教案 蒙古机电职业技术学院 第三章金属切削基本理论 【内容提要】 本章主要介绍切削力、切削热、切削温度、刀具磨损和刀具耐用度的基本概念: 切削力、切削热、切削温度和刀具磨损的基本规律;应用上述规律选择刀具材料、 几何参数、切削用量、切削液和控制切屑的原则和方法。 【目的要求】 1、了解与掌握金属切削过程的基本物理现象及其变化规律 2、能根据具体加工情况正确计算切削力、刀具耐用度以及一定刀具耐用度所允 许的切削速度 3、能根据具体加工情况正确选择和确定刀具材料、刀具几何参数、切削用量 等 【本章内容】 第一次课 金属切削理论是从生产实际和切削实验中得来的,总结了关于金属切削过程中 的基本物理现象及其变化规律。这些基本物理现象包括:切削变形、切削力、切削 温度和刀具磨损等。为了提高切削加工的生产率,降低加工成本,保证质量,我们 来学习和掌握这些规律。 §3-1切削变形 切屑的基本形态 金属切削时,由于切削用量和刀具几何参数的不同,会出现各种不同形态切屑。 从变形角度考虑,切屑的形态归纳为四种基本形态。 1、带状切屑: 切屑呈连续状,与前面接触的底层光滑,背面成毛茸状。一般在加工塑性材料, 采用大的前角、小的切削厚度、高的切削速度时形成。变形较小,是比较常见的切 屑
7 教 案 内蒙古机电职业技术学院 1 第三章 金属切削基本理论 【内容提要】 本章主要介绍切削力、切削热、切削温度、刀具磨损和刀具耐用度的基本概念； 切削力、切削热、切削温度和刀具磨损的基本规律；应用上述规律选择刀具材料、 几何参数、切削用量、切削液和控制切屑的原则和方法。 【目的要求】 1、了解与掌握金属切削过程的基本物理现象及其变化规律； 2、能根据具体加工情况正确计算切削力、刀具耐用度以及一定刀具耐用度所允 许的切削速度。 3、能根据具体加工情况正确选择和确定刀具材料、刀具几何参数、切削用量 等； 【本章内容】 第一次课 金属切削理论是从生产实际和切削实验中得来的，总结了关于金属切削过程中 的基本物理现象及其变化规律。这些基本物理现象包括：切削变形、切削力、切削 温度和刀具磨损等。为了提高切削加工的生产率，降低加工成本，保证质量，我们 来学习和掌握这些规律。 §3-1 切削变形 一、切屑的基本形态 金属切削时，由于切削用量和刀具几何参数的不同，会出现各种不同形态切屑。 从变形角度考虑，切屑的形态归纳为四种基本形态。 1、带状切屑： 切屑呈连续状，与前面接触的底层光滑，背面成毛茸状。一般在加工塑性材料， 采用大的前角、小的切削厚度、高的切削速度时形成。变形较小，是比较常见的切 屑
教案 蒙古机电职业技术学院 2、节状切屑(挤裂状切屑) 切屑背面呈锯齿形,底层有时有裂纹,切削层变形大,加工硬化严重,使某一 局部的应力达到材料的强度极限,从而出现裂纹。 加工塑性材料,采用小的前角、小的切削速度会形成此类切屑。 3、单元状切屑 切削塑性很大的材料,发生强度破坏严重,变性大,切削力大, 切削功率大。切屑与前面发生粘结,变形充分,使材料达到断裂极限,形成很大的 变形单元 4、崩碎状切屑 切削脆性材料,形状为片状或粒状切屑。工件材料愈硬,刀具前角愈小,愈容 易形成此类切屑。 由上述介绍可知,带状切屑形成时,切削力变化较小,切削稳定,已加工表面 质量好;节状和单元状切屑形成时切削力有较大的波动,尤其是单元状切屑,在其 形成过程中可能产生振动影响加工质量;在切屑铸铁时,由于所形成的崩碎状切屑 是经石墨边界处崩裂的,加工表面质量下降 二、切屑与已加工表面的形成 (一)切屑的形成及三个变形区 1、设切削层厚度,宽度,以切削速度向刀具接近。从OA线开始发生塑性变形, 到OM线剪切滑移基本完成。形成AOM塑性变形区 塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移,因此又称为剪切区或第一变形区。 2、当切屑以速度沿前面流出时,进一步受到前刀面的挤压和摩擦,使靠近前刀 面处的金属纤维化,变形方向基本上与前面平行(即为晶格变形方向)。由于该变形 主要由摩擦引起,因而又称摩擦变形区或第二变形区。 3、已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦,产生变形与回弹, 造成纤维化与加工硬化,称为第三变形区
