金属切削过程的基本规律课件.ppt

1、机械制造技术基础机械制造技术基础第二章 金属切削过程的基本规律山东大学机械工程学院山东大学机械工程学院20052005年年8 8月月本科生专业课程本科生专业课程 2022-12-172第二章 金属切削过程的基本规律2022-12-1732022-12-1742022-12-1752022-12-176第一节第一节 金属切削过程中的变形金属切削过程中的变形 切屑变形规律是切削过程中诸如切屑变形规律是切削过程中诸如切削力、切削热和切切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等规律削温度、刀具磨损等规律的重要理论基础的重要理论基础。一、切屑的种类及变化一、切屑的种类及变化 金属切削刀具切除工件上的多余金属层

2、，被切离工件金属切削刀具切除工件上的多余金属层，被切离工件的金属以的金属以切屑切屑(Chip)形式与工件分离。形式与工件分离。2022-12-177带状 挤裂 单元 崩碎由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不同，常见的由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不同，常见的切屑有四种类型。前三种为切屑有四种类型。前三种为切削塑性材料切削塑性材料的切屑，最后的切屑，最后一种为切削一种为切削脆性材料脆性材料的切屑。的切屑。2022-12-178切屑类型切屑类型1带状切屑带状切屑q 最常见。最常见。q 内侧表面光滑，外侧表面呈毛茸状，用显微内侧表面光滑，外侧表面呈毛茸状，用显微镜观察可见到有均匀整齐的剪切裂

3、纹。镜观察可见到有均匀整齐的剪切裂纹。q 通常加工通常加工塑性金属材料塑性金属材料，切削厚度较小切削厚度较小，切切削速度较高削速度较高，刀具前角较大刀具前角较大时得到。时得到。q 切削力波动很小，切削过程平稳，已加工表切削力波动很小，切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。面粗糙度较小。2022-12-1792挤裂切屑挤裂切屑q 外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹q 加工加工塑性金属材料塑性金属材料，切削厚度较大切削厚度较大，切削速度较低切削速度较低，刀具前角较小刀具前角较小时得到时得到q 切削力波动较大，切削过程产生一切削力波动较大，切削过程产生一定的振动，已加工表

4、面较粗糙。定的振动，已加工表面较粗糙。2022-12-17103单元切屑单元切屑q 生产中很少见到。生产中很少见到。q 在挤裂切屑的基础上在挤裂切屑的基础上切削厚度增大，切削切削厚度增大，切削速度、前角减小速度、前角减小，使剪切裂纹进一步扩展而，使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。断裂成单元体。2022-12-1711可见：可见：q 从从带状带状挤裂挤裂单元切屑单元切屑的变化：的变化：切削厚度切削厚度由小到大，切削速度和刀具前角由大到小由小到大，切削速度和刀具前角由大到小。q 掌握其变化规律，就可改变切屑形态以达控掌握其变化规律，就可改变切屑形态以达控制切屑（制切屑（卷屑、断屑卷屑、断屑）和改

5、善）和改善已加工表面质量已加工表面质量的目的。的目的。2022-12-17124崩碎切屑崩碎切屑q切削切削脆性金属材料脆性金属材料如灰铸铁时得到的。如灰铸铁时得到的。q产生原因：材料受到产生原因：材料受到拉应力已超过其抗拉强度拉应力已超过其抗拉强度。q切削力切削力波动波动甚大，有冲击负荷，已加工表面甚大，有冲击负荷，已加工表面凹凸不平凹凸不平。q改变切削条件，如改变切削条件，如大前角，大刃倾角，小切削厚度，高大前角，大刃倾角，小切削厚度，高切削速度切削速度，可得到针状切屑或松散的带状切屑。此时切，可得到针状切屑或松散的带状切屑。此时切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。削过程平稳，已加工表面粗糙

6、度较小。2022-12-1713切削层金属的变形切削层金属的变形二、切削层金属的变形二、切削层金属的变形1.变形区的划分变形区的划分（以（以直角自由切削方式切削塑性材料直角自由切削方式切削塑性材料为例）为例）根据实验，切削层金属在刀具根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑大体可划分三作用下变成切屑大体可划分三个变形区。个变形区。金属切削过程中金属切削过程中滑移线滑移线和和流线流线示意图示意图2022-12-1715（l）第一变形区（第一变形区（）p从从OA线（线（始滑移线始滑移线）金属开始发生剪切变形，到）金属开始发生剪切变形，到OM线（线（终滑移线终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，）金属

