第1章切削加工基礎(chǔ)知識機械制造技術(shù)基礎(chǔ)一切削過程及其控制1.3切削加工概述1.2零件的成型方法1.1目錄1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形1.切削過程任何刀具對被切材料的作用都包含兩個方面：一是刀刃的作用，一是刀面的作用。刀刃依靠它與被切物體接觸部位產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使被切物體分離，刀面則同時撐擠被切物。這是一般刀具作用的普遍規(guī)律。雖然刀具切削金屬與日常所用的刀具切削其它材料作用方式相同，但是金屬的強度、硬度高，為了保證刃口有足夠的強度，金屬切削刀具前、后刀面之間的夾角（楔角）應(yīng)該比較大。另外，為了減少刀具和被切工件材料之間的摩擦，金屬切削刀具只用前刀面推擠金屬材料。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形2.切削變形當(dāng)S點移動到1的位置時，由于OA面上剪切應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，1點在向前移動的同時，也沿OA面移動，其合成運動將使點1流動到點2，2ˊ2就是它沿滑移面的滑移量。之后按同理繼續(xù)滑移到3、4、5處。從始滑移面OA開始，由于金屬塑性變形的緣故，OB至OE滑移面上的剪切應(yīng)力將依次升高，OE達(dá)到最大值，此時剪切應(yīng)力達(dá)到材料的強度極限，被切金屬層與工件基體分離，從而形成切屑沿前刀面流出，OE稱為終滑移面。點5之后S點的金屬沿與前刀面平行方向繼續(xù)流動。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形2.切削變形

OA滑移面的左側(cè)金屬處于彈性變形狀態(tài)，OE右側(cè)的切削層金屬變成切屑流走，OA和OE所包圍的區(qū)域，稱為基本變形區(qū)或第I變形區(qū)。 在一般切削速度范圍內(nèi)，第一變形區(qū)的寬度僅為0.02~0.2mm，因此可以把看成一個剪切面OM，如圖1-19所示。剪切面OM與切削速度方向的夾角稱作剪切角，以?表示。第I變形區(qū)是切削過程中力現(xiàn)象和熱現(xiàn)象的主要根源，機床提供的大部分能量主要消耗在這個區(qū)域。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形2.切削變形變形系數(shù)ξ。ξ可以直觀地反映了切屑的變形程度，ξ越大，切削過程中金屬變形越嚴(yán)重。ξ值可較容易通過實驗測得。相對滑移系數(shù)?。既然切削過程中金屬變形的主要形式是剪切滑移，當(dāng)然就可以用相對滑移系數(shù)（剪應(yīng)變）?來衡量切削過程的變形程度。金屬切削中的相對滑移系數(shù)定義為切削層金屬沿剪切面的滑移量Δs與切削厚度Δy的比值?，直接反映變形大小?，。如圖1-20，平行四邊形OHNM發(fā)生剪切變形后，變?yōu)槠叫兴倪呅蜲GPM，則其相對滑移系數(shù)?：

