金属切削过程及其控制（第二节）第一次课

,第一章 金属切削过程及其控制,自由切削：,只有一个主切削刃,(,直线型主切削刃）参加的切削。,非自由切削：曲线型主切削刃或,主、副切削刃均参加的切削。,对金属切削变形区进行,观察和研究,时，一般采用自由切削的方式。,生产实际中的切削都是非自由切削。,第一节 金属切削过程的基本知识,三、切削方式,（一）自由切削与非自由切削,第一节 金属切削过程的基本知识,直角切削,/,正切削：,主切削刃与合成切削速度方向垂直。,斜角切削,/,斜切削,：,主切削刃与合成切削速度方向不垂直,。,刃倾角不等于零的刀具均属于斜切削方式。斜切削具有刀口锋利，排屑轻快等许多特点。,三、切削方式,（二）正切削与斜切削,前刀面,A,r,切屑流出经过的表面。,主后刀面,A,a,切削时刀具上与工件的过渡表面相对的表面。,副后刀面,A,a,与工件上的已加工表面相对的表面。,主切削刃,S,前刀面和主后刀面的交线，起着主要切削作用。,副切削刃,S,前刀面和副后刀面的交线，起着辅助切削的作用。,刀尖,主切削刃和副切削刃的交点。为增强刀尖的强度和耐磨性，常将刀尖磨成圆角或直角，形成过渡刃。,重点内容回顾,-,刀具切削部分的基本定义,一尖两刃三刀面,选取切削刃上某一个合适的点为研究对象，该点为,选定点,。,主运动方向,：切削刃上选定点,相对工件,的瞬时主运动方向。,主运动速度,V,c,：,切削刃上选定点,相对工件,的进给运动瞬时速度。,进给运动方向：,切削刃上选定点,相对工件,瞬时进给运动方向。,进给速度,V,f,：,切削刃上选定点,相对工件,的进给运动瞬时速度。,重点内容回顾,-,合成切削运动与合成切削速度,合成切削运动：,由同时进行的主运动和进给运动合成的运动。,合成切削运动方向：,切削刃上选定点,相对工件,的瞬时合成切削运动的方向。,合成切削速度,V,e,：,切削刃上选定点,相对工件,的合成切削运动的瞬时速度。,合成切削速度角,：,主运动方向和合成切削运动方向之间夹角。,重点内容回顾,-,合成切削运动与合成切削速度,为了确定和测量刀具的角度，必须引入一个由三个参考平面组成的空间坐标参考系。,刀具,标注角度,参考系：由主运动方向确定。,刀具,工作角度,参考系：由合成切削运动方向确定。,重点内容回顾,参考系,重点内容回顾,三个,参考系,P,r,-P,s,-P,o,P,r,-P,s,-P,n,P,r,-P,f,-P,p,主剖面参考系（正交平面参考系）,法剖面参考系,进给切深剖面参考系（假定工作平面参考系）,基面,主切削刃,后刀面,切削平面,前刀面,基面,主切削刃,基面,主剖面,切削平面,在正交平面参考系中的标注角度,主偏角,k,r,副偏角,k,r,前角,o,后角,o,刃倾角,S,楔角,0,刀尖角,r,重点内容回顾,车刀的标注角度,在正交平面参考系中的标注角度,主偏角,k,r,副偏角,k,r,前角,o,后角,o,刃倾角,S,楔角,0,刀尖角,r,重点内容回顾,车刀的标注角度,在法平面参考系中的标注角度,基面,主切削刃,主切削刃,基面,切削平面,法剖面,后刀面,切削平面,前刀面,主偏角,k,r,副偏角,k,r,法前角,n,法后角,n,刃倾角,S,法平面,P,n,:,“,通过主切削刃上选定点，并垂直于切削刃的平面”。,重点内容回顾,车刀的标注角度,在进给、切深平面参考系中的标注角度,主切削刃,基面,进给剖面,后刀面,前刀面,基面,切削平面,切深剖面,主偏角,k,r,副偏角,k,r,进给前角,f,进给后角,f,背前角,p,背后角,p,切深剖面,P,p,:,“,通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面和假定工作平面的平面”。,重点内容回顾,车刀的标注角度,进给剖面,P,f,：,“通过主切削刃上选定点，平行于进给方向并垂直于基面的平面”,第一章金属切削过程及其控制,1.2,金属切削过程的基本规律与控制,本节提要,本节主要介绍了金属切削过程四个方面的基本规律及其控制。,在切削过程中，产生了,切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化等各种现象,，严重影响了生产的进行。针对上述现象，本章分析了产生诸现象的原因及对切削过程的影响，并在此基础上总结出,切削变形,、,切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化,四大规律。应用这些规律,，可很好,地解决了生产上出现的各种问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀具几何参数与切削用量等，并对促进机械加工技术的发展起着很重要的作用。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,F,A,B,O,M,45,a,）正挤压,F,A,B,O,M,45,b,）偏挤压,O,M,F,c,）切削,正挤压：,金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成,45,。,偏挤压：,金属材料一部分受挤压时，,OB,线以下金属由于母体阻碍，不能沿,AB,线滑移，而只能沿,OM,线滑移。,切削：,与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿,OM,线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,金属挤压与切削比较,挤压与切削,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,切削变形过程,切屑形成过程模型,切削时受压金属层沿剪切面向上滑移，若为脆性材料，则沿剪切面被剪断；若为塑性材料，则滑移继续，被切金属层形成切屑。