金属切削过程研究与仿真
作者：聂学俊， 熊光洁， 罗红旗， NIE Xue-jun， XIONG Guang-jie， LUO Hong-qi
作者单位：聂学俊,熊光洁,NIE Xue-jun,XIONG Guang-jie(北京工商大学,机械工程学院,北京
,100048;北京理工大学,机械与车辆工程学院,北京,100081)， 罗红旗,LUO Hong-qi(北京工
商大学,机械工程学院,北京,100048)
刊名：
煤矿机械
英文刊名：COAL MINE MACHINERY
年，卷(期)：2011,32(2)
被引用次数：1次
参考文献(5条)
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本文读者也读过(10条)
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引证文献(1条)
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/cc13207370.html,/Periodical_mkjx201102020.aspx
车床的规格一般都用字母和数字，按一定规律组合进行编号，以表示车床的类型和主要规格。 比如车床型号C6132的含义如下：C——车床类；6——普通车床组；1——普通车床型；32——最大加工直径为320mm。 老型号C616的含义如下：C——车床；6——普通车床；16——主轴中心到床面距离的1/10，即中心高为160mm。 金属切削过程 金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过程，在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，产生许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀具磨损和加工硬化等。 一.切削过程及切屑种类 1.切屑形成过程： a. 对塑性金属进行切削时，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。 当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形。在OA面上，应力达到材料的屈服强度，则发生塑性变形，产生滑移现象。 随着刀具的连续移动，原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力和变形也逐渐加大。在终滑移面上，应力和变形达到最大值。越过该面，切削层金属将脱离工件基体，沿着前刀面流出而形成切屑。 b.三个变形区： (1)第一变形区I：从OA线到OE线内的区域，伴随沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化。 (2)第二变形区II：切屑与前刀面磨擦的区域，切削底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，切削弯曲，切削与刀具接触温度升高。 (3)第三变形区III：工件已加工表面与后刀面接触的区域，存在纤维化与加工硬化，变形较密集。 2.切屑的类型及切屑控制(图a～c为切削塑性材料，图d为切削脆性材料) a.切屑的类型:
b.切屑控制： “不可接受”的切屑：切削条件恶劣导致。影响主要有拉伤工件的已加工表面；划伤机床；造成刀具的早期破损；影响操作者安全。 切屑控制：在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。 “可接受”的切屑标准：不妨碍正常的加工；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运。 切削控制的措施：在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。 断屑槽的基本形式： L：切屑在前刀面上的接触长度 R：卷屑槽半径 二.积屑瘤 在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。 1.积屑瘤的形成过程 1)切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。 2)当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。 3)如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。 4)这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。 2.切屑瘤对切削过程的影响 1)实际前角增大
第二章练习题 一.单项选择题 1.切削铸铁工件时，刀具的磨损部位主要发生在： ( ) a、前刀面 b、后刀面 c、前、后刀面 2.影响刀头强度和切屑流出方向的刀具角度是： ( ) a、主偏角 b、前角 c、副偏角 d、刃倾角 3.粗车碳钢工件时，刀具的磨损部位主要发生在： ( ) a、前刀面 b、后刀面 c、前、后刀面 4. 钻削时，切削热传出途径中所占比例最大的是： ( ) a、刀具 b、工件 c、切屑 d、空气介质 5.车削时，切削热传出途径中所占比例最大的是： ( ) a、刀具 b、工件 c、切屑 d、空气介质 6.对铸铁材料进行粗车，宜选用的刀具材料是： ( ) a、YT15(P10) b、YT5(P30) c、YG3X(K01) d、YG8(K20) 7.下列刀具材料中，强度和韧性最好的是： ( ) a、高速钢 b、YG类硬质合金 c、YT类硬质合金 d、立方氮化硼 8.安装外车槽刀时，当刀尖低于工件的回转轴线，与其标注角度相比刀具工作角度将会：( ) a、前角不变，后角变小 b、前角变大，后角变小 c、前角变小，后角变大 d、前后角均不变 9.ISO标准规定刀具的磨钝标准是控制： ( ) a、沿工件径向刀具的磨损量 b、后刀面上平均磨损带的宽度VB c、前刀面月牙洼的深度KT d、前刀面月牙洼的宽度 10.一般当工件的强度、硬度、塑性越高时，刀具耐用度： ( ) a、不变 b、有时高，有时低 c、越高 d、越低