?=cot?+tan（?-γ0）相對滑移系數(shù)?越大，則切削變形越嚴(yán)重。剪切角?。剪切角與切削變形有密切關(guān)系，也可以用剪切角?來衡量切削變形的程度。它和變形系數(shù)ξ之間的關(guān)系為：ξ=ac/a=(OMcos（?-γ_0）)/(OMsin?)=(cos（?-γ_0）)/(sin?）變形系數(shù)ξ和剪切角?是從不同的角度描述切削變形的大小。剪切角?越大，切削變形越小1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形3.影響切削變形的因素工件材料。工件材料的性能決定了工件材料的變形能力。一般材料的強度越低、塑性越大，加工時切削層金屬的變形就越大。另外，選擇合適成分的材料和改善材料的組織狀態(tài)，能夠從根本上控制變形的程度，例如，在鋼中加入S、Pb等元素制成易切鋼，加工時容易斷屑。刀具角度。刀具的結(jié)構(gòu)對切削變形有直接的影響。例如，較大的前角有利于減少切削層金屬的變形，鋒利的刃口和較大的后角有利于減少已加工表面的變形程度，從而改善表面質(zhì)量。切削用量。調(diào)整切削用量是控制切削變形的重要手段。例如，精加工時常采用高速或低速切削，就是為了控制切屑底層金屬的摩擦變形程度，避免積屑瘤的形成；選用進(jìn)給量時，之所以要考慮背吃刀量，并配合一定的卷斜槽，就是為了控制變形程度，以獲得滿意的斷屑效果。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形4.切屑類型及其控制1）帶狀切屑。底面光滑，頂面呈毛茸狀，如用顯微鏡觀察，在外表面上也可看到剪切面的條紋，但每個單元很薄，肉眼看來大體上是平整的。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形4.切屑類型及其控制2）擠裂切屑。這類切屑與帶狀切屑不同之處在于外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時有裂紋。3）單元切屑。如果在擠裂切屑的剪切面上，裂紋擴展到整個面上，則整個單元被切離，成為梯形的單元切屑。4）崩碎切屑。切削灰口鑄鐵、鑄造黃銅等脆性材料時，由于材料的塑性很小，切削層在刀具的作用下產(chǎn)生彈性變形，剪切應(yīng)力很快達(dá)到強度極限，使切屑往往不產(chǎn)生塑性變形而瞬間發(fā)生崩裂，形成崩碎切屑。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形4.切屑類型及其控制加工現(xiàn)場獲得的切屑，其形狀是多種多樣的。從切屑控制的角度出發(fā)，國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T16461-2016）制定了切屑分類標(biāo)準(zhǔn)（此標(biāo)準(zhǔn)源于IS0O3685-1993)1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形5.切削過程中的積屑瘤現(xiàn)象在一定條件下切削塑性材料時，由于切屑底層金屬和刀具前刀面之間的擠壓和摩擦，會產(chǎn)生切屑底層金屬的“滯留現(xiàn)象”，當(dāng)前刀面與切屑底層金屬的摩擦力超過切屑材料分子之間的結(jié)合力時，滯留層的部分金屬就會“撕離”切屑，粘附到刀具的前刀面上靠近刀刃處，逐漸累積便會形成一塊很硬的楔狀金屬瘤，通常稱為積屑瘤，也叫刀瘤。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.1 切削變形6.已加工表面的加工硬化在切削塑性材料時，往往會發(fā)現(xiàn)工件已加工表面金屬的硬度比工件加工前表面的硬度有明顯地提高，而塑性降低，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。一般硬化層的硬度可達(dá)工件基體材料硬度的1.2～2倍，深度可達(dá)0.01～0.05mm。切削加工中所造成的加工硬化層還常常伴隨著殘余應(yīng)力和表面裂紋，使材料的疲勞強度下降，并且造成下道工序加工困難，還會引起零件的變形。因此，切削加工時應(yīng)設(shè)法避免或減輕加工硬化現(xiàn)象，如增大刀具前角、減小刃口圓弧半徑、限制后刀面磨損以及采用合適的切削液等。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.2 切削力1.切削力的來源和分解切削力（或切向力）Fz。它消耗的功率最多，約占消耗機床功率的95%以上。進(jìn)給力（或軸向力）Fx。又稱軸向力。進(jìn)給力一般只消耗機床功率的1～5%，它是設(shè)計和校核進(jìn)給傳動系統(tǒng)零件強度和剛度的依據(jù)。背向力（或切深抗力）Fy。背向力是總切削力在基面內(nèi)與進(jìn)給運動方向相垂直方向的分力，又稱為徑向力。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.2 切削力2.切削功率切削功率Pc是指在切削過程中消耗的功率，它是各分力所消耗的功率的總和。由于主運動方向的功率消耗最多，通常用主運動消耗的功率表示切削功率。根據(jù)切削功率選擇機床電機功率時，還要考慮機床傳動系統(tǒng)的傳動效率，所以機床電機的功率可用下式計算：1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.2 切削力3.影響切削力的主要因素工件材料切削用量刀具幾何參數(shù)1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.2 切削力4.切削力和切削功率的估算例：用主偏角kr=75°的硬質(zhì)合金車刀車削直徑為84mm的灰鑄鐵（HT200）工件外圓，切削用量為ap=8mm，f＝0.5mm/r，n=304r/min，求主切削力和切削功率的大小。解：金屬切除率1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.3 切削熱和切削溫度1.切削熱的來源和傳散2.切削溫度3.切削溫度的測量熱電偶法光/熱輻射發(fā)金相結(jié)構(gòu)法1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.3 切削熱和切削溫度4.影響切削溫度的因素切削用量。增大切削用量，單位時間被切除的金屬量成比例增加，消耗的功率也相應(yīng)增大，產(chǎn)生的切削熱也會相應(yīng)增多，切削溫度升高。刀具幾何角度。實驗證明，γ0從10°增大到18°，切削溫度下降15%，這是因為被切金屬在基本變形區(qū)變形程度和刀具與切屑底層摩擦減小的緣故。但如果γ0過大，會使刀頭的熱容量和散熱體積減小，反而會使切削溫度升高。減小主偏角Κr，可增加切削刃的工作長度，增大刀頭的散熱體積，有利于切削溫度降低。工件材料。工件材料的強度和硬度越高，切削時所消耗的功就越多，產(chǎn)生的切削熱越多，切削溫度就越高。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.4 刀具磨損和刀具壽命1.刀具磨損形式前刀面磨損后刀面磨損工件材料1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.4 刀具磨損和刀具壽命

