模块金属切削加工中的主要现象及规律课件

模块2 金属切削加工中的主要现象 及规律,金属切削过程是指从工件表面切除多余金属形成已加工表面的过程，即切屑的形成过程。伴随着切屑的形成，产生切削变形、积屑瘤、表面硬化、切削力、切削热和刀具磨损等现象。 本模块将从加工现象出发，认识切削加工的本质和规律，以帮助大家更合理地使用刀具和机床，保证切削加工质量，减小能量消耗，提高生产效率。,模块2 金属切削加工中的 主要现象及规律,课题1 切削中的变形 课题2 切屑的种类及断屑 课题3 积屑瘤、加工硬化 课题4 切削力与切削热 课题5 刀具磨损与刀具耐用度,课题1 切削中的变形,一、课题引入 二、课题分析 三、相关知识,知识点 切削加工中的主要现象。 3个变形区。 技能点 熟悉3个变形区。,课题1 切削中的变形,一、课题引入 如图2-1所示，在切削加工过程中，随着切削层在刀具作用下变成切屑的同时将伴随有各种现象。这些现象的出现均源于加工过程中的变形。那么，在切削加工过程中，到底发生了怎样的变形？如何去衡量这些变形呢？,图2-1 金属的切削加工,课题1 切削中的变形,二、课题分析 金属切削加工过程是在刀具作用下进行的，因为刀具的作用，在刀具切削刃附近必然存在变形和不同的变形区域。由于被切削材料的性能及刀具几何参数的不同，造成了切屑变形的巨大差异，并且在切削加工中出现了多种物理现象，例如形成各种切屑、产生积屑瘤和刀具磨损等。这些现象的出现对切削加工必然产生相应的影响，例如降低表面质量和加剧刀具磨损等。为了满足加工要求，必须对加工中的变形进行严格的控制，这就要求我们了解切削加工的本质和现象，熟悉加工中的变形规律。,课题1 切削中的变形,三、相关知识 (一) 切屑的形成 如图2-2(a)所示是在直角自由切削情况下的切屑形成过程。当切削层金属接近始滑移面OA时，将产生弹性变形。进入OA以后，内部切应力达到材料的屈服点，此时将产生塑性变形，即产生金属晶格的一部分与另一部分的相对滑移。如图中质点P由点1向前移动的同时，将沿OA面滑移，其合成运动使点1流动到点2。22就是该滑移量。还有33、44等滑移量。,课题1 切削中的变形,随着滑移量的不断增加，变形逐渐强化，切应力也逐渐增大。在终滑移面OM上，切应力和切应变达到最大值，滑移变形基本结束。如图2-2(b)所示是切屑形成的示意图。将金属材料的被切层看作一叠卡片，如1、2、3、4、5等，当刀具切入时，卡片被推移到1、2、3、4、5等位置，卡片之间发生相对滑移，滑移方向就是最大切应力的剪切面。,课题1 切削中的变形,图2-2 切屑形成过程,课题1 切削中的变形,在实用条件下，剪切区一般很窄，在0.020.2mm之间。 【知识链接】 由工程力学和金属材料学知识可以知道，塑性金属材料在受压缩或拉伸时，随着外力增加，金属将相继产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，最终断裂。,课题1 切削中的变形,(二) 金属切削过程中的变形 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。根据切削过程中整个切削区域金属材料的变形特点，可将刀具切削刃附近的切削层划分为3个变形区，如图2-3所示。 第一变形区是在切削刃前面的切削层内的区域；第二变形区是在切屑底层与前刀面的接触区域；第三变形区发生在后刀面与工件已加工表面接触的区域。但这3个变形区并非绝然分开、互不相关，而是相互关联、相互影响、相互渗透。下面将分别介绍3个变形区的变形特点。,课题1 切削中的变形,图2-3 切削时的3个变形区,课题1 切削中的变形,1. 第一变形区 1) 变形特点 第一变形区是指在切削层内产生剪切滑移的塑性变形区，切削过程中的塑性变形主要发生在这里，所以它是主要变形区。 由于此变形区一般是很窄的，因此在实际中常用一个剪切面OM 来代替。如图2-4所示的OM 剪切面。根据材料力学可知，剪切滑移产生在切应力最大的平面OM 上，它和作用力F方向间的夹角为 。通常把切削速度vc与剪切面OM 间的夹角称为剪切角。,课题1 切削中的变形,课题1 切削中的变形,图2-4 剪切角,剪切角可按下式计算 式中 剪切角； 摩擦角，即切削合力F与前刀面垂直力FN之间的夹角； ro前角。 2) 变形程度的衡量 金属切削过程中的许多物理现象都与切削过程中的变形程度大小直接有关。衡量切削变形程度大小的方法有多种，实用中较常用也较方便的是用变形系数来衡量变形程度大小。,课题1 切削中的变形,(2-1),如图2-5所示，切削层经过剪切滑移变形变为切屑，其长度lc比切削层长度l短，厚度hch比切削层厚度hD厚，而宽度基本相等(设为bD)。设金属材料在变形前后体积不变，则,于是变形系数为,课题1 切削中的变形,(2-2),(2-3),图2-5 变形系数,课题1 切削中的变形,当工件材料相同而切削条件不同时，值越大说明塑性变形大；当切削条件相同而工件材料不同时，值愈大说明材料塑性大。 在应用中，切削层的长度l为已知，只要用细钢丝量出切屑的长度lc，便可计算出变形系数。这个方法很简便，但也很较粗略。 变形程度大小的衡量还可由相对滑移或剪切角大小来衡量。 