金属切削过程的基本规律-1.ppt

第2章 金属切削过程的基本规律 2.1 金属切削过程 2.2 切削力与切削功率 2.3 切削热和切削温度 2.4 刀具的磨损与刀具使用寿命 2.5 切削条件的合理选择 2.6 工件材料的切削加工性 2.1 金属切削过程 2.1.1 切屑的形成过程及变形区的划分 2.1.2 变形系数 2.1.3 切屑的类型 2.1.4 积屑瘤 2.1.1 切屑的形成过程及变形区的划分 图2-1 第一变形区金属的滑移 变形的主要特征： 剪切滑移变形 加工硬化 2.1.1 切屑的形成过程及变形区的划分 图2-3 加工表面的形成和变形 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。 2.1.2 变形系数 在切削过程中，被切金属层在刀具的推挤下被压缩，因此，切 屑厚度通常要大于切削层的厚度，而切屑长度却小于切削长度 ，如图2-2所示 图2-2 三个变形区、剪切角 2.1.3 切屑的类型 (1)带状切屑 带状切屑连续不断呈带状，内表面光滑，外表面呈毛茸状。 (2)节状切屑 节状切屑的外表面呈锯齿状并带有裂纹，但底部仍然相连。 (3)单元切屑 切削塑性材料时，切削层金属在塑性变形过程中，剪切面上产生 的切应力超过材料的强度极限，切屑沿剪切面完全断开，形成形状类似而又互 相分离的屑块。 (4)崩碎切屑 切削脆性材料时，由于材料的塑性小，抗拉强度低，切削层金属 在产生弹性变形后，几乎不产生塑性变形而突然崩裂，形成形状极不规则的碎 块。 图2-4 切屑类型 a) 带状切屑 b) 节状切屑 c) 单元切屑 d) 崩碎切屑 2.1.4 积屑瘤 1.积屑瘤的产生 2.积屑瘤对切削过程的影响 3.控制积屑瘤产生的措施 1.积屑瘤的产生 切削塑性金属材料时，由于前刀面与切屑底层之间的挤压与摩 擦作用，使靠近前刀面的切屑底层流动速度减慢，产生一层很 薄的滞流层，使切屑的上层金属与滞流层之间产生相对滑移。 上、下层之间的滑移阻力，称之为内摩擦力。 图2-5 积屑瘤 2.积屑瘤对切削过程的影响 图2-6 积屑瘤、切屑及加工表面硬度 积屑瘤的作用和影响： 1）保护刀具：积屑瘤包围着切削刃，同时覆 盖着一部分前刀面。能代替切削刃和前刀面 进行切削，从而减少了刀具磨损，起到保护 刀具的作用。 2）增大前角：积屑瘤具有30左右的前角， 因而减少了切削变形，降低了切削力。 3）增大切削厚度：积屑瘤前端伸出于切削刃 之外，使切削厚度增加了hD值是变化的，因 而影响了工件的尺寸精度。 4）增大已加工表面粗糙度：积屑瘤高度的周 期性变化，使切削厚度不断变化，以及由此 而引起振动，积屑瘤粘附在切削刃上很不规 则，导致在已加工表面上刻划出深浅和宽窄 不同的沟纹；脱落的积屑瘤碎片留在已加工 表面上。 3.控制积屑瘤产生的措施 (1)避开容易产生积屑瘤的切削速度范围 当工件材料一定时， 切削速度是影响积屑瘤的主要因素。 (2)降低材料塑性 工件材料塑性越大，刀具与切屑之间的平均 摩擦因数增加，越容易生成积屑瘤。 (3)合理使用切削液 使用切削液可降低切削温度，减少摩擦， 因此，可抑制积屑瘤的产生。 (4)增大刀具前角、提高刀具刃磨质量 刀具前角的增大，可以 减少切屑变形和切削力，降低切削温度，因此，增大前角能抑 制积屑瘤的产生。 2.2 切削力与切削功率 2.2.1 切削力的来源、合力及其分力 2.2.2 切削功率 2.2.3 单位切削力 2.2.4 切削力测量与经验公式 2.2.5 影响切削力的因素 2.2.6 切削力计算例题 2.2.1 切削力的来源、合力及其分力 (1)主切削力Fc 切削合力在主运动方向上的分力，又称切向力。 (2)背向力Fp 切削合力在垂直于工作平面上的分力，又称径向力 。 (3)进给力Ff 切削合力在进给方向上的分力，又称轴向力。 图2-8 作用在刀具上的力 图2-7 切削速度对积屑瘤的影响图2-9 车削合力及分力 2.2.2 切削功率 切削功率应是各切削分力功率之和。