機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第7講

一、切屑的形成過程二、切削變形程度三、前刀面上的摩擦四、積屑瘤的形成及其對切削過程的影響第二節(jié)金屬切削過程中的變形五、影響切削變形的因素1.工件材料實驗結(jié)果表明，工件材料強度越高，切屑和前刀面的接觸長度越短，導(dǎo)致切屑和前刀面的接觸面積減小，前刀面上的平均正應(yīng)力

av增大，前刀面與切屑間的摩擦因數(shù)μ減小,摩擦角

減小，剪切角

增大，變形系數(shù)

h將隨之減小。2.刀具前角

o

增大刀具前角

o

，剪切角

將隨之增大，變形系數(shù)

h將隨之減?。坏?/p>

o增大后，前刀面傾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正應(yīng)力

av減小，使摩擦因數(shù)μ增大，摩擦角

增大將導(dǎo)致剪切角

減小。但由于后者影響較小，

h還是隨

o的增加而減小。3.切削速度vc在無積屑瘤產(chǎn)生的切削速度范圍內(nèi)，切削速度vc越大，變形系數(shù)

h越小。主要是因為塑性變形的傳播速度較彈性變形慢，切削速度越高，切削變形越不充分，導(dǎo)致變形系數(shù)

h下降；此外，提高切削速度還會使切削溫度增高，切屑底層材料的剪切屈服強度

s因溫度的增高而略有下降，導(dǎo)致前刀面摩擦系數(shù)μ減小，使變形系數(shù)

h下降。4.切削層公稱厚度hD在無積屑瘤產(chǎn)生的切削速度范圍內(nèi)，切削層公稱厚度hD越大，變形系數(shù)

h越小。這是由于hD增大時，前刀面上的法向壓力Fn及前刀面上的平均正應(yīng)力

av隨之增大，前刀面摩擦因數(shù)μ隨之減小，剪切角

隨之增大，所以

h隨hD增大而減小。第三節(jié)切屑的類型及控制

一、切屑的類型由于工件材料以及切削條件不同，切削變形的程度也就不同，因而切削過程中產(chǎn)生的切屑形態(tài)是多種多樣的。切屑的形狀主要分為帶狀、節(jié)狀、粒狀和崩碎四種基本類型。（1）帶狀切屑這是最常見的一種切屑。它的內(nèi)表面是光滑的，外表面呈毛茸狀。加工塑性金屬時，在切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大的工況條件下常形成此類切屑。形成帶狀切屑時，切削過程最平穩(wěn)，切削力波動小，已加工表面粗糙度較小。圖2-21帶狀切屑（2）節(jié)狀切屑又稱擠裂切屑。它的外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時有裂紋。在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時常產(chǎn)生此類切屑。形成節(jié)狀切屑時，切削過程不平穩(wěn)，切削力有波動，已加工表面粗糙度較大。圖2-21b）節(jié)狀切屑（3）粒狀切屑又稱單元切屑。在以極低切削速度切削塑性材料時，若剪切面上的切應(yīng)力超過了材料的斷裂強度，切屑單元從被切材料上脫落，形成粒狀切屑。形成粒狀切屑時，切削力波動大，已加工表面粗糙度高。圖2-21c）節(jié)狀切屑（4）崩碎切屑切削脆性金屬時,由于材料塑性很小、抗拉強度較低,刀具切入后，切削層金屬在刀具前刀面的推擠下，未經(jīng)明顯的塑性變形就在拉應(yīng)力作用下脆斷，形成形狀不規(guī)則的崩碎切屑。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到這類切屑。形成崩碎切屑時，切削力幅度小，但波動大，加工表面凸凹不平。圖2-21d）崩碎切屑帶狀、節(jié)狀和粒狀切屑是加工塑性金屬時常見的三種切屑類型，這三種切屑類型可以隨切削條件變化而相互轉(zhuǎn)化。例如，在形成節(jié)狀切屑工況條件下，如進一步減小前角，或加大切削厚度，就有可能得到粒狀切屑；反之，加大前角，減小切削厚度，就可得到帶狀切屑。