【知识链接】 实验证明，第一变形区的厚度随着切削速度增大而变薄。一般情况下，其厚度仅为0.020.2mm，故可用一个平面来表示。,课题1 切削中的变形,2. 第二变形区图2-6 前刀面上的摩擦 当切屑沿前刀面流出时，切屑在与前刀面接触的区域，与前刀面挤压摩擦，进一步产生剪切滑移，这就是第二变形区。在第二变形区内，沿前刀面流出的切屑，其底层受到刀具的挤压和接触面间强烈的摩擦，继续进行剪切滑移变形，使切屑底层的晶粒趋向与前刀面平行而成纤维状，其接近前刀面部分的切屑流动速度降低。这层流速较慢的金属层称为滞流层。 在高温和高压的作用下，变软的切屑底层的滞流层会嵌入凹凸不平的前刀面的平面中，形成全面积接触，阻力增大，滞流层底层的流动速度趋于零，此时产生粘结现象，这个区域称为粘结区(如图2-6所示的lf1)。,课题1 切削中的变形,图2-6 前刀面上的摩擦,课题1 切削中的变形,当切屑继续沿前刀面流动时，粘结区内的摩擦现象不是发生在切屑底层与前刀面之间，而是发生在滞流层内部，滞流层内部金属材料的剪切滑移(切应力大于或等于金属材料的屈服强度s)代替了切屑底层与前刀面之间的相对滑移，这种摩擦称为内摩擦。在粘结区以外的范围内，如图2-6所示的lf2，由于切削温度降低，切屑底层金属塑性变形减小，切屑与前刀面接触面积减少，进入滑动区。该区域的摩擦称为滑动摩擦，即外摩擦。,课题1 切削中的变形,【知识链接】 第二变形区由粘结区和滑动区组成。实验证明：粘结区产生的摩擦力远超过滑动区的摩擦力，即第二变形区的摩擦特性应以粘结摩擦(内摩擦)为主。 3. 第三变形区 工件已加工表面和刀具后刀面的接触区域，称为第三变形区。 如图2-7所示，切削刀具刃口并不是非常锋利的，而存在刃口圆弧半径rn，切削层在刃口钝圆部分O 处存在复杂的应力状态。,课题1 切削中的变形,图2-7 已加工表面变形,课题1 切削中的变形,切削层金属经剪切滑移后沿前刀面流出成为切屑，O点之下的一层薄金属hD不能沿OM方向剪切滑移，被刃口向前推挤或被压向已加工表面，这部分金属首先受到压应力。此外，由于刃口磨损产生后角为零的小棱面BE及已加工表面的弹性恢复EF(h)，被挤压的hD层再次受到后刀面的拉伸摩擦作用，进一步产生塑性变形。 【知识链接】 已加工表面是经过多次复杂的变形而形成的。它存在着表面加工硬化和表面残余应力。,课题1 切削中的变形,练习与思考 1. 金属切削过程中的主要现象有哪些？ 2. 怎样划分金属切削变形区？ 3. 在第一变形区里发生什么样的变形？,课题1 切削中的变形,课题2 切屑的种类及断屑,一、课题引入 二、课题分析 三、相关知识,知识点 各种切屑的特征及产生条件。 切屑断裂的原因及预防措施。 技能点 熟练应用断屑方法。,课题2 切屑的种类及断屑,一、课题引入 在某数控车床上以0.20mm/r的进给量，100m/min的切削速度，一刀粗车(加工余量为6mm)某中碳钢工件时，出现了不易折断的带状切屑，严重影响了加工的进行。针对这种情况，如何才能有效地断屑呢？,课题2 切屑的种类及断屑,二、课题分析 通过前面的学习已经知道，切削过程中的金属切削层材料，在经过第一变形区的塑性变形后转变成切屑，从前刀面上流出。当加工时产生连绵不断的带状切屑时，不仅容易划伤工件加工表面和损坏刀刃，严重时还会威胁到操作者的安全。所以，采取必要的工艺措施，控制屑型和断屑一直是机械加工中极为重要的工艺问题。由于切屑是切削层变形的产物，所以，改变切削加工条件是改变切屑种类、实现断屑的有效途径，而影响切削加工条件的因素主要包括工件材料、刀具几何角度及切削用量等。,课题2 切屑的种类及断屑,通过本课题的学习，一是要掌握决定切屑种类及形状的因素；二是要掌握在实际加工中行之有效的断屑措施，并加以灵活使用。,课题2 切屑的种类及断屑,三、相关知识 (一) 切屑的种类及形状 1. 带状切屑 如图2-8(a)所示，切屑的外形呈带状，与前刀面接触的底面光滑，外表面为毛茸状。通常加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时得到带状切屑。形成这种切屑时，切削过程平稳、切削力波动较小、已加工表面粗糙度较小，但带状切屑会缠绕工件和刀具等，需采取断屑措施。,课题2 切屑的种类及断屑,图2-8 切屑的种类,课题2 切屑的种类及断屑,2. 挤裂切屑 如图2-8(b)所示，挤裂切屑外形与带状切屑相似，但变形程度比带状切屑大。这种切屑是在加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时得到的。此时切削力波动较大，切削过程中产生一定的振动，已加工表面较粗糙。 3. 单元切屑 如图2-8(c)所示，加工塑性较差的金属材料时，在挤裂切屑基础上将切削厚度进一步增大，切削速度和前角进一步减小，使剪切裂纹进一步扩展而断裂成梯形状的单元切屑。,课题2 切屑的种类及断屑,以上3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。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。,课题2 切屑的种类及断屑,4. 