第二章金属切胤过程中 的物理现家 工业工程系
第二章 金属切削过程中 的物理现象 工业工程系
第一讲 概述 金属切削过程是刀具在工件上切除多余的金属,产生切屑和形成已加 工表面的整个过程。这一过程中,会出现一些物理现象,如切削变形、 切削力、切削热、刀具磨损等。研究这些物理现象,掌握其变化规律, 就可以分析和解决切削加工中的实际问题,以提高切削效率、加工质量 和降低生产成本 二、切屑的形成 切削加工时,工件上的切削层受刀具的偏挤压,切削层产生弹 性变形而至塑性变形 A 刀具 ()切前形成过程 (b)切削形成示意 图2-2切肖形成示意
一、概述 金属切削过程是刀具在工件上切除多余的金属，产生切屑和形成已加 工表面的整个过程。这一过程中，会出现一些物理现象，如切削变形、 切削力、切削热、 刀具磨损等。研究这些物理现象，掌握其变化规律， 就可以分析和解决切削加工中的实际问题，以提高切削效率、加工质量 和降低生产成本。 二、切屑的形成 切削加工时，工件上的切削层受刀具的偏挤压，切削层产生弹 性变形而至塑性变形。 第一讲
切屑的形态 切削金属时,由于工件材料不同,切削条件不 同,切削过程中变形的程度也就不同,所形成的切 屑形态多种多样。归纳起来,可分为下列四种类型 v (Q)带状切削(b)节状切削 (c)粒状切削 ()崩碎切削 图2-3切削的基本形态
三、切屑的形态 切削金属时，由于工件材料不同，切削条件不 同，切削过程中变形的程度也就不同，所形成的切 屑形态多种多样。归纳起来，可分为下列四种类型
四、积屑瘤现象及产生的原因 1、产生原因 在一定的条件下切削钢、黄铜、铝合金等塑性金属时,由于前刀面挤压及磨 擦的作用,使切屑底层中的一部分金属停滞和堆积在切削刃口附近,形成硬块, 能代替切削刃进行切削,这个硬块称为切屑瘤。一般说来,温度与压力太低,不 会发生粘结;而温度太高,也不会产生积屑瘤。因此,切削温度是积屑瘤产生的 决定因素。如图2-8所示 2、影响 积屑瘤有利的一面是它包覆在切削刃上代替切削刃工作,起到保护切削刃作用, 同时还使刀具实际前角增大,切削变形程度降低,切削力减小;但也有不利的 面,由于它的前端伸出切削刃之外,影响尺寸精度,同时其形状也不规则,在切 削表面上刻出深浅不一的沟纹,影响表 面质量。此外,它也不稳定,成长、脱 落交替进行,切削力易波动,破碎脱落 时会划伤刀面,若留在已加工表面上, 会形成毛剌等,增加表面粗糙度值。因 此在粗加工时,允许有积屑瘤存在,但 在精加工时,一定要设法避免。 刀具
四、积屑瘤现象及产生的原因 1、产生原因 在一定的条件下切削钢、黄铜、铝合金等塑性金属时，由于前刀面挤压及磨 擦的作用，使切屑底层中的一部分金属停滞和堆积在切削刃口附近，形成硬块， 能代替切削刃进行切削，这个硬块称为切屑瘤。一般说来，温度与压力太低，不 会发生粘结；而温度太高，也不会产生积屑瘤。因此，切削温度是积屑瘤产生的 决定因素。如图 2-8所示。 2、影响 积屑瘤有利的一面是它包覆在切削刃上代替切削刃工作，起到保护切削刃作用， 同时还使刀具实际前角增大，切削变形程度降低，切削力减小；但也有不利的一 面，由于它的前端伸出切削刃之外，影响尺寸精度，同时其形状也不规则，在切 削表面上刻出深浅不一的沟纹，影响表 面质量。此外，它也不稳定，成长、脱 落交替进行，切削力易波动，破碎脱落 时会划伤刀面，若留在已加工表面上， 会形成毛剌等，增加表面粗糙度值。因 此在粗加工时，允许有积屑瘤存在，但 在精加工时，一定要设法避免
3、积屑瘤的控制 (1)控制切屑瘤的方法主要有以下几种: (2)提高工件材料的硬度,减少塑性和加工硬化倾向 (3)控制切削速度,以控制切削温度, (4)采用润滑性能良好的切削液,减小摩擦。 (5)增大前角,减小切削厚度,都可使刀具切屑接触长度减小,积屑瘤高度减 hsh I 20~30 100 图2-10已加工表面变形 图2-9积削瘤高度与切削速度关系