11.下列刀具材料中，适宜制造形状复杂的机用刀具的材料是: ( ) a、碳素工具钢 b、人造金刚石 c、高速钢 d、硬质合金 12.精车碳钢工件时，刀具的磨损部位主要发生在： ( ) a、前刀面 b、后刀面 c、前、后刀面 13.工件材料相对加工性的等级划分是： ( ) a、分为10级，1级最易切削，10级最难切削 b、分为8级，8级最易切削，1级最难切削 c、分为8级，1级最易切削，8级最难切削 d、分为10级，10级最易切削，1级最难切削 14.生产中用来衡量工件材料切削加工性所采用的基准是： ( ) a、切削退火状态下的45钢，切削速度为60m/min时的刀具耐用度 b、切削正火状态下的45钢，刀具工作60min时的磨损量 c、刀具耐用度为60min时，切削正火状态45钢所允许的切削速度 d、切削q235钢时切削速度为60m/min时的刀具耐用度 15.在工件上攻螺纹、铰孔或拉削时，一般： ( ) a、不用切削液 b、用水溶液 c、用低浓度乳化液 d、用极压切削油或极压乳化液 16.为减小工件已加工表面的粗糙度在刀具方面常采取的措施是： ( ) a、减小前角 b、减小后角 c、增大主偏角 d、减小副偏角 17.若工艺系统刚性较差时（如车削细长轴），应该采用： ( ) a、75°直头车刀 b、45°弯头刀 c、90°偏刀 d、圆弧头车刀 18.切削铸铁工件时，一般 ( ) a、不用切削液 b、用切削液油 c、用高浓度乳化液 d、用低浓度乳化液 二.多项选择题 1.产生于切削变形区的切削热的主要来源是： ( ) a、工件、刀具材料的导热性差 b、切削层金属剪切滑移变形 c、未充分浇注切削液 d、切屑与刀具前刀面的摩擦 e、刀具后刀面与工件的摩擦
第一章金属切削过程的基本知识 本章主要介绍以下内容： 1、金属切削过程的基本概念 2、刀具材料 课时分配：1，两个学时，2，一个学时 重点、难点：金属切削过程的基本概念 1.1 金属切削过程的基本概念 一、切削表面与切削运动(见P4-5) （一）切削表面 切削加工过程是一个动态过程，在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。即： 待加工表面：工件上即将被切除的表面。 已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面。 过渡表面(加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。以车削外圆为例，如下图。
（二）切削运动 刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动）。按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。上图给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度V e、主运动速度V c和进给运动速度V f之间的关系。 1、主运动 主运动是刀具与工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。 2、进给运动 进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工，根据工件表面形状成形的需要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。 3、合成运动与合成切削速度 当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动，其大小和方向用合成速度向量v e表示, 见上图。 V e=V c+V f 二、切削用量三要素与切削层参数 (一）切削用量三要素 1、切削速度v c 切削速度v c是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。当主运动为回转运动时： 式中d—切削刃上选定点的回转直径，mm； n—主运动的转速，r/s或r/min。 2、进给速度vf 、进给量f 进给速度v f—切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度，mm/s或mm/min.。 进给量f—刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，mm/r或mm/行程。