7、晶粒剪切滑移基本结束，AOM区域叫第一变形区区域叫第一变形区。p是切屑变形的基本区，其特征是是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移晶粒的剪切滑移，伴随产生伴随产生加工硬化加工硬化。2022-12-1716（2）第二变形区（）第二变形区（）p刀刀屑屑接触区接触区p切屑沿前刀面流出时受到切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦挤压和摩擦，使靠近前刀，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切滑移。面的晶粒进一步剪切滑移。p特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平纤维化方向平行前刀面行前刀面，有时有滞流层。，有时有滞流层。2022-12-1717（3）第三变形区（）第三变形区（）q

8、刀刀工工接触区。接触区。q已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒进一步剪切滑移。粒进一步剪切滑移。q有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬化和回弹现象。硬化和回弹现象。q三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个变形区内的变形又相互影响。个变形区内的变形又相互影响。2022-12-17182.第一变形区内金属的剪切变形第一变形区内金属的剪切变形 金属在第一变形区滑移过程金属在第一变形区滑移过程p设切削层中某点设切削层中某

9、点P向切削刃逼近，到向切削刃逼近，到1点时切应力达到材料点时切应力达到材料剪切屈剪切屈服强度服强度 s（=s），），1点向前移动的同时，也沿点向前移动的同时，也沿剪切方向滑移剪切方向滑移，其合成运动轨迹从其合成运动轨迹从1点运动到点运动到2点而不是点而不是2 点，点，22是滑移距离是滑移距离pP点继续逼近刀刃，由于硬化现象，剪应力增大，因此点继续逼近刀刃，由于硬化现象，剪应力增大，因此P点经过点经过1234，到达，到达4点时剪切滑移结束，沿平行前刀面方向流出点时剪切滑移结束，沿平行前刀面方向流出成为切屑。成为切屑。2022-12-1719位位 置置P12（3）44以后以后应力状态应力状态 s

10、s无剪应力无剪应力流动方向流动方向切削速度切削速度v合成运动合成运动合成运动合成运动合成运动合成运动前刀面前刀面区区 域域切削层金属切削层金属第一变形区第一变形区切屑切屑2022-12-1720金属在第一变形区滑移过程金属在第一变形区滑移过程p切削层金属是在切削层金属是在AOM区区内通过剪应力产生滑移变内通过剪应力产生滑移变成切屑成切屑(Chip)的。的。AOM区叫做第一变形区。区叫做第一变形区。p OA线叫线叫始滑移线，始滑移线，OM线线叫终滑移线叫终滑移线。p其特征是晶粒的其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化剪切滑移，伴随产生加工硬化。2022-12-1721第一变形区金属的滑移第一变

11、形区金属的滑移p晶粒滑移：晶粒滑移：切削层金属的变形，从切削层金属的变形，从晶体结构晶体结构看，就是沿晶格中看，就是沿晶格中晶面的滑移。晶面的滑移。p在一般速度范围内，第一变形区宽度仅在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.2 0.02mm，所以可看所以可看成一个面成一个面即剪切面即剪切面。剪切面与切削速度之夹角叫剪切角剪切面与切削速度之夹角叫剪切角，以，以 表示。表示。o2022-12-1722晶粒滑移示意图 滑移与晶粒伸长p 假定金属晶粒为圆形假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中受剪应力后晶格中晶面滑移晶面滑移，粒变，粒变椭圆椭圆形形，AB变为长轴变为长轴A B；随剪应力增大，晶格纤维化，随

12、剪应力增大，晶格纤维化，A B 成为纤成为纤维化方向维化方向。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致，它们成一。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致，它们成一（凯（凯帕）角。帕）角。2022-12-1723卡片模型卡片模型 切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后后沿卡片间滑移沿卡片间滑移而成为切屑。滑移方向就是而成为切屑。滑移方向就是剪切面剪切面方向方向。卡片模型研究切削变形的实验方法研究切削变形的实验方法p 侧面变形观察法侧面变形观察法p 高速摄影法高速摄影法p 快速落刀法快速落刀法p SEM观察法观察法p 光弹性、光塑性实验法光弹性、光塑性实验法p