7 教 案 内蒙古机电职业技术学院 2 2、节状切屑（挤裂状切屑） 切屑背面呈锯齿形，底层有时有裂纹，切削层变形大，加工硬化严重，使某一 局部的应力达到材料的强度极限，从而出现裂纹。 加工塑性材料，采用小的前角、小的切削速度会形成此类切屑。 3、单元状切屑 切削塑性很大的材料，发生强度破坏严重，变性大，切削力大， 切削功率大。切屑与前面发生粘结，变形充分，使材料达到断裂极限，形成很大的 变形单元。 4、崩碎状切屑 切削脆性材料，形状为片状或粒状切屑。工件材料愈硬，刀具前角愈小，愈容 易形成此类切屑。 由上述介绍可知，带状切屑形成时，切削力变化较小，切削稳定，已加工表面 质量好；节状和单元状切屑形成时切削力有较大的波动，尤其是单元状切屑，在其 形成过程中可能产生振动影响加工质量；在切屑铸铁时，由于所形成的崩碎状切屑 是经石墨边界处崩裂的，加工表面质量下降。 二、切屑与已加工表面的形成 （一）切屑的形成及三个变形区 1、设切削层厚度，宽度，以切削速度向刀具接近。从 OA 线开始发生塑性变形， 到 OM 线剪切滑移基本完成。形成 AOM 塑性变形区。 塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，因此又称为剪切区或第一变形区。 2、当切屑以速度沿前面流出时，进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀 面处的金属纤维化，变形方向基本上与前面平行（即为晶格变形方向）。由于该变形 主要由摩擦引起，因而又称摩擦变形区或第二变形区。 3、已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹， 造成纤维化与加工硬化，称为第三变形区
教案 蒙古机电职业技术学院 这三个变形区汇集在切削刃附近,此处的应力比较集中,也比较复杂,金属的 被切削层就在此处与工件本体材料分离,一部分变成切屑,很小一部分留在已加工 表面上。第一变形区形成切屑,变形最大;第二变形区变形大小主要影响前面的磨 损;第三变形区的滑移变形,严重使已加工表面产生变形。 ※※剪切滑移区(第一变形区)的变形机理 研究剪切滑移区的变形 机理,就是看材料是在该区域 内怎样完成变形的。 以切屑为研究对象。 设刀具对切屑的正压力 位F,摩擦力位F,二者合力为F,在合理的作用下,在垂直它的横截面上产生 正应力o。,在与该力大致呈45°角的截面上产生最大剪应力τ。 0。=Fr/A, 而t=0。/2 (1)若最大剪应力τ≥τs(材料的屈服极限)时,材料就沿剪应力的方向滑移 (沿剪切面滑移) (2)若最大剪应力τ≥τb(材料的强度极限)时,材料发生剪切强度破坏,切 屑断裂。 ※※剪切滑移区(第 变形区)的变形过 在切削层内刃 取一点P当点P为达 到剪切滑移区时,只 产生弹性变形,一旦 达到该区域时,就要
7 教 案 内蒙古机电职业技术学院 3 这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中，也比较复杂，金属的 被切削层就在此处与工件本体材料分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加工 表面上。第一变形区形成切屑，变形最大；第二变形区变形大小主要影响前面的磨 损；第三变形区的滑移变形，严重使已加工表面产生变形。 ※※剪切滑移区（第一变形区）的变形机理 研究剪切滑移区的变形 机理，就是看材料是在该区域 内怎样完成变形的。 以切屑为研究对象。 设刀具对切屑的正压力 位 Fn，摩擦力位 Ff，二者合力为 Fr，在合理的作用下，在垂直它的横截面上产生 正应力σ。，在与该力大致呈 45º角的截面上产生最大剪应力τ。 σ。=Fr/A， 而τ=σ。/2 （1）若最大剪应力τ≥τs（材料的屈服极限）时，材料就沿剪应力的方向滑移 （沿剪切面滑移）； （2）若最大剪应力τ≥τb（材料的强度极限）时，材料发生剪切强度破坏，切 屑断裂。 ※※剪切滑移区（第 一变形区）的变形过 程 在 切 削层内刃 取一点 P,当点 P 为达 到剪切滑移区时，只 产生弹性变形，一旦 达到该区域时，就要
教案 蒙古机电职业技术学院 产生剪切滑移一一塑性变形。 (1)OA线为始滑移线,OM线为终滑移线(都是等剪应力曲线)。当P点到 达1点的位置时,剪应力到达材料的屈服极限τs,开始产生剪切滑移,点1在向前 移动的同时,也沿OA滑移,其合成运动将使点1流动到点2。2-2就是滑移量。 随着滑移的产生,剪应力将逐渐增加,也就是当P点向1、2、3个点流动时,剪应 力不断增加,直到点4位置,此时其流动方向与前面平行,不再沿OM线滑移 (2)第一变形区(OA~OM之间)其变形的主要特征是: 沿滑移线剪切 R2 变形,以及随 生加工硬化。 (3)切削速度 较高时,第一变形 区较窄。一般的切 削速度范围内,第 变形区的宽度仅 约为0.2~002mm (可用一剪切面来表示) (4)剪切面OM与切削速度间的夹角φ—一剪切角中 (5)OA线上的剪应力τ=ts;OB、OC、OM线上的剪应力由于变形加工硬 化而依次升高,在OM线达最大值τmax,若 max<rb时,切屑为带状 max≥tb时,切屑为挤裂状; V思考: 1、切屑的基本形态有几种? 2、第一变形区剪切滑移的机理是什么?(τ≥τs)