基于ANSYS模拟金属切削切削力变化的数值仿真 李根 天津理工大学天津300384 摘要：本文是基于金属切削的基本理论，借助ANSYS软件从刀具，工件的材料选取以及ansys模型 的建立中都符合实际的进行了准确设置，最终得到切削力的变化曲线，目的就是为了预测切削力的变化，为进一步对刀具破损，磨损和切削振动等方面进行研究提供数据，节约实验成本。 关键词：ANSYS；切削力：仿真；分析 1 前言 切削加工机理很复杂，它涉及到金相学、弹性力学、塑性力学、断裂力学、传热学以及摩擦接触、润滑等很多领域，受工件材料、刀具参数、加工工艺等多方面的影响，这些都给切削力的建模计算带来了困难。以往切削力的主要研究方法是在切削理论研究的基础上建立切削力的解析表达式，搭建切削实验平台拟合得到切削力经验公式。传统的通过搭建实验平台获取切削力的方法只能获得特定加工工艺下特定刀具、工件参数的结果，其结果的准确性依赖实验平台搭建的合理与否，并且实验周期长，相对花费比较高[1]。随着有限元技术的不断发展和完善，有限元商业软件日益成熟利用计算机仿真切削过程逐渐成为切削力研究的主要方向，通过有限元软件建立切削力模型，可以根据具体的材料参数、刀具模型及边界条件进行灵活的处理，仿真周期短，结果直观。 本文就是基于ANSYS软件对于刀具切削过程中切削力的分析仿真，获得研究刀具性能的大量数据，不仅使刀具研究、刀具产品的开发更加精确、可靠，并且大大缩短了研究开发的周期，节省了用于样品试制及实验设备等方面的费用。 2 建模与计算 2.1 基本理论 金属切削过程中切削力只要来源于以下两个方面[2]： （1）切削层金属，切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形所产生的抗力。 （2）刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。 因此，在金属切削过程中仿真要考虑的因素很多，其中主要有以下三个方面： 首先，在切削过程中，材料模型既有弹性变形，又有塑性变形。被剪切工件材料由弹性变形到塑性变形，最后被撕裂并脱离已加工表面形成切屑，整个切削过程是一个非常复杂的
金属切削过程分析与控制 1切屑的形成 1、切屑的类型及其分类 由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样，如下图示。图中从左至右前三者为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。切屑的类型是由应力-应变特性和塑性变形程度决定的。 （1）带状切屑 它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。（2）挤裂切屑 这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这种切屑大多在切削黄铜或切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。（3）单元切屑 如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成
为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。 以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。 假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。 这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。 如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。 以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。 假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。 这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。 （4）崩碎切屑 这是属于脆性材料（如铸铁、黄铜等）的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。
第二章金属切削过程的基本规律及其应用 本章主要介绍以下容： 1、金属切削过程基本规律 2、金属切削过程基本规律的应用 课时分配：1，三个学时，2，三个学时 重点：金属切削过程的基本概念 难点：金属切削过程基本规律的应用 金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进行研究，揭示其在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。总之，金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。因此，必须进行深入的研究。 2.1 金属切削层的变形 一、切屑形成过程及变形区的划分 (见P19) 1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。 2、变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。 3、切屑的形成及变形特点(见P20) 1）第一变形区（近切削刃处切削层产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形 切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。 在下图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度围，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第—变形区。由于切屑形成时应变