13、 其它方法，如：其它方法，如：X射线衍射等射线衍射等表示变形程度的方法表示变形程度的方法p 剪切角剪切角 p 剪应变剪应变 p 变形系数变形系数 p 刀屑接触长度刀屑接触长度 L2022-12-1726(1)剪切角剪切角 q在相同切削条件下，在相同切削条件下，剪切角越大剪切角越大，剪切面积越小，切屑厚度越小，剪切面积越小，切屑厚度越小，变形越小，变形越小。q剪切角剪切角 可采用可采用快速落刀实验快速落刀实验获获得切屑根部照片再测量得到。得切屑根部照片再测量得到。o2022-12-1727(2)变形系数变形系数（克赛）（克赛）由实验和生产可知，由实验和生产可知，切屑厚度切屑厚度 ach 大于大于

14、切削层切削层厚度厚度ac，切屑长度切屑长度 lch 小于小于切削层长度切削层长度 lc。变形系数变形系数 l切削层长度与切屑长度之比切削层长度与切屑长度之比 l=lc/lch a=ach/ac忽略切屑宽度的变化，有忽略切屑宽度的变化，有 a=l=变形系数变形系数 能直观反映切屑的变形程度，且容易能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。求得，生产中常用。变形系数求法2022-12-1728(3)剪应变剪应变 按剪应变即相对滑移关系有按剪应变即相对滑移关系有=s/y，而而 s=NP，y=MK故故=NP/MK=(NK+KP)/MK=ctg +tg(-0)剪切变形示意图)cos(sincos

15、oo(4)刀屑接触长度刀屑接触长度l o2022-12-1730变形系数变形系数、剪切角、剪切角 和剪应变和剪应变 的关系的关系sin)cos(occhaa 以上是按纯剪切观点提出的，而切削过程是复杂的，既有剪切又以上是按纯剪切观点提出的，而切削过程是复杂的，既有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。如有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。如=1时，时，ach=ac，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有相对滑移存在。似乎切屑没有变形，但事实上切屑有相对滑移存在。oocos1sin222022-12-1731三、刀三、刀屑接触区的变形与摩擦屑接触区的变形与摩擦 根据前述，切屑沿前刀面流

16、出时受到挤压根据前述，切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，靠近前刀面的切屑底层进一步变和摩擦，靠近前刀面的切屑底层进一步变成成第二变形区第二变形区。2022-12-1732特征：特征：q切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前刀面上切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前刀面上q切屑发生弯曲；切屑发生弯曲；q刀刀屑接触区温度升高；屑接触区温度升高；q第二变形区的第二变形区的挤压和摩擦影响切屑的流出挤压和摩擦影响切屑的流出，从而影响，从而影响第第一变形区金属的变形一变形区金属的变形，影响，影响剪切角的大小剪切角的大小。2022-12-17331.剪切角剪切角 与前刀面上摩擦角与前刀面上摩擦角

17、的关系的关系q前刀面上：前刀面上：法向力法向力Fn和摩擦力和摩擦力Ff；q剪切面上：剪切面上：正压力正压力Fns剪切力剪切力Fsq两对力平衡两对力平衡。作用在切屑上的力及其与角度关系2022-12-1734pFr切削合力切削合力；Fn与与Fr的夹角，即摩擦角；的夹角，即摩擦角；pFz Fr在切削运动方向的分力在切削运动方向的分力；Fy Fr与切削运动方向垂直的分力与切削运动方向垂直的分力。p切削合力切削合力Fr与剪切力与剪切力Fs之夹角为之夹角为 (+-0)，由材力知，由材力知 (-0)为切削合力为切削合力Fr 与切削速度方向的夹角，称作用角，以与切削速度方向的夹角，称作用角，以 表示。表示。

18、2022-12-1735可得如下可得如下结论结论q前角前角 o 增大时，增大时，增大，变形减小增大，变形减小。故在保证刀刃。故在保证刀刃强度条件下增大前角可以改善切削过程（降低切削强度条件下增大前角可以改善切削过程（降低切削力、温度、提高表面质量等）；力、温度、提高表面质量等）；q摩擦角摩擦角 增大时，增大时，减小，变形增大减小，变形增大。故提高刀具。故提高刀具刃磨质量、使用切削液可减小前刀面上的摩擦，对刃磨质量、使用切削液可减小前刀面上的摩擦，对切削过程有利。切削过程有利。2022-12-17362.前刀面上的摩擦与积屑瘤现象前刀面上的摩擦与积屑瘤现象(1)前刀面上的摩擦前刀面上的摩擦切屑与

