金属切削过程的基本理论.ppt

教学目的与要求: 通过本章的学习,掌握金属切削变形、切削力、切削热和刀具的破损与磨损的原因和刀具耐用度的基本概念。 教学内容摘要： 本章主要介绍切削变形区、变形程度的表示方法、切削力的来源与影响因素；切削热的产生与传出、计算、对切削加工的影响；刀具磨损与破损的形态、磨损的原因和刀具耐用度的选用。 教学重点与难点： 重点是切削变形程度的表示方法、切屑的种类及积屑瘤成因、切削力的影响因素、切削热的计算及影响因素分析、刀具磨损与破损的原因和刀具耐用度的选择。 难点是切削变形、切削力与切削热影响因素分析。,研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论, 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。,在金属切削过程(cutting process)中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，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。,一、切屑的形成过程及切屑类型,（一）切屑的形成过程,切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程。,第一节 金属切削层的变形,压缩变形后沿45o方向开裂,(a)压缩,塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂,（b）切削,以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。,金属切削层的变形和切屑,金属切削过程与挤压过程相似。切塑性金属时： 1）金属受前刀面的挤压,在OA(始滑移面)以左产生弹性变形; 2）应力逐渐变大，在AOE内产生塑性变形; 3）应力达到强度极限，在OE(终滑移面) 上发生剪切滑移; 4）在OE(终滑移面)以上, 金属被切离形成切屑。 塑性金属的切削过程经历了四个阶段：弹性变形、塑性变形、剪切滑移和切离过程。,切削塑性金属的三个变形区,（一）第一变形区,OA始滑移线 OM终滑移线,变形的主要特征： 剪切滑移变形 加工硬化,一般速度范围内一区 宽度为0.020.2mm， 速度越高，宽度越小， 可看作一个剪切平面,（剪切滑移区）,（二）第二变形区,切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。,（挤压摩擦区）,（三）第三变形区,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。,（挤压摩擦回弹区）,刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离,刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程：,绝对滑移 S 相对滑移 变形系数 剪切角 ,二、金属切削变形程度的表示方法,1.绝对滑移 S，相对滑移 ,切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，用h 表示，h = hch/hD ； 而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用l表示，l=l/lc 。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。,2. 变形系数,剪切角:剪切角是出自金属切削层产生剪切滑移的一个特定参数。,=45-+0 刀和屑界面的摩擦角（）；tan=； 为刀和屑界面的摩擦系数。当刀和屑界面出现粘结和滞留层时，值（内磨擦）比一般外摩擦时大得多。,剪切角 剪切面积变形程度切削力。 剪切角 变形系数,影响切削变形和前刀面摩擦系数的主要因素,工件材料 切削厚度 刀具前角 切削速度 进给量 上述五个因素是影响前刀面摩擦系数的主要因素。,切削厚度ac增加时，也略为下降，如10钢的ac从0.1mm增大到0.18mm，从0.74降至0.72。,切削厚度： 切削厚度增加，正应力随之增大，略为下降，变形系数下降,=s/av,工件材料：增加，值下降，变形系数越小,工存材料的强度、硬度提高，切削温度增高，摩擦系数下降，剪切角增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形。而切削塑性较高的材料，则变形较大。,前角对变形系数的影响,增大前角0，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切屑变形减小。,前角对摩擦系数的影响,增大前角0，摩擦系数增加。,切削速度：随着v增大， 值先升后降,切削速度对变形系数的影响,以中碳钢为例。,vc 超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，致使摩擦系数下降，故变形系数h减小。,vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数h减小,vc20m/min时， h值最小,vc在20 40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小， h增大。,此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。,进给量对变形系数的影响,第二节 切屑的类型,带状切屑 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条件：用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量，切削塑性材料 优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。 缺点：切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施。,挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。 形成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小,粗加工中等硬度的钢材料 特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙,单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑。,崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑。 当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑， 产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。,切屑的控制,1) 切屑的形状,2) 卷屑和断屑,在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时, 常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤，或称刀瘤。,（一）什么是积屑瘤,当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。,（二）积屑瘤的形成原因,（三）积屑瘤对起削过程的影响,积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。 使实际前角增大，切削轻快。,因此，粗加工时可利用积屑瘤。,积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。 此外，还会导致切削力的变化，引起振动， 并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。,在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。,采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc3m/min和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤； 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； 适当增大刀具前角、减小切削变形； 适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向。,（四）抑制或消除积屑瘤的措施,第三节 切削力,切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力(cutting force) 。,1. 切削力的来源,切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。,通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc 、进给力 Ff 、背向力 Fp 。,总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80%90% 。Fc消耗的功率最多，约占总功率的90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。,总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。,总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总功的1%5%。是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数,计算切削功率(cutting power) Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。 主运动消耗的切削功率 PcFcc/6010-3 （kW） 机床电机功率 PE =Pcm（m0.750. 85）。,单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用p表示： N/mm2 P= Fz/ Ac= Fz/( f ap) 式中，Fz主切削力（N）； Ac切削面积（mm2）； ap背吃刀量（mm） f进给量（mm）,用单位切削力计算主切削力,kC=Fc/AD=Fc/(apf)=FC/(bDhD) (3-12) 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 kc,求主切削力Fc Fc=kcapf=kchDbD,1. 工件材料,影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。 材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。 在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。,2. 切削用量,进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加。,图3- 19 切削速度对切削力的影响,切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小； 切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加； 在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。 在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力Fc无明显的影响。 在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。,前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料）,3. 刀具几何参数,负倒棱的影响,主偏角对切削力的影响,FyFxycosr； FxFxysinr 当主偏角r加大时，Fy减小，Fx加大。,刃倾角对切削力的影响,后刀面磨损对切削力的影响,刀具材料对切削力的影响,刀具材料对切削力影响很小，但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因而是对切削力也有一定的影响 对于加工同一种材料，切削用量相同的情况下，刀具材料对切削力的影响一般按立方碳化硼（CBN）刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，切削力依次增大。,切削液对切削力的影响,以冷却为主的水溶液对切削力影响很小，而润滑性能强的切削油能较明显地降低切削力，因其可降低摩擦和塑性变形。 其他因素 刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。 刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。 刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。,1研究金属切削变形过程有什么意义? 2研究金属切削变形过程有哪些实验方法？ 3怎样划分金属切削变形区? 4在第一变形区里发生了怎样的变形? 5怎样衡量