1．主剖面（正交平面）标注角度参考系中三个坐标平面是指基面正交平面（或主剖面）切削平面，它们之间关系为相互垂直 2．切屑形成过程实质上是工件材料的剪切滑移与挤压摩擦过程。为了便于测量，切 削过程中的变形程度近似可用变形系数指标来度量。 3．外圆车削时，在刀具6个标注角度中，对切削温度影响较大的角度是γo 和Kr。4．在工艺系统刚性好的情况下，刀具有磨钝标准应规定得较大；精加工时应规 定较小的磨钝标准。 5．一般在精加工时，对加工表面质量要求高时，刀尖圆弧半径宜取较大。 6．一般在精加工时，对加工表面质量要求高时，刀尖圆弧半径宜取较大7．在加工细长轴类零件时，刀具的刃倾角λs常取为正值，这是因为λs使背吃刀力减小。 8．加工钢件时常选用什么牌号的硬质合金YT5或YT30 ，加工铸铁件时，常选用什么牌号的硬质合金YG3或YG8。 9．刃倾角的作用有改变切屑流向，影响刀尖强度；、影响切削平稳性,砂轮磨损形式有 磨粒变钝、磨粒溃落、表面堵塞。 10．在切削用量三要素中，对刀具耐用度影响最大的是切削速度、对切削力影响最大的 是背吃刀量。 11．在金属切削过程中，一般衡量切削变形的方法有变形系数法、剪切角法 和相对滑移法。 12．在硬质合金中，YG类一般用于加工铸铁等脆性材料；YT类硬质合金一般用于加 工钢料等塑性材料而YW类硬质合金它的加工范围为铸铁、钢料等塑、脆性材料13．在切削过程中，当系统刚性不足时为避免引起振动，刀具的前角与主偏角应选大
14．确定刀具几何角度的参考坐标系有两大类：一类称为标注参考系和另一类称为工作参考系。 15．刀具磨损的主要原因有：磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损 16影响切削力的主要因素包括工件材料、刀具几何角度、切削用量、切削液等 17.切削液的作用包括四方面: 冷却、润滑、清洗、防锈。 二、单项选择题： 1．切削用量v 、f、a p对切削温度的影响程度是（ C ） A、a p最大、f次之、v最小 B、f最大、v次之、a p最小 C、v最大、f次之、ap最小 D、v最大、a p次之、f最小 2．一般情况，刀具的后角主要根据（ C ）来选择。 A、切削宽度 B、切削厚度 C、工件材料 D、切削速度 3．刀具的选择主要取决于工件的结构、材料、加工方法和（ B ）。 A、加工设备 B、加工精度 C、加工余量 D、被加工工件表面粗糙度4．在切削平面内测量的车刀角度有（A ）。 A、刃倾角 B、后角 C、锲角 D、前角 5．切削力主要来源于（ D ） A、第一变形区 B、第二、三变形区的挤压与摩擦力 C、前刀面与切屑的摩擦力 D、三个变形区的变形抗力与摩擦力 6．在加工塑性材料时，常产生的切屑是（ A ）。 A、带状切屑 B、崩碎切屑 C、挤裂切屑 D、单元切屑
第二章 金属切削过程 1金属切削的变形过程 1）切削过程的本质 金属的切削过程实质上是工件材料的切削层在刀具的刀刃和前刀面作用下受到挤压，沿剪切面产生剪切滑移变形，而转变为切屑，同时形成已加工表面的过程。 切削过程中产生的切削力，切削热直接影响着刀具的磨损和已加工表面质量，所以只有深入研究切削过程才能从根本上理解切削变形机理、切屑和加工表面的形成，了解切削力、切削温度的变化规律，及其对刀具磨损和加工质量的影响；有助于理解加工过程的优化措施，达到提高加工效率，降低成本，提高产品质量。 2）切削中的三个变形区 在图2-7中，工件上划出一些正交网格，假设刀具不动，工件从左向右运动，到达A —O 线后开始发生变形，方格扭曲，切削层金属大部沿前刀面剪切滑移变形 挤压 刀刃、前刀面 工件切削层 切屑 已加工表面
向上运动成为切屑，通过O —M 线后变形大部分完成。在沿前刀面继续运动中，接触前刀面的一部分与前刀面剧烈摩擦，继续变形，切削层下边缘金属由刀刃O 点下方流过，成为新切出的工件表层。 一般称AOM 区为第一变形区，切屑底部与前刀面摩擦而继续变形的区域称为第二变形区，从刀刃下面流过留在工件表面的变形区称为第三变形区。 第一变形区实际宽度只有0.02~0.2mm ，可用一平面近似代替，称为剪切面(图2-8)，其与切削速度夹角称剪切角φ。 3）第一变形区变形程度的表示 （1）变形系数（p37） 这一参数是利用切削层变形前后形状的差异来表示变形程度，切削层受到挤压成为切屑后变得又厚又短， 变形前后厚度比值称为厚度变形系数： D ch h h h =ξ （2－1） h D 为切削厚度（图1-28） h ch 为切屑厚度（图2-8）
《机械制造技术基础》部分习题参考解答 第二章 金属切削过程 2-1 什么是切削用量三要素？在外圆车削中，它们与切削层参数有什么关系？ 答：切削用量三要素是指切削速度v 、进给量f 、背吃刀量a p （切削深度）。 在外圆车削中，它们与切削层参数的关系是： sin /sin D r D p r D p h f b a A fa κκ===切削层公称厚度： 切削层公称宽度： 切削层公称横截面积： 2-2 确定外圆车刀切削部分几何形状最少需要几个基本角度？试画图标出这些基本角度。 答：确定外圆车刀切削部分几何形状最少需要7个基本角度：前角、后角、主偏角、副偏角、副前角、副后角和刃倾角，这些基本角度如下图所示（其中副前角、副后角不做要求）。 2-3 试述刀具标注角度和工作角度的区别。为什么车刀作横向切削时，进给量取值不能过大？ 答：刀具标注角度是在静态情况下在刀具标注角度参考系中测得的角度；而刀具工作角度是在刀具工作角度参考系中（考虑了刀具安装误差和进给运动影响等因素）确定的刀具角度。