崩碎切屑 如图2-8(d)所示，切削铸铁等脆性金属材料时，由于材料的塑性差、抗拉强度低，切削层往往未经塑性变形就产生了脆性崩裂，形成不规则的崩碎状的切屑。此时切削力波动很大，有冲击载荷，已加工表面凹凸不平。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。 【知识链接】 以上4种切屑中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑和崩碎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，崩碎切屑只出现在脆性材料切削过程中。,课题2 切屑的种类及断屑,(二) 断屑方法 切屑断与不断的根本原因在于切屑的形成过程中的变形和应力，当切屑处于不稳定的状态或切削应力达到其强度极限时，就会断屑，通常切屑是卷曲后折断的。 课题引入实例中带状切屑不易折断的原因就在于其弯曲变形不足、应力过小。 工件材料、刀具角度和切削用量等都是影响断屑的因素。合理选择刀具几何角度、切削用量、磨断屑槽则是常用的断屑方法。,课题2 切屑的种类及断屑,针对课题引入的实例，可以有多种措施解决断屑问题，其中最简单易行的措施就是增大进给量。本例中，当将进给量提高到0.4mm/r时，就实现了断屑。 1. 减小前角、增大主偏角 前角和主偏角是对断屑影响较大的刀具几何角度。增大前角，切削变形小，不易断屑；减小前角，加剧切屑变形，易于断屑。由于将前角磨小会增大切削力，限制切削用量的提高，严重时会损坏刀具，甚至“闷车”，所以一般不单纯采用减小前角来断屑。,课题2 切屑的种类及断屑,增大主偏角可增大切削厚度，易于断屑。例如，同样条件下90刀就比45刀容易断屑。另外，增大主偏角有利于减小加工中的振动。所以，增大主偏角是一种行之有效的断屑方法。 2. 减小切削速度、增大进给量 改变切削用量是断屑的另一措施。增大切削速度，切屑底层金属变软且切屑变形不充分，不利于断屑；减小切削速度，反而容易断屑。因此，在车削时，可通过降低主轴转速，减小切削速度来断屑。,课题2 切屑的种类及断屑,增大进给量可增大切屑厚度，易于断屑。这是加工中经常采用的一种断屑手段，不过应当注意，随着进给量的增大，工件表面粗糙度值将会明显增大。 车削加工时，往往有这样的情况，有时吃刀深了不断屑，吃刀稍浅一点就能断屑。这是因为当背吃刀量增大时，切削宽度随之增大，薄而宽的切削变形和应力小，不易折断。当背吃刀量浅时，切屑变得短而厚、变形和应力大，容易折断。但是如果背吃刀量过小，切屑的截面积减小、应力小，也不容易断屑。,课题2 切屑的种类及断屑,不难发现，适当调整切削用量或改变刀具几何角度确实能解决断屑问题，但这样做有时会影响到切削用量和刀具几何角度的合理性，从而造成加工效率和刀具寿命的明显降低。目前，普遍采用在刀具上磨制断屑槽的方法强制断屑。 3. 开设断屑槽 断屑槽是指在刀具前刀面上做出的槽，有折线形、直线圆弧形、全圆弧形3种槽型，如图2-9所示。,课题2 切屑的种类及断屑,图2-9 断屑槽的类型,课题2 切屑的种类及断屑,切削碳素钢、合金钢、工具钢时，可选用折线形、直线圆弧形断屑槽；切削高塑性材料工件时，如纯铜和不锈钢工件等，可选用全圆弧形断屑槽。 断屑槽的宽度LBn、反屑角Bn、斜角是影响断屑的主要参数。不难理解，宽度LBn减小，反屑角Bn增大，均易于断屑。但应注意，如果宽度LBn过小，反屑角Bn增大，容易堵屑。 通常宽度LBn按下式初选：,课题2 切屑的种类及断屑,反屑角Bn按槽型选择：折线槽6070 直线槽4050 全圆弧槽3040 当背吃刀量ap=26mm时，一般取断屑槽的圆弧半径rBn=(0.40.7)LBn。 断屑槽斜角是断屑槽侧边与主切削刃之间的夹角，一般在515范围内选取。断屑槽斜角有外斜式、平行式、内斜式3种形式，如图2-10所示。外斜式的主要特点是：断屑槽的宽度前宽后窄，断屑槽深度前深后浅；内斜式则相反；平行式断屑槽前后等宽、等深。,课题2 切屑的种类及断屑,图2-10 断屑槽斜角,课题2 切屑的种类及断屑,外斜式断屑槽易形成“C”形或“6”形切屑，断屑范围较宽，断屑稳定可靠，但背吃刀量较大时，容易产生堵屑，甚至会损坏刀刃，适合于背吃刀量不太大的场合。平行式断屑槽的断屑范围和效果与外斜式断屑槽相近，但背吃刀量的变动范围较大时，宜采用平行式，但进给量应稍大；内斜式断屑槽易形成卷得很紧的螺旋状切屑，这种切屑到一定长度后靠自身的重量摔断，是一种较为理想的切屑形状，但断屑范围小，主要用于切削用量较小的半精加工和精加工。,课题2 切屑的种类及断屑,只有处理好断屑槽与切削用量的关系，才能有良好的断屑效果。粗车时，吃刀深、走刀大，断屑槽要磨得宽、浅一点；精车时，吃刀浅，走刀小，切削速度大，断屑槽要磨得窄、深一点。 练习与思考 1. 切屑在哪个变形区形成？加工塑性材料出现的切屑种类有哪些？各自的产生条件是什么？ 2. 为什么车削加工中不宜形成单元或崩碎切屑？ 3. 为什么不可忽视塑性材料切削时的断屑问题？,课题2 切屑的种类及断屑,课题3 积屑瘤、加工硬化,一、课题引入 二、课题分析 三、相关知识,知识点 积屑瘤、加工硬化及产生条件。 积屑瘤在加工中的利弊。 加工硬化的不利影响。 积屑瘤的控制方法。 