由于Fp方向的运动速度为 零，所以不做功。Ff消耗的功率所占比例很小，约为总功率的 1%5%，通常忽略不计。故切削功率Pc 2.2.3 单位切削力 v单位切削力是指单位面积上的主切削力，用kc (N/mm2)表示 为 vkc=Fc/AD(2-8) 切削力 背向力 进给力 切削时消耗的功率 2.2.4 切削力测量与经验公式 1.切削力的经验公式 表2-1 主切削力经验公式中的系数、指数值(车外圆) 1.测定机床功率，计算切削力 用功率表测出机床电动机在切削过程中所消耗的功率PE后，计 算出切削功率Pc。 2.用测力仪测量切削力 测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上 所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换处 理后，读出Fc、Ff和Fp的值。 2.测力仪原理 图2-10 电阻应变片图2-11 在弹性元件上电阻应变片组成的电桥 2.2.5 影响切削力的因素 1.工件材料的影响 2.切削用量的影响 3.刀具几何参数的影响 4.刀具磨损的影响 5.切削液的影响 6.刀具材料的影响 1.工件材料的影响 工件材料的强度、硬度越高，虽然切削变形减小，但由于屈服 强度 s越高，产生的变形抗力越大，切削力也就越大；对于强 度和硬度相近而塑性和韧性大的材料，切削时产生的塑性变形 大，切屑与刀具间的摩擦增加，故切削力越大。 2.切削用量的影响 (1)背吃刀量和进给量 背吃刀量ap或进给量f加大，均使切削 力增大，但两者的影响程度不同。 (2)切削速度 加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般 随着vc的增大而减小。 3.刀具几何参数的影响 (1)前角 前角0加大，使切屑变形减小，因此切削力下降。 (2)负倒棱 在锋利的切削刃上磨出负倒棱，可以提高刃区的强 度，从而提高刀具使用寿命，但使切削变形加大，切削力增加 。 (3)主偏角 主偏角r对主切削力影响较小，主要影响切削力的 作用方向，即影响Fp与Ff的比值。 (4)刃倾角 刃倾角对主切削力Fc的影响甚微；对Fp的影响较大 。 (5)刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径r对Fp、Ff的影响较大，对Fc 的影响较小。 (1)前角 前角0加大，使切屑变形减小，因此切削力下降。 表2-4 车刀前角对切削力的修正系数 (1)前角 前角0加大，使切屑变形减小，因此切削力下降。 表2-4 车刀前角对切削力的修正系数 (2)负倒棱 表2-5 车刀负倒棱宽度与进给量的比值对切削力的修正系数 (3)主偏角 主偏角r对主切削力影响较小，主要影响切削力的作 用方向，即影响Fp与Ff的比值。 表2-6 车刀主偏角对切削力的修正系数值 表2-7 切削各种钢材和铸铁时的 / 、 / 比值 (4)刃倾角 刃倾角对主切削力Fc的影响甚微；对Fp的影响较大。 表2-8 车刀刃倾角对切削力的修正系数 (5)刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径r对Fp、Ff的影响较大，对Fc 的影响较小。 表2-9 车刀圆弧半径对切削力的修正系数 4.刀具磨损的影响 表2-10 车刀后刀面磨损量对切削力的修正系数 5.切削液的影响 以冷却作用为主的水溶液对切削力的影响较小，而润滑作用强 的切削油能够显著地降低切削力。这是由于它可以减小摩擦力 ，甚至还能减小金属的塑性变形。例如,用极压乳化液比干切 时的切削力降低10%20%。 6.刀具材料的影响 刀具材料不是影响切削力的主要因素。但由于不同的刀具材料 之间的摩擦因数不同，因此对切削力也有一定的影响。 2.2.6 切削力计算 1.主切削力Fc 2.背向力Fp与进给力Ff(估算法) 3.