车刀作横向切削时，进给量取值过大会使切削速度、基面变化过大，导致刀具实际工作前角和工作后角变化过大，可能会使刀具工作后角变为负值，不能正常切削加工（P23）。 2-4 刀具切削部分的材料必须具备哪些基本性能？ 答：（P24）(1) 高的硬度和耐磨性；(2) 足够的强度和韧性；(3) 高耐热性；(4) 良好的导热性和耐热冲击性能；(5)良好的工艺性。 2-5 常用的硬质合金有哪几类？如何选用？ 答：（P26）常用的硬质合金有三类：P类（我国钨钴钛类YT），主要用于切削钢等长屑材料；K类（我国钨钴类YG），主要用于切削铸铁、有色金属等材料；M类（我国通用类YW），可以加工铸铁、有色金属和钢及难加工材料。 2-6 怎样划分切削变形区？第一变形区有哪些变形特点？ 答：切削形成过程分为三个变形区。第一变形区切削层金属与工件分离的剪切滑移区域，第二变形区前刀面与切屑底部的摩擦区域；第三变形区刀具后刀面与已加工表面的摩擦区域。 第一变形区的变形特点主要是：金属的晶粒在刀具前刀面推挤作用下沿滑移线剪切滑移，晶粒伸长，晶格位错，剪切应力达到了材料的屈服极限。 2-7什么是积屑瘤？它对加工过程有什么影响？如何控制积屑瘤的产生？ 答：（P32-34）切削塑性材料又能形成带状切屑时在前刀面刀尖处粘附的三角形金属硬块是积屑瘤。 它对加工过程的影响是：使刀具前角增大，切削厚度变化，加工表面粗糙度增大，刀具寿命降低；粗加工时影响不大，精加工必须防止。 控制积屑瘤的措施是正确选用切削速度（避开易产出积屑瘤的切削速度范围）、使用润滑性能好的切削液、增大刀具前角、适当提高工件材料硬度。 2-8 试述影响切削变形的主要因素及影响规律。 答：（P34）影响切削变形的主要因素是： 工件材料：强度越高，切削变形系数越小； 刀具前角：增大刀具前角，切削变形系数减小； 切削速度：切削速度越大，切削变形系数越小； 切削层公称厚度：厚度越大，切削变形系数越小。
CAE联盟论坛精品讲座系列【二】 ABAQUS金属切削实例 主讲人：fuyun123CAE联盟论坛—ABAQUS版主 背景介绍： 切削过程是一个很复杂的工艺过程，它不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等。同时切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响，切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究。计算机技术的飞速发展使得利用有限元仿真方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量是很有帮助的。这种有限元仿真方法适合于分析弹塑性大变形问题，包括分析与温度相关的材料性能参数和很大的应变速率问题。ABAQUS作为有限元的通用软件，在处理这种高度非线性问题上体现了它独到的优势，目前国际上对切削问题的研究大都采用此软件，因此，下面针对ABAQUS的切削做一个入门的例子，希望初学者能够尽快入门，当然要把切削做好，不单单是一个例子能够解决问题的，随着深入的研究，你会发现有很多因素影响切削的仿真的顺利进行，这个需要自己去不断探索，在此本人权当抛砖引玉，希望各位切削的大神们能够积极探讨起来，让我们在切削仿真的探索上更加精确，更加完善。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 切削参数：切削速度300m/min，切削厚度0.1mm，切削宽度1mm 尺寸参数：本例作为入门例子，为了简化问题，假定刀具为解析刚体，因为在切削过程中，一般我们更注重工件最终的切削质量，如应力场，温度场等，尤其是残余应力场，而如果是要进行刀具磨损或者涂层刀具失效的分析的话，那就要考虑建立刀具为变形体来进行分析了。工件就假定为一个长方形，刀具设置前角10°，后角6°，具体尺寸见INP文件。 下面将切削过程按照ABAQUS的模块分别进行叙述，并对注意的问题作出相应的解释。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 建模：建模过程其实没有什么好注意的，对于复杂的模型，我一般用其他三维软件导入进来，注意导入的时候尽量将格式转化为IGES格式，同时要把一些不必要的东西去掉，比如一些尖角，圆角之类的，如果不是分析那个部位的应力集中的话就没必要导入它，如果导入，还要进行一些细化，大大降低了计算的效率。我一般做的是二维切削，模型相对比较简单，所以一般都是直接在ABAQUS中进行建模。由于此处为刚体，要在part里面建立刚体参考点，而且注意不要在装配模块建立参考点，因为有时候ABAQUS找不到装配模块相应的参考点。 1、工件
一.单选题 1.磨削时的主运动是( ) A.砂轮旋转运动 B工件旋转运动 C砂轮直线运动 D工件直线运动 2.如果外圆车削前后的工件直径分别是100CM和99CM,平均分成两次进刀切完加工余量,那么背吃刀量(切削深度)应为( ) A.10mm B.5mm C.2.5mm D.2mm 3.随着进给量增大,切削宽度会( ) A.随之增大 B.随之减小 C与其无关 D无规则变化 4.与工件已加工表面相对的刀具表面是( ) A.前面 B后面 C基面 D副后面 5.基面通过切削刃上选定点并垂直于( ) A.刀杆轴线 B工件轴线 C主运动方向 D进给运动方向 6.切削平面通过切削刃上选定点,与基面垂直,并且( ) A.与切削刃相切B与切削刃垂直C与后面相切D与前面垂直 7能够反映前刀面倾斜程度的刀具标注角度为 ( ) A主偏角B副偏角C前角D刃倾角 8能够反映切削刃相对于基面倾斜程度的刀具标注角度为 ( ) A主偏角B副偏角C前角D刃倾角 9外圆车削时,如果刀具安装得使刀尖高于工件旋转中心,则刀具的工作前角与标注前角相比会( ) A增大B减小C不变D不定 10切断刀在从工件外表向工件旋转中心逐渐切断时,其工作后角( ) A逐渐增大B逐渐减小C基本不变D变化不定 二填空题: 1工件上由切削刃形成的那部分表面,称为_______________. 