技能点 合理利用与控制积屑瘤、加工硬化。,课题3 积屑瘤、加工硬化,一、课题引入 在上一个课题中，我们学习了切屑的种类。在加工钢材和有色金属等塑性材料时，有时会出现以下现象：某工人在以300r/min的转速加工直径为25mm的某中碳钢工件后，发现在刀具前刀面上主切削刃附近“长出”了一个硬度很高的楔块，如图2-11所示，并且工件已加工表面也变得比较粗糙。这是怎么回事呢？,课题3 积屑瘤、加工硬化,图2-11 积屑瘤,课题3 积屑瘤、加工硬化,另外大家可能有这样的体会，经过硬质合金车刀高速车削后的表面，如果再用高速钢车刀低速精车，往往会出现刀具“打滑”现象或引起刀具剧烈磨损，在加工不锈钢等材料时这种现象尤为突出。这是什么原因呢？如何减轻这种现象呢？,课题3 积屑瘤、加工硬化,二、课题分析 其实这个长在刀具前刀面上的硬度很高的楔块就是本课题要讨论的积屑瘤，俗称刀瘤。从课题引入实例可以看出，积屑瘤是在一个特定的加工条件下形成的，它的存在必然会对切削加工产生相应的影响，正如前面提到的它会使加工表面变得粗糙，影响工件的加工质量。那么，积屑瘤到底是在什么特定条件下形成的呢？它对切削加工过程是否存在有利的一面呢？为了减小和消除积屑瘤可能带来的不利影响，我们又该采取什么措施呢？,课题3 积屑瘤、加工硬化,经过硬质合金车刀高速车削后的工件已加工表面的硬度有了明显的提高。工件材料未经热处理而硬度提高的现象称为加工硬化。顾名思义，加工硬化是由切削加工造成的，加工硬化的产生从某种意义上来说强化了工件材料，但就切削加工而言，加工硬化的产生给后续工序带来了困难，例如，课题实例中所提到的使切削刀具“打滑”和加速刀具材料的磨损。所以，我们有必要掌握加工硬化的起因，明确加工硬化的影响因素，学会控制加工硬化的措施并应用于生产实际。 下面就来学习积屑瘤和加工硬化的相关知识。,课题3 积屑瘤、加工硬化,三、相关知识 (一) 积屑瘤 1. 积屑瘤及其形成条件 简单地说，积屑瘤就是堆积在刀具前刀面上靠近切削刃处的一个硬度很高的楔块，它的硬度约为工件材料硬度的23倍。,课题3 积屑瘤、加工硬化,如图2-12所示，在一定的加工条件下，随着切屑与前刀面间温度和压力的增加，切屑底层受到很大的摩擦阻力，使这一层金属的流速减慢，产生“滞流”现象。当温度和压力增加到一定程度，滞流层中、底层与前刀面产生了粘结，当切屑底层中剪切应力超过金属的剪切屈服强度极限时，底层金属流动速度为零而被剪断，并粘结在前刀面上，这就形成了积屑瘤。,课题3 积屑瘤、加工硬化,图2-12 积屑瘤的形成,课题3 积屑瘤、加工硬化,【知识链接】 由于切屑底面是刚形成的新表面，而它对前刀面强烈的摩擦又使前刀面变得十分洁净，当两者的接触面达到一定温度和压力时，具有化学亲和性的新表面易产生粘结现象。这时切屑从粘结在刀面上的底层上流过(剪切滑移)，因内摩擦变形而产生加工硬化，又易被同种金属吸引而阻滞在粘结的底层上。这样，一层一层的堆积并粘结在一起，形成积屑瘤，直至该处的温度和压力不足以造成粘结为止。,课题3 积屑瘤、加工硬化,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。因此形成积屑瘤的条件主要取决于切削温度，例如切削中碳钢的切削温度在300380时，易产生积屑瘤。 2. 积屑瘤在切削加工中的利弊 像对待任何事物一样，对待积屑瘤也应该一分为二。 1) 积屑瘤对切削加工的有利之处 (1) 保护刀具。由于积屑瘤是经层层挤压摩擦产生的，所以硬度很高，完全可代替刀刃进行工作；并且积屑瘤在前刀面刃口粘得很牢固，起到了对刀具的保护作用。,课题3 积屑瘤、加工硬化,(2) 减小切削力。形成积屑瘤时，增大了刀具的实际工作前角，可显著减小切削力。 鉴于积屑瘤对切削过程的有利一面，粗加工时，可允许它的存在，以使切削更轻快，刀具更耐用。 2) 积屑瘤对切削加工的不利影响 (1) 对切削力的影响。由于积屑瘤不稳定，导致了切削力的波动。 (2) 影响加工尺寸。由于积屑瘤的存在，改变了预先设定的背吃刀量，从而影响了工件的加工尺寸。另外，积屑瘤伸出切削刃之外，使切削层深度发生变化，造成工件过切，影响了零件的尺寸精度。,课题3 积屑瘤、加工硬化,(3) 对已加工表面粗糙度的影响。积屑瘤不稳定，易破裂，其碎片随机性地散落，可能会留在已加工表面上。另外，积屑瘤形成的刃口不光滑，使已加工表面变得粗糙。 (4) 影响刀具耐用度。积屑瘤不稳定时，破裂部分有可能引起硬质合金刀具的剥落，反而降低了刀具耐用度。 从上面分析可知，积屑瘤有利有弊。粗加工时，对精度和表面粗糙度要求不高，如果积屑瘤能稳定生长，则可以代替刀具进行切削，保护刀具，同时减小切削变形；精加工时，则应避免积屑瘤的出现。,课题3 积屑瘤、加工硬化,3. 减小或避免积屑瘤的措施图2-13 所示为积屑瘤高度与切削速度的关系 (1) 避免采用产生积屑瘤的速度进行切削，即宜采用低速或高速切削，因低速切削加工效率低，故多采用高速切削。如图2-13所示为积屑瘤高度与切削速度的关系。 (2) 采用大前角刀具切削，以减少刀具前刀面与切屑接触的压力。 (3) 适当提高工件材料的硬度，减少加工硬化倾向。 (4) 使用润滑性好的切削液，减少前刀面粗糙度，降低刀具与切屑接触面的摩擦系数。