7 教 案 内蒙古机电职业技术学院 4 产生剪切滑移——塑性变形。 （1）OA 线为始滑移线，OM 线为终滑移线（都是等剪应力曲线）。当 P 点到 达 1 点的位置时，剪应力到达材料的屈服极限τs，开始产生剪切滑移，点 1 在向前 移动的同时，也沿 OA 滑移，其合成运动将使点 1 流动到点 2。2-2ˊ就是滑移量。 随着滑移的产生，剪应力将逐渐增加，也就是当 P 点向 1、2、3 个点流动时，剪应 力不断增加，直到点 4 位置，此时其流动方向与前面平行，不再沿 OM 线滑移。 （2）第一变形区（OA～OM 之间）其变形的主要特征是： 沿滑移线剪切 变形，以及随之产 生加工硬化。 （3）切削速度 较高时，第一变形 区较窄。一般的切 削速度范围内，第 一变形区的宽度仅 约为 0.2～0.02mm。 (可用一剪切面来表示) （4）剪切面 OM 与切削速度间的夹角φ——剪切角φ。 （5）OA 线上的剪应力τ＝τs；OB、OC、OM 线上的剪应力由于变形加工硬 化而依次升高，在 OM 线达最大值τmax，若 τmax<τb 时，切屑为带状； τmax≥τb 时，切屑为挤裂状； ▼▼思考： 1、切屑的基本形态有几种？ 2、第一变形区剪切滑移的机理是什么?( τ≥τs)
教案 蒙古机电职业技术学院 (二)衡量变形的方法 首先来看一看研究切屑变形有什么意义: 切削过程是复杂的,既有剪切,又有前面对切屑的积压和摩擦作用(第二变形 ),衡量变形的方法是在纯剪切的观点上提出来的 因为切屑变形的大小,会直接影响到切削力的大小,以及切削温度、刀具磨损 等物理现象,所以必须研究切削变形的大小。 在金属切削过程中,切屑的变形的大小是怎样衡量的呢?目前衡量切屑变形的 方法有三种:①剪切角φ②变形系数ξ③相对滑移 1、变形系数5 切削层经切削成为切屑,由于变形——变短、变厚。设切削层长度为L,切削 厚度为hD,切屑长度为L切屑厚度为hD,那么一定是L>Lc,h>H4这说明金属 在切削过程中确实存在着变形,与用斧子劈木头是两码事,有本质的不同,不能混 为一谈。 设金属在变形前后的体积不变,切削宽度b不变(直角切削)那么 h**b=h*b则令LL2=hha=5)1 即变形系数有着优点:比较直观地反映了变形程度,容易测量,简单可行。但 也有不足,那就是精确度低 5的意义:变大,变形就大,表示切除的切屑越厚越短。反之变形小。另外, 5的表示方法还可以用前角和剪切角来表达。 (如图) s=hided 上式说明:变形的大小与剪切角φ和前角 有关。一般认为前角γo增大,剪切角中增大 则ξ减小 但前角γo一定时,若剪切角φ增大
7 教 案 内蒙古机电职业技术学院 5 （二）衡量变形的方法 首先来看一看研究切屑变形有什么意义： 切削过程是复杂的，既有剪切，又有前面对切屑的积压和摩擦作用（第二变形 区），衡量变形的方法是在纯剪切的观点上提出来的。 因为切屑变形的大小，会直接影响到切削力的大小，以及切削温度、刀具磨损 等物理现象，所以必须研究切削变形的大小。 在金属切削过程中，切屑的变形的大小是怎样衡量的呢？目前衡量切屑变形的 方法有三种： ①剪切角φ ②变形系数ξ ③相对滑移 1、变形系数ξ 切削层经切削成为切屑，由于变形——变短、变厚。设切削层长度为 L，切削 厚度为 hD，切屑长度为 Lc ,切屑厚度为 hDc，那么一定是 L>Lc，hDc>Hd.这说明金属 在切削过程中确实存在着变形，与用斧子劈木头是两码事，有本质的不同，不能混 为一谈。 设金属在变形前后的体积不变，切削宽度 bD 不变（直角切削）那么 hd*L*bD=hDc*Lc*bD 则 令 L/Lc=hDc/hd=ξ〉1 即变形系数有着优点：比较直观地反映了变形程度，容易测量，简单可行。但 也有不足，那就是精确度低。 ξ的意义：ξ变大，变形就大，表示切除的切屑越厚越短。反之变形小。另外， ξ的表示方法还可以用前角和剪切角来表达。 （如图） ξ=hDc/Hd 上式说明：变形的大小与剪切角φ和前角 有关。一般认为前角γo 增大，剪切角φ增大 则ξ减小。 但前角γo 一定时，若剪切角φ增大