2外圆磨削时,工件的旋转运动为_______________运动 3在普通车削时,切削用量有_____________________个要素 4沿_____________________方向测量的切削层横截面尺寸,称为切削宽度. 6正交平面参考系包含三个相互垂直的参考平面,它们是_________,___________和正交平面 7主偏角是指在基面投影上主刀刃与______________的夹角 8刃倾角是指主切削刃与基面之间的夹角,在___________面内测量 9在外圆车削时如果刀尖低于工件旋转中心,那么其工作前角会___________________ 10刀具的标注角度是在假定安装条件和______________条件下确定的. 三判断题:判断下面的句子正确与否,正确的在题后括号内画”√”,错误的画”×” 1在外圆车削加工时,背吃刀量等于待加工表面与已知加工表面间的距离.() 2主运动即主要由工件旋转产生的运动.( ) 3齿轮加工时的进给运动为齿轮坯的啮合转动.( ) 4主运动.进给运动和切削深度合称为切削量的三要素.( ) 5进给量越大,则切削厚度越大.( ) 6工件转速越高,则进给量越大( ) 7刀具切削部分最前面的端面称为前刀面( )
第二章金属切削过程中的物理现象及变化规律 一、填空题 1 、金属切削过程的本质是___________________________________________________。 2 、根据切屑形成过程中变形程度的不同，可把切屑的基本形态分为四种类型，分别是_____________、__________、和______________。 3 、第Ⅱ变形区的粘结区内的摩擦属于_______________。 4 、切削力的来源主要是_________________和_______________________两方面。 5 、刀具主偏角增加，背向力F p__________________，进给力F f_______________________。 6 、刀具正常磨损的主要形式有_________、___________ 和_____________。 7 、切削液的作用是_________、___________ 、__________ 和_____________。常用种类有______ 、________ 和______。 8 、刀具的几何参数包括_____________、___________、___________和__________ 四个方面。 9 、切削用量选择的顺序是：先选_____________再选_____________最后选_____________。 10 、粗加工时，限制进给量的主要因素是___________、___________；精加工时，限制进给量的主要因素是___________。 二、判别题 (正确的打√，错误的打 X) 1．积屑瘤在加工中没有好处，应设法避免。……………………………………………………………（） 2．刀具前角增加，切削变形也增加。……………………………………………………………………（） 3．影响刀具耐用度的主要因素是切削温度。…………………………………………………………… （） 4．切削厚度薄，则刀具后角应取大值。…………………………………………………………………（） 5．切削用量三要素中，对刀具耐用度影响最小的是背吃刀量。………………………………………（） 6．刀具耐用度是指一把新刃磨的刀具，从开始切削至报废为止所经过的总切削时间。……………（） 7．车削外圆时，在负刃倾角的影响下，致使切屑流向待加工表面。…………………………………（） 8．切削铸铁类等脆性材料时，应选取择YG类硬质合金。………………………………………………（）
切削用量对切削力的影响 比较 Prepared on 22 November 2020
切削用量对切削力的影响比较 （陕西理工学院机械工程学院） 摘要：通过分析切削力单因素实验，探讨切削用量对切削力的影响规律；同时讨论刀具几何参数对切削力的影响，得出一般结论；进而对比说明精密切削切削力的特殊规律。 关键词：切削变形；切削力；刀具；精密切削；规律 1.引言 金属机械加工过程中，产生的切削力直接影响工件的粗糙度和加工精度，同时也是确定切削用量的基本参数。所以掌握切削用量对切削力的影响规律也显得重要。本文从一般切削和精密切削两个方面对切削用量对切削力的影响规律做初步探讨。 2.金属切削加工机理 金属切削加工是机械制造业中最基本的加工方法之一。金属切削加工是指在金属切削机床上使用金属切削刀具从工件表面上切除多余金属，从而获得在形状、尺寸精度及表面质量等方面都符合预定要求的加工。 切削加工原理 利用刀具与工件之间的相对运动，在材料表面产生剪切变形、摩擦挤压和滑移变形，进而形成切屑。 切削变形 根据金属切削实验中切削层的变形，如图1-2，可以将切削刃作用部位的切削层划分为3个变形区。 第Ⅰ变形区：剪切滑移区。该变
] 3[形区包括三个过程，分别是切削层弹 性变形、塑性变形、成为切屑。 第Ⅱ变形区：前刀面挤压摩擦区。 该变形区的金属层受到高温高压作用， 使靠近刀具前面处的金属纤维化。 第Ⅲ变形区：后刀面挤压摩擦区。 该变形区造成工件表层金属纤维化与 图1-2切削层的变形区 加工硬化，并产生残余应力。 3.切削力 切削力是指切削过程中作用在刀具或工件上的力，它是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力。 切削力来源 根据切削变形的不同，切削过程中刀具会受到三种力的作用，即： （1）克服切削层弹性变形的抗力 （2）克服切削层塑性变形的抗力 （3）克服切屑对刀具前面、工件对刀具后面的摩擦力 切削力的合成与分解 图2-2切削力合力和分力 图2-2为车削外圆时切削力的合力与分力示意图。图中字母分别表示： N 1、F 1——作用在车刀前刀面的正压力、摩擦力 N 2、F 2——作用在车刀后刀面的正压力、摩擦力 Q 1、Q 2——N1与F 1、N 2与F 2的合力