3、 积屑瘤的控制 （1）控制切屑瘤的方法主要有以下几种： （2）提高工件材料的硬度，减少塑性和加工硬化倾向。 （3）控制切削速度，以控制切削温度。 （4）采用润滑性能良好的切削液，减小摩擦。 （5）增大前角，减小切削厚度，都可使刀具切屑接触长度减小，积屑瘤高度减 小
五、表面加工硬化现象 1、表面加工硬化现象 加工后已加工表面层硬度提高的现象称为加工硬化。切削时在形成已加工表 面过程中,由于表层金属经过多次复杂的塑性变形,硬度显著提高;另一方面, 切削温度又使加工硬化减弱——弱化;更高的切削温度将引起相变。已加工表面 的加工硬化就是这种强化、弱化、相变作用的综合结果。加工中变形程度愈大, 则硬化程度愈高,硬化层深度也愈深。 工件表面的加工硬化将给后续工序切削加工增加困难。如切削力增大,刀具 磨损加快,影响了表面质量。加工硬化在提高工件耐磨性的同时,也增加了表面 的脆性,从而降低了工件的抗冲击能力 2、残余应力 残余应力是指在没有外力作用的情况下,物体内存在的应力。 由于切削力、切削变形、切削热及相变的作用,已加工表面常存在残余应 力,有残余拉应力和残余压应力之别。残余应力会使已加工表面产生裂纹,降低 零件的疲劳强度,工件表面残余应力分布不均匀也会使工件产生变形,影响工件 的形状和尺寸。对精密零件的加工是极为不利的
五、表面加工硬化现象 1、表面加工硬化现象 加工后已加工表面层硬度提高的现象称为加工硬化。切削时在形成已加工表 面过程中，由于表层金属经过多次复杂的塑性变形，硬度显著提高；另一方面， 切削温度又使加工硬化减弱——弱化；更高的切削温度将引起相变。已加工表面 的加工硬化就是这种强化、弱化、相变作用的综合结果。加工中变形程度愈大， 则硬化程度愈高，硬化层深度也愈深。 工件表面的加工硬化将给后续工序切削加工增加困难。如切削力增大，刀具 磨损加快，影响了表面质量。加工硬化在提高工件耐磨性的同时，也增加了表面 的脆性，从而降低了工件的抗冲击能力。 2、残余应力 残余应力是指在没有外力作用的情况下，物体内存在的应力。 由于切削力、切削变形、切削热及相变的作用，已加工表面常存在残余应 力，有残余拉应力和残余压应力之别。残余应力会使已加工表面产生裂纹，降低 零件的疲劳强度，工件表面残余应力分布不均匀也会使工件产生变形，影响工件 的形状和尺寸。对精密零件的加工是极为不利的
六、切削力及其主要影响因素 切削力是金属切削过程中的基本物理现象之一,是分析机制工艺、设计机床、刀 具、夹具时的主要技术参数。 1、来源 总切削力F可沿xy,z方向分解为三个互相垂直的分力Fc、Fp、Ff,如图2 16所示。主切削力Fc总切削力F在主运动方向上的分力:背向力Fp总切削力F 在垂直于假定工作平面方向上的分力;进给力Ff总切削力在进给运动方向上的 分力 P 工作平面P (a)刀具对工件的力的分解 小k)工件对刀具的力的分解 图2-16外圆车削时力的分解
六、切削力及其主要影响因素 切削力是金属切削过程中的基本物理现象之一，是分析机制工艺、设计机床、刀 具、夹具时的主要技术参数。 1、来源 总切削力 F可沿 x,y,z方向分解为三个互相垂直的分力 Fc、 Fp、 Ff，如图 2- 16所示。 主切削力 Fc 总切削力 F在主运动方向上的分力；背向力 Fp 总切削力F 在垂直于假定工作平面方向上的分力；进给力Ff 总切削力在进给运动方向上的 分力
2影响切削力的主要因素 1.工件材料的影响 工件材料的物理机械性能、加工硬化能力、化学成分和热处理状态,都对切削力 生影响 2切削用量的影响 4000 4000 背吃刀量ap和进给量是通过对30 3000 切削面积和单位切削力的变化而影响 2000 2000 切削力的。背吃刀量ap增大,切削 宽度bd也增大,剪切面积As和切屑10 1000 与前刀面的接触面积按比例增大。进|90 4H_800 给量增大,平均变形变小,单位切削|70 力降低,因此,进给量f大一倍,60 网中霾600 切削力约增加70~80%。随着速度 50 400 ■■囗 的增加,积屑瘤由小变大又变小,切|30 200 削力则随之由大变小又变大。 150 152345 0203040.5 ap/m f/(mm/r) 图2-18切削45钢是背吃刀量和进给量对切削力的影响