19、前刀面摩擦示意图切削塑性材料时切削塑性材料时刀刀屑屑接触区的摩接触区的摩擦示意图。可见，擦示意图。可见，刀刀屑屑接触面分接触面分两个区域：两个区域：粘结区和滑动区粘结区和滑动区。刀具前刀面的摩擦特性刀具前刀面的摩擦特性 ，法应力法应力 =s 剪应力剪应力，=O A B 刀具刀具p OA粘结区（内摩擦区）粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的：摩擦系数是变化的p AB滑动区（外摩擦区）滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数：摩擦系数是常数avsnfFF2022-12-1739粘结区粘结区内摩擦内摩擦p切塑性金属时，切屑与前刀面间高温切塑性金属时，切屑与前刀面间高温(几百度几百度)、高压（、高压（2-3

20、GPa）使切屑底部与前刀面间发生粘结，亦称使切屑底部与前刀面间发生粘结，亦称“冷焊冷焊”；p粘结区并非一般的外摩擦，而是粘结层金属与相邻切粘结区并非一般的外摩擦，而是粘结层金属与相邻切屑较上层之间的屑较上层之间的晶粒相对剪切滑移，属内摩擦晶粒相对剪切滑移，属内摩擦。p单位切向力单位切向力=材料的剪切屈服极限材料的剪切屈服极限 s2022-12-1740滑动区滑动区外摩擦外摩擦p 单位切向力由单位切向力由 s 逐渐减小到逐渐减小到0。p 刀刀屑接触面上正应力屑接触面上正应力 在刀尖处最大，逐渐在刀尖处最大，逐渐减小到减小到0。影响前刀面摩擦系数的主要因素影响前刀面摩擦系数的主要因素p 工件材料：

21、强度硬度增大，工件材料：强度硬度增大，减小减小p 切削厚度：切削厚度增大，切削厚度：切削厚度增大，减小减小p 切削速度：切削速度：低速，低速，V大，大，越大；高越大；高速，速，V大，大，越小越小p 刀具前角：刀具前角：o 增大，增大，越大越大avsnfFF2022-12-1742 v 切削速度：切削速度：在不同在不同v范围，影响不同。范围，影响不同。v低低时，温度较低，前刀面与切屑底层不易粘时，温度较低，前刀面与切屑底层不易粘结。粘结情况随速度的增大而发展，使结。粘结情况随速度的增大而发展，使 增大；当增大；当v超过一定值时，温度升高，使超过一定值时，温度升高，使材料塑性增大，流动应力减小，故

22、材料塑性增大，流动应力减小，故 降低降低。积屑瘤积屑瘤p 积屑瘤积屑瘤由于刀由于刀屑接触面的摩擦，当切削速度不屑接触面的摩擦，当切削速度不高又形成连续切屑时，加工钢料和其它塑性材料时高又形成连续切屑时，加工钢料和其它塑性材料时，常常在刀刃处粘着剖面呈三角状硬块。硬度为工，常常在刀刃处粘着剖面呈三角状硬块。硬度为工件硬度的件硬度的2-3倍，叫积屑瘤倍，叫积屑瘤。p 形成原因：形成原因：高温、高压，粘结、冷焊高温、高压，粘结、冷焊2022-12-1744q材料硬化指数愈大（塑性越高）材料硬化指数愈大（塑性越高），愈易形成，愈易形成积屑瘤。积屑瘤。q实验证明：形成积屑瘤有一最佳切削温度，实验证明：形

23、成积屑瘤有一最佳切削温度，此时积屑瘤高度此时积屑瘤高度Hb最大，最大，当温度高于或低于当温度高于或低于此温度时，积屑瘤高度皆减小此温度时，积屑瘤高度皆减小。2022-12-1745积屑瘤的作用：积屑瘤的作用：有利方面：有利方面：q可增大实际前角可增大实际前角，减少变形和切削力；减少变形和切削力；q可保护切削刃、降低刀具磨损可保护切削刃、降低刀具磨损。2022-12-1746不利方面：不利方面：q积屑瘤不稳定时（脱落时），有可能使脆性刀具颗积屑瘤不稳定时（脱落时），有可能使脆性刀具颗粒剥落，反而粒剥落，反而加剧刀具磨损加剧刀具磨损；q产生积屑瘤后使切削厚度增大产生积屑瘤后使切削厚度增大 ac值，