金属切削中的物理现象及基本规律（3） 二、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。 （一）切削力的来源、切削分力 金属切削时，切削层及其加工表面上产生弹性和塑性变 形；同时工件与刀具之间的相对运动存在着摩擦力。如图 2-15 所示，作用在刀具上的力有两部分组成： 1. 作用在前、后刀面上的变形抗力 F nγ和 F nα ; 2. 作用在前、后刀面上的摩擦力F fγ和 F fα。 这些力的合力F称为切削合力，也称为总切削力。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。 车削时各分力的实用意义如下： 主切削力F c 作用于主运动方向，是计算机床主运动机构强度与刀杆、刀片强度及设计机床夹具、选择切削用量等的主要依据，也是消耗功率最多的切削力。
背向力F p 纵车外圆时，背向力F p不消耗功率，但它作用在工艺系统刚性最差的方向上，易使工件在水平面内变形，影响工件精度，并易引起振动。 F p是校验机床刚度的必要依据。 进给力F f 作用在机床的进给机构上，是校验进给机构强度的主要依据。 （二）切削力计算的经验公式 通过试验的方法，测出各种影响因素变化时的切削力数据，加以处理得到的反映各因素与切削力关系的表达式，称为切削力计算的经验公式。在实际中使用切削力的经验公式有两种：一是指数公式，二是单位切削力。 1 ．指数公式 主切削力(2-4) 背向力(2-5) 进给力(2-6) 式中F c————主切削力（N）； F p————背向力（N）； F f————进给力（N）； C fc、C fp、C ff————系数，可查表2-1； x fc、y fc、n fc、x fp、y fp、n fp、x ff、y ff、n ff ------ 指数，可查表2-1。 K Fc、K Fp、K Ff ---- 修正系数，可查表2-5，表2-6。 2 ．单位切削力 单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用kc表示，见表2-2。 kc=Fc/A d=Fc/(a p·f)=F c/(b d·h d) (2-7) 式中A D -------切削面积（mm 2）；
机械制造技术基础(第2版)第二章课后习题 答案
《机械制造技术基础》部分习题参考解答 第二章 金属切削过程 2-1 什么是切削用量三要素？在外圆车削中，它们与切削层参数有什么关系？ 答：切削用量三要素是指切削速度v 、进给量f 、背吃刀量a p （切削深度）。 在外圆车削中，它们与切削层参数的关系是： sin /sin D r D p r D p h f b a A fa κκ===切削层公称厚度： 切削层公称宽度： 切削层公称横截面积： 2-2 确定外圆车刀切削部分几何形状最少需要几个基本角度？试画图标出这些基本角度。 答：确定外圆车刀切削部分几何形状最少需要7个基本角度：前角、后角、主偏角、副偏角、副前角、副后角和刃倾角，这些基本角度如下图所示（其中副前角、副后角不做要求）。 2-3 试述刀具标注角度和工作角度的区别。为什么车刀作横向切削时，进给量取值不能过大？ 答：刀具标注角度是在静态情况下在刀具标注角度参考系中测得的角度；而刀具工作角度是在刀具工作角度参考系中（考虑了刀具安装误差和进给运动影响等因素）确定的刀具角度。
车刀作横向切削时，进给量取值过大会使切削速度、基面变化过大，导致刀具实际工作前角和工作后角变化过大，可能会使刀具工作后角变为负值，不能正常切削加工（P23）。 2-4 刀具切削部分的材料必须具备哪些基本性能？ 答：（P24）(1) 高的硬度和耐磨性；(2) 足够的强度和韧性；(3) 高耐热性；(4) 良好的导热性和耐热冲击性能；(5)良好的工艺性。 2-5 常用的硬质合金有哪几类？如何选用？ 答：（P26）常用的硬质合金有三类：P类（我国钨钴钛类YT），主要用于切削钢等长屑材料；K类（我国钨钴类YG），主要用于切削铸铁、有色金属等材料；M类（我国通用类YW），可以加工铸铁、有色金属和钢及难加工材料。 2-6 怎样划分切削变形区？第一变形区有哪些变形特点？ 答：切削形成过程分为三个变形区。第一变形区切削层金属与工件分离的剪切滑移区域，第二变形区前刀面与切屑底部的摩擦区域；第三变形区刀具后刀面与已加工表面的摩擦区域。 第一变形区的变形特点主要是：金属的晶粒在刀具前刀面推挤作用下沿滑移线剪切滑移，晶粒伸长，晶格位错，剪切应力达到了材料的屈服极限。 2-7什么是积屑瘤？它对加工过程有什么影响？如何控制积屑瘤的产生？ 答：（P32-34）切削塑性材料又能形成带状切屑时在前刀面刀尖处粘附的三角形金属硬块是积屑瘤。 它对加工过程的影响是：使刀具前角增大，切削厚度变化，加工表面粗糙度增大，刀具寿命降低；粗加工时影响不大，精加工必须防止。 控制积屑瘤的措施是正确选用切削速度（避开易产出积屑瘤的切削速度范围）、使用润滑性能好的切削液、增大刀具前角、适当提高工件材料硬度。 2-8 试述影响切削变形的主要因素及影响规律。 答：（P34）影响切削变形的主要因素是： 工件材料：强度越高，切削变形系数越小； 刀具前角：增大刀具前角，切削变形系数减小； 切削速度：切削速度越大，切削变形系数越小； 切削层公称厚度：厚度越大，切削变形系数越小。