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,切屑形成,金属切削变形的基本特征：,金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的过程。即是,金属内部不断滑移变形,的过程。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,切屑形成,第,变形区：,即,剪切变形区,，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,切削部位三个变形区,第,变形区：,已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。,三个变形区分析,第,变形区：,靠近前刀面处，,切削层变成切屑沿刀具前面流出时，切屑底层仍受到前刀面的挤压和摩擦而发生变形，变形的结果使切屑底层的晶粒弯曲拉长，并趋向于与前面平行而形成,纤维层,。,此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,变形区的划分,塑性材料切屑根部金相照片,M,刀具,切屑,O,A,终滑移线,始滑移线：,=,s,剪切角,I,剪切滑移区,II,挤压摩擦,区,III,挤压摩擦回弹区,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,变形区的划分,1,.,第一变形区,(,剪切滑移区,),塑性变形从始滑移面,OA,开始至终滑移面,OM,终了，之间形成,AOM,塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以,AOM,叫剪切区，也称为,第一变形区,(),。,OA,和,OM,非常接近,(0.02-0.2mm),，通常用一个平面来表示，称为剪切面。,剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角,。,M,刀具,切屑,O,A,终滑移线,始滑移线：,=,s,剪切角,I,剪切滑移区,II,挤压摩擦,区,III,挤压摩擦回弹区,2.,第二变形区,(,挤压摩擦区,),切屑沿刀具前刀面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生,“,纤维化,”,的二次变形。这部分区域称为,第二变形区,(),。,M,刀具,切屑,O,A,终滑移线,始滑移线：,=,s,剪切角,I,剪切滑移区,II,挤压摩擦,区,III,挤压摩擦回弹区,在已加工表面上与刀具后刀面挤压、摩擦形成的变形区域称为,第三变形区,(),。由于刀具刃口不可能绝对锋利,钝圆半径的存在使公称切削厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量。,3.,第三变形区,(,挤压摩擦回弹区,),M,刀具,切屑,O,A,终滑移线,始滑移线：,=,s,剪切角,I,剪切滑移区,II,挤压摩擦,区,III,挤压摩擦回弹区,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,前刀面的摩擦特点,塑性金属切削层材料经第一变形区后沿前刀面排出，由于受前刀面的挤压和摩擦而进一步加剧变形，在靠近前刀面处形成,第二变形区,。,切屑在流经前刀面时，在高温高压的作用下产生剧烈的摩擦。刀具与切屑接触区分为,粘结区,和,滑动区,两部分。在,l,f,长度内，近切削刃的接触长度,l,f,1,为粘结区，,粘结区内的摩擦为金属间的内摩擦,，是金属内部的剪切滑移；,l,f,1,外的长度,l,f,2,称为,外摩擦,。,粘结接触区,上各点的摩擦系数：,滑动接触区,上各点的摩擦系数,:,s,/,S,=,常数,服从古典摩擦法则。,剪应力；,法应力,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,前刀面的摩擦特点,加工一般钢材或其它塑性材料时，在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，,由于摩擦和挤压作用形成内摩擦区，并产生高温和高压，使刀,屑面,l,f,1,接触区内形成粘结,(,亦称冷焊,),，层积在前刀面处形成一个楔块。楔块的硬度很高，处于稳定状态时能够代替刀刃进行切削。,这块冷焊在前刀面上的金属就称为,积屑瘤,。,剪应力；,法应力,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法,切削厚度压缩比,h,(,变形系数,),在切削过程中，刀具切下的切屑厚度,h,ch,通常都大于工件切削层厚度,h,D,，而切屑长度,l,ch,却小于切削层长度,l,c,。,切屑厚度与切削层厚度之比称为,厚度变形系数,h,；而切削层长度与切屑长度之比称为,长度变形系数,l,。,厚度变形系数：,长度变形系数：,h,ch,-,切屑厚度,h,D,切削层厚度,l,ch,切屑长度,l,D,切削层长度,切削层变为切屑后，宽度变化很小。