2.影响切削力的主要因素 1.工件材料的影响 工件材料的物理机械性能、加工硬化能力、化学成分和热处理状态，都对切削力 产生影响。 2.切削用量的影响 背吃刀量 a p和进给量 f是通过对 切削面积和单位切削力的变化而影响 切削力的。背吃刀量 a p增大，切削 宽度 b d也增大，剪切面积As和切屑 与前刀面的接触面积按比例增大。进 给量增大，平均变形变小，单位切削 力降低，因此，进给量 f增大一倍， 切削力约增加 70～ 80％。随着速度 的增加，积屑瘤由小变大又变小，切 削力则随之由大变小又变大
3、刀具几何参数的影响 (1)前角的影响 在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大。前角愈大,切屑易于从前刀面 流出,切削变形小,从而使切削力下降,但前角v0对三个切削分力的影响是不 同的。同时,工件材料不同,前角的影响也不同,对塑性较大的材料,如紫铜、 铝合金等,切削时塑性变形大,前角的影响较显著;而对脆性材料,如铸铁、脆 黄铜等,前角的影响就较小 (2)主偏角对Fp、Ff的影响较大。随着主偏角的增加,进给力F缯增加,而 背向力Fp减小。当Kr=900,理论上背向力Fp=0,实际上由于有刀尖圆弧半径 rE和副切削刃参与切削,即使Kr=900,Fp还是存在的。在车削刚性较差的细 长轴时,应选用较大的主偏角,就是为了减小Fp的影响。 (3)刃倾角λs对主切削力Fc的影响很小,但对进给力Ff和背向力Fp的影 响较大。当λs从正值变为负值,Fp将增加,Ff将减小。所以车削刚性较差的 工件时,一般不取负的刃倾角
3、刀具几何参数的影响 （1）前角的影响 在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大。前角愈大，切屑易于从前刀面 流出，切削变形小，从而使切削力下降，但前角γ0对三个切削分力的影响是不 同的。同时，工件材料不同，前角的影响也不同，对塑性较大的材料，如紫铜、 铝合金等，切削时塑性变形大，前角的影响较显著；而对脆性材料，如铸铁、脆 黄铜等，前角的影响就较小。 （2）主偏角对 Fp、 Ff 的影响较大。随着主偏角的增加，进给力 Ff增加，而 背向力 Fp减小。当κr =900，理论上背向力Fp=0，实际上由于有刀尖圆弧半径 rε和副切削刃参与切削，即使κr =900， Fp还是存在的。在车削刚性较差的细 长轴时，应选用较大的主偏角，就是为了减小Fp的影响。 （3）刃倾角 λs 对主切削力 Fc 的影响很小，但对进给力Ff 和背向力 Fp 的影 响较大。当 λs 从正值变为负值， Fp 将增加， Ff 将减小。所以车削刚性较差的 工件时，一般不取负的刃倾角
七、切削温度及其主要影响因素 1、切削热的产生与传出 切削区域产生的热能通过切屑、工件、刀具和周围介质传出。切削热传出时 由于切削方式的不同,工件和刀具热传导系数的不同等,各传导媒体传出的比例 也不同 2、切削温度的分布 切削温度一般指切削区域的平均温度。切削温度的分布指切削区域各点温度 的分布(即温度场) (1)前刀面上的最高温度不在切削刃上,而距离切削刃有一段距离; (2)温度分布不均匀,温度梯度大。工件材料塑性大,分布较均匀,反之 工件材料脆性大,分布不均匀。 切屑 刀具 QH/C 0E0,1015 高刀刃距离 刀具 Y车刀 工件 lI/mm 图2-24切削热的产生与传出 图2-25车刀切削温度的分布情况
七、切削温度及其主要影响因素 1、切削热的产生与传出 切削区域产生的热能通过切屑、工件、刀具和周围介质传出。切削热传出时 由于切削方式的不同，工件和刀具热传导系数的不同等，各传导媒体传出的比例 也不同。 2、切削温度的分布 切削温度一般指切削区域的平均温度。切削温度的分布指切削区域各点温度 的分布（即温度场）。 （ 1 ）前刀面上的最高温度不在切削刃上，而距离切削刃有一段距离； （ 2 ）温度分布不均匀，温度梯度大。工件材料塑性大，分布较均匀，反之， 工件材料脆性大，分布不均匀