2.刀具磨損過程和磨鈍標(biāo)準(zhǔn)初期磨損階段正常磨損階段急劇磨損階段磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.4 刀具磨損和刀具壽命

2.刀具耐用度定義。刀具刃磨或轉(zhuǎn)位后，自開始切削到后刀面磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)過的切削時間，稱為刀具耐用度，單位為分鐘（min），用符號T表示。影響刀具耐用度的因素切削用量。切削速度對刀具耐用度的影響最大，其次是進(jìn)給量，背吃刀量影響最小。工件材料刀具材料和幾何形狀1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.4 刀具磨損和刀具壽命

2.刀具耐用度刀具耐用度的確定原則。根據(jù)單件平均生產(chǎn)時間最短計算出的最高生產(chǎn)率耐用度；根據(jù)單件平均加工成本最低計算出來的最低成本耐用度。生產(chǎn)中一般按照加工成本最低的原則來確定刀具耐用度，但在生產(chǎn)任務(wù)緊急或提高生產(chǎn)率對成本影響不大的情況下，也可以根據(jù)最高生產(chǎn)率原則來確定刀具耐用度。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.5刀具角度和切削用量的選擇刀具角度的選擇前角的選擇后角的選擇主偏角的選擇副偏角的選擇刃傾角的選擇前刀面形狀的選擇刀尖與過渡刃1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.5刀具角度和切削用量的選擇刀具角度的選擇車刀幾何參數(shù)選擇的綜合分析實例。圖1-44所示是一把用于粗車大、中型鑄鋼件或鍛件用的大切深強力車刀，這種車刀采用P30硬質(zhì)合金刀片，試分析這把車刀幾何參數(shù)的選用特點。(1)保證鋒利。取大前角γo=18°～20°。同時為了減小背向力，防止系統(tǒng)發(fā)生振動，采用了大主偏角Κr=75°。(2)兼顧強固。①強化刃口。措施有三：一是磨出“負(fù)倒棱”，寬0.8～1，前角γ01=-10°；二是減小后角，刀片后角αo=4°，刀桿后角6°；三是采用負(fù)刃傾角λs=-4°～-6°。②強化刀尖。由于主偏角較大，刀尖強度受到影響，采取的補償措施包括：磨出直線過渡刃（長2～4mm，偏角45°）；采用較大的刃口圓弧半徑，rε=1.5～2mm。(3)斷屑措施。為了使切削過程順利，切屑清理運送方便，前刀面上磨出前寬后窄的圓弧形卷屑槽（與主切削刃夾角為10°），以保證可靠斷屑。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.5刀具角度和切削用量的選擇切削用量的選擇背吃刀量ap的確定。粗加工時ap確定的原則是盡可能一次走刀切除全部加工余量。精加工時，以保證零件的加工精度和表面質(zhì)量為主，同時要兼顧刀具耐用度和生產(chǎn)率。進(jìn)給量f的確定。粗加工時，進(jìn)給量的確定主要是受切削力的限制，在刀桿和工件剛度以及機床進(jìn)給機構(gòu)強度允許的情況下，同時考慮工件材料和斷屑等問題，應(yīng)盡量選擇較大值。精加工時，一般切削力不大，進(jìn)給量主要是受表面粗糙粗限制，一般根據(jù)表面粗糙度的要求來選取。切削速度v的確定。粗加工時，切削速度v主要受刀具耐用度的限制，由于ap、f的值都比較大，必要時還要核算一下機床電機的功率是否足夠。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.5刀具角度和切削用量的選擇切削用量的選擇切削用量確定的具體方法和實例例在車床CA6140上按圖1-45所示方式加工外圓，毛坯直徑為φ57，材料為調(diào)質(zhì)45鋼，外圓車削后的尺寸φ50200mm，表面粗糙度Ra為3μm，試確定粗車和精車時的切削用量。解：1）粗車①背吃刀量ap。外圓的加工余量Z=57-50=7，精車的背吃刀量留0.5mm，其余余量均在粗車中加工掉。因此，取ap=3mm。②進(jìn)給量f。查表1-11，取刀桿尺寸為1625，得f0.45～0.6mm/r，根據(jù)CA6140機床的進(jìn)給量系列取值，取f=0.51mm/r。③切削速度v。查表1-13，得v=70～90m/min，先初取v=80m/min，計算機床轉(zhuǎn)速n，n=1000v/πdr/min=(1000×80)/(3.14×57)r/min=447r/min

