高溫度區(qū)一般在距離切削刃有一小段距離的地方。切屑上的最高溫度區(qū)在切屑剛離開前刀面的底層處；工件的最高溫度區(qū)在接近刀刃處。（2）切削脆性金屬。最高溫度區(qū)在接近刀刃的后刀面上，其次在接近刀刃的前刀面上。 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律 圖3.6 切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)

13、 圖3.7 切屑、工件和刀具上各點(diǎn)的溫度分布第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律3.3.3 影響切削溫度的因素及控制措施1工件材料的影響 工件材料的硬度和強(qiáng)度越高，切削溫度越高；工件材料的塑性越大，切削溫度越高；工件材料導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度就高；切削灰鑄鐵等脆性材料，切削溫度較低。2切削用量的影響（1）切削速度。切削速度提高，切削溫度將明顯上升。（2）進(jìn)給量f。進(jìn)給量增大，切削溫度上升，但并不顯著（3）背吃刀量ap。背吃刀量增大，切削溫度上升甚微。 因此，應(yīng)優(yōu)先選用大的背吃刀量ap、較小的進(jìn)給量f和低的切削速度vc。 第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律3刀具幾何參數(shù)的影響（1）前角0。前角增大，切削溫度

14、下降。但如果前角過大，刀具的散熱體積減小，切削溫度反而會上升。（2）主偏角r。主偏角減小，切削溫度下降。（3）刀尖圓弧半徑r。r增大，切削溫度下降。4刀具磨損的影響 刀具磨損后，切削溫度上升。5切削液的影響 合理使用切削液，可以減小摩擦，從而減小切削熱。還可以帶走切削區(qū)域的大量切削熱，使切削溫度明顯降低。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律34刀具磨損與刀具壽命3.4.1 刀具磨損形式 刀具磨損的形式分為正常磨損和非正常磨損兩種。刀具的正常磨損是指刀具在切削過程中，由于刀具材料的微粒被切屑或工件帶走，使刀具逐漸磨損的現(xiàn)象。而刀具的非正常磨損是指刀具由于沖擊、振動、熱效應(yīng)等原因而出現(xiàn)崩刃或碎斷的現(xiàn)象。

15、1正常磨損 切削時(shí)，刀具的前后面都會發(fā)生磨損，如圖3.8所示（1）前刀面磨損。切削塑性材料時(shí)，如果用較高的切削速度和較大的切削厚度進(jìn)行切削，刀具后刀面還未出現(xiàn)明第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律顯的磨損痕跡，卻在前刀面上距切削刃一定距離處會磨出一個(gè)月牙洼，如圖3.8（a）所示。（2）后刀面磨損。用較低的切削速度和較小的切削厚度切削塑性金屬材料，或切削脆性金屬時(shí)，刀具的磨損主要發(fā)生在后刀面，。后刀面磨損往往是不均勻的，如圖3.8（b）所示，在刀尖部位磨損較大；在刀刃靠近工件表面處，磨損也較大；只有在后刀面中間區(qū)域，磨損比較均勻。其平均磨損寬度以VB表示。（3）前、后刀面同時(shí)磨損。當(dāng)切削塑性金屬材料時(shí)

16、，若采用中等切削速度和中等切削厚度，則經(jīng)常會發(fā)生前、后刀面同時(shí)磨損的磨損形式，如圖3.8（c）所示。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律2非正常磨損（1）卷刃。是指刃口受擠壓后發(fā)生的塑性變形，一般發(fā)生在高速鋼刀具上。（2）崩刃。是指刀刃的脆性破裂。（3）打刀。是指刀片較大塊的破碎。（4）裂紋。是指刀具受到周期性沖擊或熱應(yīng)力作用，使刀齒出現(xiàn)裂紋而破損。3.4.2 刀具磨損原因1磨粒磨損 磨粒磨損是低速切削刀具產(chǎn)生磨損的主要原因。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律圖3.8 刀具磨損形式第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律2氧化磨損 氧化磨損經(jīng)常發(fā)生在主、副切削刃的工作邊界處，因?yàn)榭諝馔ǔ２灰走M(jìn)入到刀具與工件的切削

17、接觸區(qū)域。3擴(kuò)散磨損 擴(kuò)散磨損是硬質(zhì)合金刀具發(fā)生急劇磨損的主要原因。4粘接磨損 在中等偏低的切削速度下它是刀具磨損的主要形式。5相變磨損 相變磨損是高速鋼刀具發(fā)生急劇磨損的主要原因。3.4.3 刀具磨損過程與磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1刀具磨損過程 如圖3.9所示，為刀具后面磨損過程曲線，刀具磨損過程可分為3個(gè)階段。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律（1）初期磨損階段（AB段）。在刀具開始切削的短時(shí)間內(nèi)，磨損較快。一般初期磨損量為0.050.1mm。（2）正常磨損階段（BC段）。經(jīng)過初期磨損后，刀具磨損變慢，隨著切削時(shí)間增加，磨損量以較均勻的速度增加（3）急劇磨損階段（CD段）。刀具經(jīng)過正常磨損階段，磨損速度急劇增

18、加，以致刀具損壞而失去切削能力。2刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 刀具磨損到一定限度就不能再繼續(xù)使用，因此對刀具規(guī)定了一個(gè)允許磨損量的最大值，這個(gè)值稱為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)或磨損限度。 刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定在刀具的后刀面上，以后刀面第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律圖3.9 刀具磨損過程第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律磨損帶中間部分（B區(qū)）磨損量的平均值VB表示。制定刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)既要考慮充分發(fā)揮刀具的切削能力，又要考慮保證零件的加工質(zhì)量。表3.1所示為國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。 粗加工應(yīng)取大值，工件剛性較好或加工大件時(shí)應(yīng)取大值，反之則應(yīng)取小值。 自動化生產(chǎn)中的精加工刀具，常以沿工件徑向的刀具磨損量

19、作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，稱為刀具徑向磨損量NB值 工件材料與加工條件不同，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB值也不同。（1）經(jīng)濟(jì)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。是根據(jù)能使刀具切削時(shí)間與可磨或可用次數(shù)的乘積最長為原則所制定的磨損限度。第三章 金屬切削過程的基本規(guī)律（2）工藝磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。工藝磨鈍標(biāo)準(zhǔn)是在保證零件加工精度和表面粗糙度的條件下所制定的磨損限度。當(dāng)工件已加工表面的表面粗糙度開始不符合技術(shù)要求時(shí)，刀具后面的磨損尺寸就是工藝的磨損限度。3.4.4 刀具耐用度1刀具耐用度 刀具耐用度是指一把新刃磨的刀具，從開始切削至磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止所使用的切削時(shí)間，用T表示。還可以用達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)前所加工出的零件數(shù)量或切削路程長度來表示。生產(chǎn)中廣泛采用刀具耐用度。 常用車刀的耐