根据体积不变原理，有：,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法,切削厚度压缩比,h,(,变形系数,),剪切角,0,前角,长度测量法,：,最简单的方式是刨削法，此时切削层长度等于工件长度,l,D,，用细铜丝测出弯曲的切屑长度,l,ch,；,质量测定法：,取一段,20,60mm,而不太弯曲的切屑，用,1,法测出它的长度,L,ch,(mm),再用天平称出其质量为,Q,克（,g,），设,为材料的密度（,g/cm,3,）,铜的密度约为,7.7g/cm,3,按体积不变条件：,切削层体积切削层截面积（,A,c,）,. l,D,切屑截面积（,A,ch,）,.l,ch,已知,A,c,a,p.,f,l,D,/ l,ch,= A,ch,/ A,c,又知,A,ch,1000Q/ . L,ch,(mm,2,),故,1000Q/ . L,ch,. a,p.,f,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法,切削厚度压缩比,h,(,变形系数,),l,ch,切屑长度,l,D,切削层长度,既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移（剪应变）来衡量切削过程的变形程度。如下图，平行四边形,OHNM,发生剪切变形后，变为平行四边形,OGPM,，其相对滑移,：,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法,相对滑移,/,剪应变,公式表明，,剪切角,与,前角,0,变化是影响切削变形的两个主要因素。,如果增大前角,0,和剪切角,，使,、,减小，,则切削变形减小。,主要从塑性压缩方面分析；而,值主要从剪切变形考虑。所以，,与,只能近似地表示切削变形等程度。,、,、,均可表示切屑变形程度，但应指出，它们是根据纯剪切的观点提出的，实际切削过程是复杂的，既有剪切，又有前刀面对切屑的挤压和摩擦，所以这些公式不能反映全部变形实质。例如当,1,时，似乎没变形，但实际有相对滑移存在。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法,变形系数与剪应变,公式表明，,剪切角,与,前角,0,变化是影响切削变形的两个主要因素，因此，切削时塑性变形是很大的。,如果增大前角,0,和剪切角,，使,、,h,减小，,则切削变形减小。,h,主要从塑性压缩方面分析；而,值主要从剪切变形考虑。所以，,与,h,只能近似地表示切削变形等程度。,、,、,均可表示切屑变形程度，但应指出，它们是根据纯剪切的观点提出的，实际切削过程是复杂的，既有剪切，又有前刀面对切屑的挤压和摩擦，所以这些公式不能反映全部变形实质。例如当,1,时，似乎没变形，但实际有相对滑移存在。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法,变形系数与剪应变,(1),变形系数并不等于剪应变。,(2),当,1.5,时，对于某一固定的前角，剪应变与变形系数呈线性关系。因此，在一般情况下，变形系数可以在一定程度上反映剪应变的大小。,(3),当,=1,时，,h,D,=,h,ch,，似乎切屑没有变形，但此时剪应变并不等于零，因此，切屑仍有变形。,(4),当,0,=-15,o,30,o,时，变形系数即使具有同样的数值，倘若前角不相同，剪应变仍然不相等，前角愈小，剪应变就愈大。,(5),当,1.2,时，不能用变形系数来表示变形程度。因为当,在,11.2,之间，变形系数虽然减小，而剪应变变化不大；当,60m,min),切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。在中速,(,v,c20m,min),，积屑瘤的高度达到最大值。,积屑瘤前角,0,和伸出量,c,（,1,）使刀具前角变大,积屑瘤有,30,o,左右的前角，减小了切屑变形，降低了切削力，切削更容易进行。,（,2,）使切削厚度变化,积屑瘤的前端伸出切削刃之外，使得切削厚度增加，影响工件的加工精度。,（,3,）使加工表面粗糙度增加,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响,积屑瘤对切削过程的影响,（,4,）对刀具寿命的影响,积屑瘤的频繁脱落使得积屑瘤碎片反复挤压前刀面和后刀面，加速了刀具磨损。,（,5,）保护刀具,积屑瘤包围着刀刃和刀面，如果积屑瘤,生长稳定,，则可代替刀刃和前刀面进行切削，保护了刀刃和刀面，延长了刀具使用寿命。,积屑瘤前角,0,和伸出量,c,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响,积屑瘤对切削过程的影响,积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：,（,1,）,正确选用切削速度，,使切削速度避开产生积屑瘤的区域。,（,2,）,使用润滑性能好的切削液,，,目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。,（,3,）,增大刀具前角,，,减小刀具前刀面与切屑之间的压力。,（,4,）,适当提高工件材料硬度,，,减小加工硬化倾向。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响,积屑瘤对切削过程的影响,能否合理地进行切削和形成什么样的切屑有着密切的关系，通过观察切屑的形状可以得到各种有用的信息。,对于不同的切屑，一般按照两种系统进行分类：,形态：,按照,局部观察,切屑时的形状来分，连续还是分离；,形状：,按照,整体观察,切屑时的形状来分，笔直还是卷曲,。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,带状切屑,挤裂,/,节状切屑,单元,/,粒状切屑,崩碎切屑,切屑形态照片,切屑的类型是由材料的应力、应变特性和塑性变形程度决定。