查機床說明書或機床手冊，找與447r/min接近數(shù)值，確定n=450r/min，這樣，實際切削速度為v=πdn/1000m/min=(3.14×57×450)/1000m/min=80.5m/min④校驗機床功率是否足夠：已知CA6140主電機功率PE=7.5kW，取傳動效率η=0.7，則機床輸出功率P0=PEη=7.50.7kW=5.25kW

計算切削功率：Pc=pc·ZwK_(fp_c)

根據(jù)上面切削用量三要素取值，金屬切除率Zw=

查表1-3，得單位切削功率pc=230510-6kW/（mm3·s-1）查表1-4，得修正系數(shù)K_(fp_c)=0.925所以，Pc=pc·ZwK_(fp_c)=230510-620530.925KW=4.38KW故：Pc<P0，機床功率足夠。因此，最終確定粗車時切削用量的值為：ap=3mm，f=0.51mm/r，v=80.5m/min，n=450r/min。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.5刀具角度和切削用量的選擇切削用量的選擇切削用量確定的具體方法和實例例在車床CA6140上按圖1-45所示方式加工外圓，毛坯直徑為φ57，材料為調(diào)質(zhì)45鋼，外圓車削后的尺寸φ50200mm，表面粗糙度Ra為3μm，試確定粗車和精車時的切削用量。2）精車①背吃刀量ap。由前述，ap=0.5mm。②進(jìn)給量f。根據(jù)表1-12，先預(yù)定一個切削速度，取一個較高值v=100~130m/min，取刀尖圓弧半徑rε=1mm，得f=0.2~0.3mm/r，根據(jù)CA6140機床的進(jìn)給量系列值，取f=0.24mm/r。③切削速度v。根據(jù)上面取值，查表1-13，得v=100~130m/min，取v=120m/min，計算對應(yīng)的機床主軸轉(zhuǎn)速n：

n=根據(jù)CA6140機床主軸轉(zhuǎn)速系列，確定n=710r/min。這樣，實際切削速度應(yīng)是：

v=

精車時一般機床功率足夠，所以，最后確定切削用量數(shù)值為：

ap=0.5mm，f=0.24mm/r，v=114m/min，n=710r/min。1.3切削過程及其控制第1章切削加工基礎(chǔ)知識1.3.6切削液切削液的種類水溶液。主要用于粗加工、磨削加工等切削溫度高的場合。乳化液。具有良好的冷卻作用和一定的潤滑能力，是應(yīng)用最廣的一種切削液。切削油。