金属切削中的物理现象及基本规律（3）二、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。 （一）切削力的来源、切削分力 金属切削时，切削层及其加工表面上产生弹性和塑性变 形；同时工件与刀具之间的相对运动存在着摩擦力。如图 2-15 所示，作用在刀具上的力有两部分组成： 1. 作用在前、后刀面上的变形抗力 F nγ和 F nα ; 2. 作用在前、后刀面上的摩擦力F fγ和 F fα 。 这些力的合力F称为切削合力，也称为总切削力。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。 车削时各分力的实用意义如下： 主切削力 F c 作用于主运动方向，是计算机床主运动机构强度与刀杆、刀片强度及设计机床夹具、选择切削用量等的主要依据，也是消耗功率最多的切削力。
背向力 F p 纵车外圆时，背向力F p不消耗功率，但它作用在工艺系统刚性最差的方向上，易使工件在水平面内变形，影响工件精度，并易引起振动。 F p是校验机床刚度的必要依据。 进给力 F f 作用在机床的进给机构上，是校验进给机构强度的主要依据。 （二）切削力计算的经验公式 通过试验的方法，测出各种影响因素变化时的切削力数据，加以处理得到的反映各因素与切削力关系的表达式，称为切削力计算的经验公式。在实际中使用切削力的经验公式有两种：一是指数公式，二是单位切削力。 1 ．指数公式 主切削力(2-4) 背向力(2-5) 进给力(2-6) 式中F c————主切削力（N）； F p————背向力（N）； F f————进给力（N）； C fc、C fp、C ff————系数，可查表2-1； x fc、y fc、n fc、x fp、y fp、n fp、x ff、y ff、n ff ------ 指数，可查表2-1。 K Fc、K Fp、K Ff ---- 修正系数，可查表2-5，表2-6。 2 ．单位切削力 单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用kc表示，见表2-2。 kc=Fc/A d=Fc/(a p·f)=F c/(b d·h d) (2-7) 式中A D -------切削面积（mm 2）；
1.金属切削过程的实质是什么？ 答：金属切削过程就是刀具从工件上切除多余的金属，使工件得到符合技术要求的几何精度和表面质量的过程。 2.切削运动可分哪两类，各有什么特点？ 答：切削运动可分为主运动和进给运动。主运动在切削过程中速度最高，消耗的功率最大，并且在切削过程中切削运动只有一个。进给运动的速度较低、消耗的功率较小，进给运动可以有一个或多个。 3.切削用量的主要参数有哪些？ 答.：切削用量的参数有切削速度、进给量和背吃刀量。 4.试述车刀前角、后角、主偏角、负偏角和刃倾角的作用，并指出如何使用？ 答：前角对切削的难易程度有很大的影响，前角大小的选择与工件材料、刀具材料、加工要求有关。后角的作用是为了减小后刀面与工件之间的摩擦和减少后刀面的磨损。主偏角的大小影响切削条件、刀具寿命和切削分力的大小。 5.车外圆时，车刀装得过高或过低、偏左或偏右，刀具角度会发生哪些变化？什么情况下可以利用这些变化？ 答：当刀尖高于工作中心时，刀具工作前角将增大，工作后角将减小。如果刀尖低于工作中心，则刀具工作前角减小，后角增大。若刀杆右偏，则车刀的工作主偏角将增大，负偏角将减小。若刀杆左偏，则车刀的工作主偏角将减小，负偏角将增大。 6.试标出图刀具的五个基本角度及主切削刃和副切削刃。 7.列举外圆车刀在不同参考系中的主要标准角度及其定义。 答：1）前角：在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角；后角：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角；主偏角：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角；副偏角：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角；刃倾角：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角；副后角：在副切削刃上选定点的副正交平面内，副后刀面与副切削平面之间的夹角。 8.偏角的大小对刀具耐用度和三个切削分力有何影响？当车削细长轴时，主偏角应选得较大还是较小？为什么？ 答：当切削面积不变时，主偏角增大，切削厚度也随之增大，切屑变厚，因而主切削力随着主偏角的增大而减小，但当主偏角增大到60~70之间时，主切削力又逐渐增大主偏角；背向力随着主偏角的增大而减小，进给力随着主偏角的增大而增大。 9.试述刀具的标注角度与工作角度的区别。为什么横向切削时，进给量不能过长？ 答：刀具的标注角度是指在刀具工作图中要标注出的几何角度，即在几何参考系中的几何角度。而工作角度是指以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度。在进行横向切削时，实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角，使得车刀的工作前角增大，工作后角减小。前刀面的受力也相应增大，影响加工质量和车刀的使用寿命。 10.试分析钻孔时的切削厚度、切削宽度及其进给量、背吃刀量的关系。 答：答：切削厚度是每次进给量的总和，切削宽度等于背吃刀量 11.常用的刀具材料有哪些？各有很么特点？ 答：常用刀具材料有工具钢，高速钢，硬质合金，陶瓷和超硬刀具材料。 1.高速钢有较高的耐热性，有较高的强度，韧性和耐磨性。广泛用于制造中速切削及形状复