,课题3 积屑瘤、加工硬化,图 2-13 积屑瘤高度与切削速度的关系,课题3 积屑瘤、加工硬化,(二) 加工硬化 1. 加工硬化及其起因 加工硬化也叫冷作硬化，是指已加工表面经过切削加工后，其表层金属硬度高于里层金属硬度的现象。切削加工时，在已加工表面形成过程中，表面层金属经历了复杂的塑性变形。这是工件已加工表面产生加工硬化的根本原因。表面塑性变形越大，硬度越高，硬化层越深，硬化越严重。 【知识链接】 加工硬化其硬化层的硬度比工件硬度高1.42.2倍，硬化层的深度可达几十至几百微米。,课题3 积屑瘤、加工硬化,造成加工硬化的具体原因是：在已加工表面的形成过程中，其表层金属产生了复杂的塑性变形，金属的晶格被拉长、拧紧、扭曲和破碎，阻碍了进一步的塑性变形，使金属强化；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。,课题3 积屑瘤、加工硬化,2. 加工硬化的不利影响 加工硬化使下道工序加工困难，加速刀具磨损；同时硬化层的表面常常会出现微细的裂纹，并在表层内形成残余应力，增大了表面粗糙度和降低了材料的疲劳强度。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。,课题3 积屑瘤、加工硬化,3. 加工硬化的控制 加工时应尽量减轻或避免硬化现象。提高刀具刃磨质量，减小刃口钝圆半径；增大刀具前角，减小切削变形；增大后角，减小摩檫；提高切削速度，减小变形等。也可以利用加工硬化来提高已加工表面的硬度和耐磨性等。,课题3 积屑瘤、加工硬化,练习与思考 1. 分析积屑瘤产生的原因。 2. 分析积屑瘤对生产的影响。 3. 怎样减小或避免积屑瘤？ 4. 怎样尽量减轻或避免硬化现象？ 5. 造成加工硬化的主要原因是什么？ 6. 加工硬化的控制措施有哪些？,课题3 积屑瘤、加工硬化,课题4 切削力与切削热,一、课题引入 二、课题分析 三、相关知识,知识点 切削力及其分解。 切削分力及其计算意义、切削功率的计算。 切削热与切削温度。 技能点 掌握切削力的计算方法，采取措施减小切削力。 根据切屑颜色判断切削温度，采取措施降低切削温度。,课题4 切削力与切削热,一、课题引入 在电动机功率为7.5kW的C6140车床上，采用牌号为YT15的车刀加工45钢外圆，已知待加工表面直径为50mm，背吃刀量为3mm，进给量为0.3mm/r，转速为800r/min，设车床传动效率为80%，要求计算主切削力并验算电动机功率。另外，在车削碳素结构钢时，如果切屑颜色变为深蓝色，则车刀刀尖部位的温度大约是多少？,课题4 切削力与切削热,二、课题分析 金属切削加工的目的在于通过刀具的作用从毛坯上切下多余的金属材料，得到满足加工要求的工件。在切削加工过程中，刀具必须克服被加工材料的切削变形阻力，这个阻力的反作用力就是切削力。切削力是设计机床、夹具、刀具的重要数据，也是分析切削过程工艺质量问题的重要参考数据。减小切削力，不仅可以降低功率消耗、降低切削温度，而且可以减小加工中的振动和零件的变形，还可以延长刀具的寿命。所以，必须掌握切削力和切削功率的计算方法，熟悉切削力的影响因素及变化规律，并能采取措施减小切削力。,课题4 切削力与切削热,切削热和切削温度也是切削加工中不可忽视的因素，在高精度加工中更是如此，所以正确判断和有效降低切削温度是非常重要的。 下面就来学习切削力和切削热的有关知识。,课题4 切削力与切削热,三、相关知识 (一) 切削力及其来源 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力(Fr)。图2-14 作用在刀具上的切削力 切削力来源于3个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力，来源于3个变形区中切屑、工件与刀面间的摩檫力。 (二) 切削力的分解与切削功率 1. 切削力分解 如图2-14所示，作用在前、后刀面上的变形抗力为Ff和F；作用在前、后刀面上的摩擦力为 和 。,课题4 切削力与切削热,图2-14 作用在刀具上的切削,课题4 切削力与切削热,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3个互相垂直的分力Fc、Fp、Ff，如图2-15所示。主切削力Fc是总切削力F在主运动方向上的分力；背向力Fp是总切削力F在垂直于假定工作平面方向上的分力是；进给力是Ff是总切削力在进给运动方向上的分力。,课题4 切削力与切削热,图2-15 外圆车削时力的分解,课题4 切削力与切削热,车削时各分力的实用意义如下。 主切削力Fc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和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Fp纵车外圆时，背向力Fp不消耗功率，但它作用在工艺系统刚度最差的方向上，易使工件在水平面内变形，影响工件精度，并易引起振动。Fp是校验机床刚度的必要依据。 进给力Ff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。