按,切屑形成机理,分为带状、节状、粒状和崩碎四种形态。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,切屑的类型,提示：单击图片播放录像,形成条件,影响,/,特点,名称,简图,形态,变形,带状，底面光滑，背面呈毛茸状,节状,，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状,粒状,不规则,块状,颗粒,剪切滑移尚未达到断裂程度,局部剪切应力达到断裂强度,剪切应力完全达到断裂强度,未经塑性变形即被挤裂,加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大,加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小,工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低,加工硬脆材料， 刀具前角较小,切削过程平稳，表面粗糙度小，,妨碍切削工作，应设法断屑,切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳,切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳,切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀,带状切屑,挤裂,/,节状切屑,单元,/,粒状切屑,崩碎切屑,切屑类型及形成条件,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,为了,满足切屑的处理及运输要求,，还需按照切屑的形状进行分类，大致有带状、,C,型、崩碎、螺卷、长紧卷、发条状、宝塔状等。,带状屑,C,形屑,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,切屑的类型,崩碎屑,宝塔屑,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,切屑的类型,长紧卷屑,发条状卷屑,螺卷屑,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,切屑的类型,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,切屑的类型,国际标准化组织的切屑分类,一般情况下，,不希望,得到带状切屑，只有在立式镗床上镗盲孔时，为了使切屑顺利排除孔外，才要求形成,带状切屑或长螺卷屑,；,C,型屑不缠绕工件，也不易伤人，是一种比较好的屑形。但其高频碰撞和折断会影响切削过程的平稳性，对已加工表面质量有影响，精车时希望形成,长螺卷屑,；,在重型机床上用大切深、大进给量车削钢件时，,C,型屑易损坏切削刃和飞崩伤人，希望形成,发条状切屑,；,在自动机或自动线上，,宝塔状切屑,是一种比较好的屑形；,车削铸铁、黄铜等脆性材料时，为避免切屑飞溅伤人或损坏滑动表面，应设法使切屑连成,卷状,。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,切屑的类型,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。,切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果。,切屑的卷曲,断屑的产生,断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,切屑的控制,自然卷屑：利用前刀面上形成的积屑瘤使切屑自然卷曲。,卷屑槽与卷屑台卷屑：强迫卷屑法，在前刀面上磨出适当的卷屑槽或安装附加的卷屑台，当切屑流经前刀面时，与卷屑槽或卷屑台相碰而使它卷曲。,自然卷屑,卷屑槽卷屑,卷屑台卷屑,卷屑基本原理：,设法使切屑沿前刀面流出时，受到一个额外的作用力，在该力作用下，使切屑产生一个附加的变形而弯曲。,（五）切屑的类型与控制,切屑的控制,断屑方法：,1,）,使卷曲后的切屑与工件相碰，使切屑根部的拉应力越来越大，最终导致切屑完全折断；,2,）,使卷曲后的切屑与后刀面相碰，使切屑根部的拉应力越来越大，最终导致切屑完全断裂，形成,C,型屑。,发条状切屑碰到工件上折断,C,形屑撞到工件上折断,（五）切屑的类型与控制,切屑的控制,切屑碰到后刀面上折断,采取以下措施对切屑实施控制,:,1,、采用断屑槽：,通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,切屑的控制,折线型和直线圆弧型适用于碳钢、合金钢和不锈钢；,全圆弧型的槽底前角,o,大，适用于加工塑性高的金属材料和重型刀具。,2,、改变刀具角度：,增大刀具主偏角,K,r,，切削厚度变大，有利于断屑。,减小刀具前角,0,可使切屑变形加大，切屑易于折断。,刃倾角,可以控制切屑的流向，,s,为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成,C,形屑或自然流出形成螺卷屑。,s,为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成,C,形屑或,6,字形屑。,3,、调整切削用量：,提高,进给量,f,使切削厚度增大，对断屑有利；但增大,f,会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。,采取以下措施对切屑实施控制,:,（五）切屑的类型与控制,切屑的控制,