24、值，影响工件尺寸影响工件尺寸精度精度；q当积清瘤不稳定时，由于积屑瘤产生当积清瘤不稳定时，由于积屑瘤产生成长成长脱落脱落周期动态变化，周期动态变化，易引起振动易引起振动；q脱落的积屑瘤碎片影响工件脱落的积屑瘤碎片影响工件表面粗糙度表面粗糙度，也易划伤，也易划伤刀具使刀具使耐用度降低耐用度降低2022-12-1747抑制积屑瘤的措施：抑制积屑瘤的措施：（1）降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象；）降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象；（2）采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度；）采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度；（3）增大刀具前角，减小刀）增大刀具前角，减小刀屑接

25、触压力；屑接触压力；（4）使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，降低刀）使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，降低刀屑接触压力屑接触压力 （5）提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。）提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。2022-12-1748四、切屑变形的规律四、切屑变形的规律 从前面从前面第一和第二变形区第一和第二变形区的分析可知，的分析可知，变形和摩擦变形和摩擦是影响切削过程的关键。影响切屑变形的主要因素是影响切削过程的关键。影响切屑变形的主要因素可从以下四方面分析：可从以下四方面分析：2022-12-1749（一）工件材料方面（一）工件材料方面q工件材料强度愈高，切屑变形愈小。工件材料强度愈

26、高，切屑变形愈小。q原因：原因：工件材料强度愈高，工件材料强度愈高，减小，减小，增大增大,变形变形系数减小系数减小。2022-12-1750工件材料强度对变形系数的影响2022-12-1751（二）刀具方面（前角）（二）刀具方面（前角）q前角愈大，变形愈小。前角愈大，变形愈小。q原因：原因：前角影响切屑流出方向，影响作用角前角影响切屑流出方向，影响作用角。o愈愈大，大，愈小，愈小，角愈大，变形愈小角愈大，变形愈小。2022-12-1752前角对变形系数的影响2022-12-1753（三）切削用量方面（三）切削用量方面1切削厚度切削厚度的影响的影响 切削厚度切削厚度 ac 增加，增加，av 增加

27、，增加，减小，减小，增大，增大，变形减小变形减小。2切削速度切削速度的影响的影响 v对变形影响较复杂，对变形影响较复杂，在无积屑瘤情况下（高速）在无积屑瘤情况下（高速），V增大，变增大，变形减小。形减小。另外，另外，v 增大，增大，减小，减小，增大，故变形减小。增大，故变形减小。2022-12-1754切削速度及进给量对变形系数的影响2022-12-1755在有积屑瘤区（中低速在有积屑瘤区（中低速）q在低速时，随在低速时，随v增大，积屑瘤逐渐增大，刀具实际前角增大，增大，积屑瘤逐渐增大，刀具实际前角增大，因此，变形减小。当增大到一定值时，积屑瘤高度因此，变形减小。当增大到一定值时，积屑瘤高度H

28、b和实际前和实际前角均达最大值，而角均达最大值，而 达到最小值。达到最小值。q如果如果v继续增大，积屑瘤也开始减小，实际前角也减小，而继续增大，积屑瘤也开始减小，实际前角也减小，而 增增大，直至积屑瘤消失，大，直至积屑瘤消失，达到最大值。达到最大值。以上就是切削速度对切屑变形影响产生驼峰状曲线的原因。以上就是切削速度对切屑变形影响产生驼峰状曲线的原因。2022-12-1756作作 业业1.画简图说明切屑形成过程。切屑形状分几种画简图说明切屑形成过程。切屑形状分几种?各在什么条件下各在什么条件下产生产生?2.如何表示切屑变形程度如何表示切屑变形程度?影响切屑变形有哪些因素影响切屑变形有哪些因素?各因素如各因素如何影响切屑变形何影响切屑变形?3.积屑瘤是如何产生的积屑瘤是如何产生的?积屑瘤对切削过程有何影响积屑瘤对切削过程有何影响?