,课题4 切削力与切削热,【知识链接】 切削力计算的经验公式具体如下。 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),课题4 切削力与切削热,式中 CFc、CFD、CFf系数； FFc、PFc、FFp、PFp、FFf、PFf指数； KFf、KFD、KFc修正系数。 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c表示。,课题4 切削力与切削热,(2-7),式中 Ad切削面积，mm2； ap背吃刀量，mm； f进给量，mm/r； hd切削厚度，mm； bd切削宽度，mm。 已知单位切削力c，求主切削力Fc具体如下。,Fc=capf =chdbd,式(2-8)中的c是指f =0.3mm/r时的单位切削力， 当实际进给量f大于或小于0.3mm/r时，需乘以修正系数,(2-8),课题4 切削力与切削热,2. 切削功率 在切削加工中，为保证机床的正常工作和安全生产，应当对切削中的功率损耗加以计算，切削功率(Pm)的计算式如下所示。,课题4 切削力与切削热,(2-9),【知识链接】 切削功率为3个切削分力功耗的总和，即Pm=Fcvc+Fpvp+Ffvf。之所以采用式(2-9)进行计算，是因为主切削力Fc是3个分力中最大的一个分力，消耗功率最多，约占总切削功率的90%以上；背向力Fp在纵向走刀时不消耗功率；同时，由于Ff比Fc小得多，进给速度vf比主运动速度vc也小得多，可忽略不计。,课题4 切削力与切削热,(三) 影响切削力的主要因素 1. 工件材料 工件材料的物理力学性能、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。工件材料的硬度愈高，则切削力愈大。工件材料虽然硬度、强度较低，但塑性、韧性大，加工硬化能力大，其切削力仍很大，如1Cr18Ni9Ti等不锈钢。,课题4 切削力与切削热,2. 切削用量 如图2-16所示，背吃刀量ap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ap增大，切削宽度bd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，第一变形区和第二变形区的变形与摩擦相应增大。,课题4 切削力与切削热,图2-16 ap、f对切削力的影响,课题4 切削力与切削热,当背吃刀量增大一倍时，切削力也增大一倍。进给量f增大，切削厚度hd增大，而切削宽度bd不变，这时剪切面积虽按比例增大，但第二变形区的变形却未按比例增大。而进给量增大，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%。 从上述分析可知，ap和f 对切削面积的影响相同，但对单位切削力的影响不同。ap增加时单位切削力不变，f增加时，单位切削力减小。当切削面积Ad相等时，为了减小切削力，可以选择大的进给量f，小的背吃刀量ap，即采用窄而厚的切屑断面形状。如图2-17所示为车削45钢时，ap与f对切削力影响的实验曲线。,课题4 切削力与切削热,图2-17 车削45钢时，ap与f对切削力的影响,课题4 切削力与切削热,切削速度vc对切削力的影响呈波浪形变化，如图2-18所示。由切削变形一节所述可知，切削速度vc小于50m/min的范围内，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。速度vc继续增高，切削温度上升，切削力又下降，但变化较小。如vc从50m/min增加至500m/min时，切削力减少约10%。生产中的高速切削技术就可减小切削力，提高切削效率。,课题4 切削力与切削热,图2-18 切削速度vc和切削力的关系,课题4 切削力与切削热,3. 刀具几何参数 1) 前角 在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大。如图2-19所示，前角越大，切屑越易于从前刀面流出，切削变形越小，从而使切削力下降，但前角o对3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，如紫铜和铝合金等，切削时塑性变形大，前角的影响较显著；而对脆性材料，如铸铁和脆黄铜等，前角的影响就较小。,课题4 切削力与切削热,图2-19 对Fc、Fp、Ff的影响,课题4 切削力与切削热,【知识链接】 前角是对切削力影响最大的刀具角度，在刀具强度允许的情况下，应尽量增大刀具的前角。 2) 主偏角 如图2-20所示为主偏角r对3个切削分力的影响。从图中看出主偏角对主切削力的影响不大，当r=6075时，主切削力最小。但主偏角对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r=90，理论上背向力Fp=0，实际上由于有刀尖圆弧半径r和副切削刃参与切削，即使r=90，Fp还是存在的。在车削刚度较差的细长轴时，应选用较大的主偏角，就是为了减小Fp的影响。Fp/Fc、Ff/Fc的比值见表2-1。