二、切屑類型控制在生產(chǎn)實踐中，不良的排屑狀態(tài)可能會劃傷工件已加工表面或機床；或造成刀具的早期磨損，限制高效機床能力的發(fā)揮；甚至威脅著操作者的安全，影響生產(chǎn)的正常進行。因此必須控制切屑的類型和流向。進行切屑類型控制，是指在切削加工過程中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂魄行嫉木砬?、流出與折斷，使之形成可接受的良好屑形。圖2-22切屑碰到工件或刀具后刀面折斷的情況研究表明，工件材料脆性越大、切屑厚度越大、切屑卷曲半徑越小，切屑就越容易折斷圖2-22所示為切屑碰到工件或刀具后刀面折斷的情況。圖2-23斷屑槽截面形狀可采取以下措施對切屑實施控制。（1）采用斷屑槽斷屑槽的尺寸參數(shù)應(yīng)與切削用量的大小相適應(yīng)，否則會影響斷屑效果。折線形直線圓弧形全圓弧形圖2-24前刀面上的斷屑槽形狀（2）改變刀具角度增大刀具主偏角或減小刀具前角，均有利于斷屑。刃傾角可以控制切屑的流向。平行式外斜式內(nèi)斜式（3）調(diào)整切削用量提高進給量使切削厚度增大，對斷屑有利，但對加工表面質(zhì)量不利；適當(dāng)?shù)亟档颓邢魉俣仁骨邢髯冃卧龃?，也有利于斷屑，但會降低材料切除率。因此必須根?jù)實際條件適當(dāng)選擇切削用量。第四節(jié)切削力

一、切削力與切削功率1.切削力切削時，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力稱為切削力。圖2-25加工材料發(fā)生變形所需克服的力使被加工材料發(fā)生變形所需克服的力主要是：

1）切削層材料和工件表面層材料對彈性變形、塑性變形的抗力。2）刀具前刀面與切屑、刀具后刀面與工件表面間的摩擦阻力。圖2-25加工材料發(fā)生變形所需克服的力2.切削合力與分力圖2-26所示為車削外圓時，如忽略副切削刃的切削作用及其它影響因素，作用在車刀上的合力應(yīng)在其正交平面內(nèi)。為便于測量和應(yīng)用，可將作用在車刀切削部位上的合力分解為三個互相垂直的分力。圖2-26切削合力和分力切削力Fc（主切削力、切向力）——垂直于基面，與切削速度的方向一致。圖2-26切削合力和分力Fc是計算切削功率和設(shè)計機床的主要依據(jù)。背向力Fp（切深抗力、徑向力）——平行于基面，并與進給方向相垂直。圖2-26切削合力和分力Fp會使機床加工系統(tǒng)變形或引起振動，影響加工精度和已加工表面質(zhì)量。進給力Ff（軸向力）——平行于基面，并與進給方向相平行。圖2-26切削合力和分力

Ff是設(shè)計機床進給機構(gòu)或校核其強度的主要依據(jù)。在上述三個分力中：Fc值最大，F(xiàn)p≈(0.15~0.7)Fc

，F(xiàn)f≈(0.1~0.6)Fc

。（2-15）3.切削功率消耗在切削過程中的功率稱為切削功率，用Pc（單位：kW）表示。在車削外圓時,Fp不作功,故切削功率應(yīng)為Fc和Ff作功所消耗的功率之和。（2-16）一般切削功率可按下式計算即可。（2-17）根據(jù)切削功率選擇機床電動機時，還要考慮機床的傳動效率（

m=0.75~0.85）。故機床電動機的功率PE應(yīng)為4.單位切削力的概念單位切削面積上的切削力（N/mm2）稱為單位切削力，用kc表示：（2-18）（2-19）二、切削力經(jīng)驗計算公式1．切削力的測量目前常用的測力儀有電阻式測力儀和壓電式測力儀。圖2-27切削力測量系統(tǒng)2．切削力經(jīng)驗計算公式通過實際測量不同切削工況條件下的切削力，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可求得以下切削力經(jīng)驗計算公式（2-20）式中—取決于被加工材料和切削條件的切削力系數(shù)；

—三個分力公式中，背吃刀量ap、進給量f和切削速度vc的指數(shù)；（2-20）

—實際加工條件與建立經(jīng)驗計算公式的試驗條件不相符時，計算切削力的修正系數(shù)。試驗條件對切削力影響的修正系數(shù)可查閱相關(guān)手冊。（2-20）表2-3為在不同工況條件下進行車削試驗經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到的上述有關(guān)系數(shù)和指數(shù)。三、影響切削力的因素1.工件材料的影響工件材料的強度、硬度越高，沖擊韌性和塑性越大，則切削力越大。切削脆性材料時的切削力相對較小。工件材料的化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)等都直接影響其物理力學(xué)性能，因而也影響著切削力。2.切削用量的影響（1）背吃刀量ap和進給量fap和f增大都會使Fc增大,但兩者影響程度不同:①ap

增大使Fc增大，且呈正比；②f增大也會使Fc增大，但不呈正比。在切削層面積相同的條件下，采用大的進給量比采用大的背吃刀量的切削力要小。（2）切削速度切削塑性材料時，在無積屑瘤產(chǎn)生的切削速度范圍內(nèi)，隨著vc的增大，切削力Fc減小。在產(chǎn)生積屑瘤的情況下，刀具的實際前角隨積屑瘤的成長與脫落變化著。在積屑瘤增長期，vc增大，切削力下降；在積屑瘤消退期,vc增大,切削力上升。切削脆性材料時，對切削力沒有顯著影響。圖2-28切削速度對切削力的影響3.刀具幾何參數(shù)的影響（1）前角

o

o增大，

h減小，切削力下降。切削塑性材料時，

o對切削力的影響較大；切削脆性材料時，由于切削變形很小，

o對切削力的影響不顯著。（2）主偏角

r

由圖2-26可知，主偏角

r增大，背向力Fp減小，進給力Ff增大。（3）刃傾角

s

改變?nèi)袃A角

s將影響切屑在前刀面上的流動方向，從而使切削合力的方向發(fā)生變化。

s增大，F(xiàn)p減小,Ff增大。

s在-45o~10o范圍內(nèi)變化時，F(xiàn)c基本不變。（4）負(fù)倒棱為了提高刀尖部位強度、改善散熱條件，常在主切削刃上磨出一個帶有負(fù)前角的棱臺，其寬度為

。當(dāng)

＜lf時（lf為切屑與前刀面接觸長度），切削力增加的幅度不大；當(dāng)

＞lf時，相當(dāng)于用負(fù)前角的車刀進行切削，與不設(shè)負(fù)倒棱相比，切削力將顯著增大。圖2-29負(fù)倒棱車刀4．刀具磨損后刀面磨損增大時，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。5．切削液使用以冷卻為主的切削液（如水溶液）對切削力影響不大，使用潤滑作用強的切削液（如切削油）可使切削力減小。6．刀具材料刀具材料與工件材料間的摩擦系數(shù)影響摩擦力的大小，導(dǎo)致切削力變化。在其他切削條件完全相同的條件下，用陶瓷刀具切削比用硬質(zhì)合金刀具切削的切削力小，用硬質(zhì)合金刀具切削比用高速鋼刀具切削的切削力小。第五節(jié)切削熱和切削溫度切削過程中產(chǎn)生的切削熱和由它產(chǎn)生的切削溫度將直接影響刀具的磨損和刀具的使用壽命。一、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)在刀具的切削作用下，切削熱來源于兩個方面，一是切削層金屬發(fā)生彈性和塑性變形所消耗的能量；二是切屑與前刀面、工件與后刀面間產(chǎn)生的摩擦熱。切削過程中有三個發(fā)熱區(qū)域，如圖所示。圖2-30切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)由于切削過程中所消耗能量的98%~99%都將轉(zhuǎn)化為切削熱。如忽略進給運動所消耗的能量，則單位時間產(chǎn)生的切削熱（2-21）式中Qc——單位時間產(chǎn)生的切削熱（J/s）；

Fc——切削力（N）；

vc——切削速度（m/s）。切削熱由四個途徑即切屑、工件、刀具及周圍的介質(zhì)（空氣，切削液）向外傳導(dǎo)。影響散熱的主要因素是：（1）工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)（2）刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)（3）周圍介質(zhì)切削速度越高，切削厚度越大，切屑帶走的熱量越多。二、切削溫度的測量切削熱是切削溫度上升的根源，但直接影響切削過程的卻是切削溫度。切削溫度一般是指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。測量切削溫度的方法很多，但目前常用的是自然熱電偶和人工熱電偶法，它簡單、可靠、使用方便。1.自然熱電偶法該種方法測得的溫度是切削區(qū)的平均溫度。圖2-31a用熱電偶測量切削溫度2.人工熱電偶法該種方法可測得切削區(qū)某一點的溫度值。圖2-31b用熱電偶測量切削溫度圖2-32為采用人工熱電偶法測量并輔以傳熱學(xué)計算得到的刀具、切屑和工件的切削溫度分布圖。由圖中可以看出：①剪切面上各點溫度幾乎相同；②前刀面上溫度最高點不在切削刃上。圖2-32刀具、切屑和工件的切削溫度分布三、影響切削溫度的主要因素1．切削用量對切削溫度的影響用實驗方法求得的刀具與切屑接觸區(qū)平均切削溫度的經(jīng)驗計算公式為（2-22）式中θ——刀具與切屑接觸區(qū)平均溫度（℃）；

——切削溫度系數(shù)（查表2-4）；

vc,f,ap——切削用量三要素；

——vc,f,ap的指數(shù)（查表2-4）。表2-4切削溫度的系數(shù)和指數(shù)刀具材料加工方法Cθzθyθxθ高速鋼車削140~1700.35~0.450.2~0.30.08~0.10銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f/mm·r-10.410.310.260.150.050.10.20.3用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具切削中碳鋼時，上述公式中的系數(shù)和指數(shù)值參見下表。由公式知：

vc

、f

、ap增大，單位時間內(nèi)材料的切除量增加，產(chǎn)生的切削熱增多，切削溫度也隨之增高。又由表2-4知，。由此表明，切削用量中影響切削溫度最大的是vc，其次是f

，ap最小。（1）切削速度切削速度vc

增大，使切削功率近似