,课题4 切削力与切削热,图2-20 对Fc，Fp，Ff的影响,课题4 切削力与切削热,表2-1 切削钢和铸铁时Fp/Fc，Ff/Fc比值,主偏角,0.20.35,0.150.3,0.10.2,Ff/Fc,0.150.3,0.20.35,0.30.45,Fp/Fc,铸铁,0.40.55,0.350.5,0.250.4,Ff/Fc,0.250.4,0.350.5,0.550.65,Fp/Fc,钢,90,75,45,工件材料,课题4 切削力与切削热,3) 刃倾角 如图2-21所示为刃倾角对3个切削分力的影响。由图可见，刃倾角s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s从正值变为负值时，Fp增加，Ff减小。所以车削刚度较差的工件时，一般不取负的刃倾角。,课题4 切削力与切削热,图2-21 s对Fc，Fp，Ff的影响,课题4 切削力与切削热,4) 刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径的大小将影响切削刃上的圆弧部分的长度和平均主偏角rB。如图2-22所示，在背吃刀量ap，进给量f和主偏角r一定的情况下，增大刀尖圆弧半径r，刀刃曲线部分长度增大，切削刃平均主偏角减小，使切屑断面形状中bD增长，hD减小，成为薄而宽的切屑，从而使切削变形增加，所以切削力也增加，其中Fp明显增加，Ff降低。因此在工艺系统刚度较差时，应选用较小的刀尖圆弧半径。,课题4 切削力与切削热,图2-22 r对Fc，Fp，Ff的影响,课题4 切削力与切削热,4. 其他影响因素 刀具材料不同时，切屑与刀具间的摩擦状态也不同，从而影响切削力。如用YT硬质合金刀具切削钢料与用高速钢刀具切削相比，其Fc约降低5%10%。 使用适宜的切削液可降低切削力。刀具后刀面磨损大，切削力也增加。刀具具有负倒棱时，切削变形增大，切削力也增大。,课题4 切削力与切削热,(四) 切削温度及其主要影响因素 切削温度是切削过程中的又一基本物理现象。切削温度的变化能改变工件材料的性能，影响积屑瘤的产生和消失，以及影响已加工表面的质量。因此认识它的变化规律，具有重要的实用意义。 1. 切削热的产生与传出 如图2-23所示，在3个变形区中，因变形和摩擦所作的功绝大部分都转化成热能。,课题4 切削力与切削热,图2-23 切削热的产生与传出,课题4 切削力与切削热,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)。 如图2-24(a)所示为切削钢时所测得的正交平面内的温度分布；如图2-24(b)所示是车削不同材料时，前、后刀面上温度分布情况。从图中可以看出以下几点：,课题4 切削力与切削热,图2-24 车刀切削温度的分布情况,课题4 切削力与切削热,(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。 3. 切削温度的主要影响因素 1) 工件材料 工件材料的强度、硬度高，导热率低，高温下的强度、硬度高，都会使变形功增加，使切削温度升高。切削脆性材料，因变形小，摩擦小，故其切削温度较低，如图2-25所示。,课题4 切削力与切削热,图2-25 不同切削速度下各种材料的切削温度,课题4 切削力与切削热,2) 切削用量 (1) 背吃刀量ap。ap对切削温度的影响很小。背吃刀量ap增加，产生的热量按比例增加。ap增大一倍，切削宽度bD也增加一倍，刀具的传热面积也增大一倍，改善了刀头的散热条件，切削温度只是略有提高。 (2) 进给量f。f对切削温度的影响比ap大。进给量f增加，产生的热量增加。虽然f增加使切削厚度hD增加，切屑的热容量增大，切屑能带走较多的热量，但由于切削宽度bD不变，刀具散热面积未按比例增加，刀具的散热条件未得到改善，所以切削温度会升高。,课题4 切削力与切削热,由以上分析可知，为控制切削温度，应采用宽而薄的切削层剖面形状。 (3) 切削速度vc。vc对切削温度的影响最大。切削速度增加，变形功与摩擦转变的热量急剧增多，虽然切屑带走的热量也相应增多，然而刀具传热的能力没有什么变化，切削温度显著提高。 因此切削用量三要素中，控制切削速度vc是控制切削温度最有效的措施。如图2-26所示是vc、f、ap对切削温度的影响。,课题4 切削力与切削热,图2-26 vc、f、ap对切削温度的影响,课题4 切削力与切削热,3) 刀具几何参数的影响 (1) 前角o。o增大，切削刃锋利，切屑变形小，前刀面摩擦减小，产生的热量减小，所以切削温度随o增大而降低。但前角过大时，由于刀具楔角变小，刀具散热体积减少，切削温度反而会提高。如图2-27所示为前角与切削温度的关系。,图2-27 ro与切削温度的关系,课题4 切削力与切削热,(2) 主偏角r。r减小，在ap不变的条件下，主切削刃工作长度增加，散热面积增加，因此切削温度下降。如图2-28所示为主偏角与切削温度的关系。,图2-28 与切削温度的关系,课题4 切削力与切削热,(3) 刀尖圆弧半径r。r增大，平均主偏角减小，切削宽度bd增加，散热面积增加，切削温度降低。 4) 其他影响因素 选择合适的冷却液能带走大量的切削热，从而降低切削温度。从导热性能看，水溶液的冷却性能最好，切削油的冷却性能最差。切削液本身温度愈低，降低切削温度的效果愈明显。,课题4 切削力与切削热,练习与思考 1. 切削力产生的原因是什么？车削时切削力如何分解？ 2. 切削时，切削温度为什么不宜过高？车削加工时的切削热主要通过什么途径进行传散？ 3. 计算切削分力的实际意义是什么？,课题4 切削力与切削热,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,一、课题引入 二、课题分析 三、相关知识,知识点 刀具磨损的原因。 刀具磨损的形式。 磨钝标准及刀具耐用度。 技能点 合理地确定刀具耐用度。,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,一、课题引入 一把新刃磨的刀具，切削起来比较轻快，但使用一段时间后，加工情况就大不相同了，切削起来可能会比较沉重，甚至出现振动。有时会从工件与刀具接触面处发出刺耳的尖叫声，会在加工表面上出现亮点和紊乱的刀痕，表面粗糙度明显恶化，切屑的颜色变深，呈紫色或紫黑色。那么，这是什么原因呢？如何才能防止这些现象的产生呢？,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,二、课题分析 以上种种现象说明，这把使用一段时间后的刀具经过磨损已经变钝，切削能力明显下降，必须将刀具立即卸下来重新刃磨或更换新刀。如果继续进行切削，轻则加剧刀具磨损和加工振动，使加工表面继续恶化，重则刀具崩刃，甚至发生安全事故。刀具变钝显然是磨损所致，而刀具磨损的快慢必然与切削条件有关，如加工时所选的切削用量等。为了防止上述现象的出现，必须熟悉刀具磨损的具体原因及磨损的形式，在刀具变钝之前，及时地停止加工，并对其进行刃磨。 下面就来学习刀具磨损和刀具耐用度的有关知识。,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,三、相关知识 (一) 刀具磨损形式 刀具正常磨损的形式一般有以下几种。 1. 前刀面磨损 切削塑性金属时，如果切削速度较高，进给量较大，切屑在前刀面处会逐渐磨出一个月牙洼状的凹坑，随着切削的继续，月牙洼深度不断增大，当接近刃口时，会使刃口突然崩去。前刀面磨损量的大小，用月牙洼宽度KB和深度KT表示，如图2-29所示。,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,图2-29 车刀的磨损形式,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,2. 后刀面磨损 由于刃口和后刀面对工件过渡表面的挤压与摩擦，在切削刃及其下方的后刀面上逐渐形成一条宽度不匀，布满深浅不一沟痕的磨损棱面，如图2-29所示。刀尖部分(C区)强度低散热又差，磨损较严重，其值为VC；主切削刃靠近工件的外表处(N区)，由于毛坯的硬皮或加工硬化等原因，也磨出较大的深沟，其最大值为VN；中间部位(B区)磨损比较均匀，平均宽度以VB来表示，最大值以VBmax来表示。,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,3. 前、后刀面同时磨损 当切削塑性金属时，如切削厚度适中，则经常发生前、后刀面同时磨损。由于各类刀具都有后刀面磨损，而且后刀面磨损又易于测量，所以通常用比较能代表刀具磨损性能的VB和VBmax来代表刀具磨损量的大小。 (二) 刀具磨损的原因 造成刀具磨损的原因很复杂，它是在高温和高压下受到机械和热化学作用而发生的，具体分为以下几种原因。,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,1.硬质点磨损 工件材料中含有比刀具材料硬度高的硬质点，在切削过程中对刀具较软的基体会刻出一条沟痕而造成机械磨损。在低速切削时，硬质点磨损是刀具磨损的主要原因。 2. 粘结磨损 工件或切屑的表面与刀具表面之间的粘结点，因相对运动，刀具一方的微粒被带走而造成的磨损。粘结磨损与切削温度有关，也与工件材料与刀具材料之间的亲和力有关。 3. 扩散磨损 在高温下，工件材料与刀具材料中有亲和作用的元素的原子，相互扩散到对方中去，使刀具材料的化学成分发生变化，削弱了刀具的切削性能而造成的磨损。,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,4. 相变磨损 刀具材料因切削温度升高，达到相变温度而发生金相组织的变化，使刀具硬度降低而造成的磨损。如高速钢刀具，当切削温度达到相变温度时发生相变磨损，丧失了切削性能。 【知识链接】 刀具磨损还有其他原因：氧化磨损、热化学磨损和电化学磨损等。 综上所述，切削温度愈高，刀具磨损愈快，因此切削温度是刀具磨损的主要原因。,课题5 刀具磨损与刀具耐用度,(三) 非正常磨损 在切削过程中，刀具除正常磨损失去切削能力外，还有卷刃、崩刃、破碎或人为损坏等，使刀具失去切削能力，这些属于非正常磨损。在应用中，应通过正确选择刀具材料、合理地选择切削条件和规定合理的操作方法等措施，避免非正常磨损的发生。 (四) 刀具耐用度及其主要影响因素 1. 刀具磨损限度(磨钝标准) 刀具磨损限