切削功率Pc 计算举例： 用YT5硬质合金车刀外圆纵车 b = 630 MPa的热轧45钢，车 刀几何参数为go =10、kr = 75、ls = 5，切削用量 为asp = 2mm、f = 0.3mm/r、vc = 100 m / min。 试计算切削力Fc 、Fp 、Ff 及切削功率Pc 。 2.2.6 切削力计算例题 2.3 切削热和切削温度 2.3.1 切削热的产生与传出 2.3.2 切削温度的测量方法 2.3.3 影响切削温度的主要因素 2.3.1 切削热的产生与传出 图2-14 刀具、切屑和工件的温度分布 注：图中数值单位为。 切削热产生于三个变形区， 切削过程中消耗的能 量约 98%转换为热能，切削热 qPcFcv 2.3.2 切削温度的测量方法 图2-15 自然热电偶法测量切削温度示意图 切削温度 一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度 2.3.3 影响切削温度的主要因素 1.工件材料对切削温度的影响 2.切削用量对切削温度的影响 1.工件材料对切削温度的影响 工件材料的硬度和强度越高，切削时消耗的功越多，产生的切 削热多，切削温度越高。图2-16是切削三种不同热处理状态的 45钢时，切削温度的变化情况，三者切削温度相差悬殊，与正 火状态比较，调质状态增高20%25%，淬火状态增高40% 45%。 图2-16 45钢热处理状态对切削温度的影响 刀具：YT15， =15， 切削用量： =3mm, f=0.1mm/r 2.切削用量对切削温度的影响 表2-11 切削温度公式中的系数和指数 由实验得出切削温度经验公式如下 C v z f y ap x 式中系数及指数见表1-4,由表中数据看出： z在0.30.5之间，y在0.150.3，x在0.050.1 切削用量时切削温度 ，其中v 对影响最大，进给量 f 的影 响比v 小，背吃刀量ap的影响很小。 2.4 刀具的磨损与刀具使用寿命 2.4.1 刀具磨损方式 2.4.2 刀具的磨损原因 2.4.3 刀具的磨损过程及磨钝标准 2.4.4 刀具使用寿命的经验公式 2.4.1 刀具磨损方式 (1)前刀面磨损(月牙洼磨损) 在切削速度较高、切削层公称厚 度较大的情况下加工塑性金属，切屑在前刀面上磨出一个月牙 洼(见图2-17b、c)，月牙洼处是切削温度最高的地方。 (2)后刀面磨损 切削脆性金属或以较小的切削层公称厚度和较 低的切削速度切削塑性金属时，刀具前刀面上压力和摩擦较小 ，温度较低，而后刀面与工件加工表面之间却存在着强烈的摩 擦，因而刀具的磨损主要发生在后刀面上。 (3)前、后刀面同时磨损 这是一种兼有上述两种情况的磨损形 式。 2.4.2 刀具的磨损原因 1.磨料磨损 2.粘接磨损 3.扩散磨损 4.氧化磨损 1.磨料磨损 磨料磨损也称机械磨损。由于切屑或工件的摩擦面上有一些微 小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。硬 质点有碳化物或积屑瘤碎片。磨料磨损在各种切削速度下都存 在，但对低速切削刀具(如拉刀、板牙等)磨料磨损是主要原因 。 2.粘接磨损 粘接磨损也称冷焊磨损。切屑或工件的表面与刀具表面之间发 生粘接现象，由于有相对运动，刀具上的微粒被对方带走而造 成磨损。粘接磨损与切削温度有关，也与刀具及工件两者的化 学成分有关(元素的亲和作用) 3.扩散磨损 图2-18 扩散磨损 4.氧化磨损 图2-19 切削速度对刀具磨损强度的影响 1磨料磨损 2粘接磨损 3扩散 磨损 4氧化磨损 2.4.3 刀具的磨损过程及磨钝标准 1.刀具的磨损过程 2.刀具的磨钝标准 1.刀具的磨损过程 (1)初期磨损阶段 这一阶段磨损较快。 (2)正常磨损阶段 由于刀具表面高低不平之处已被磨去，压强减 小，磨损缓慢，这一阶段磨损曲线基本上是一条直线，其斜率代 表刀具正常工作时的磨损强度。 (3)剧烈磨损阶段 刀具磨损量VB增长到一定程度时，切削力增 大，切削温度升高，刀具磨损加剧。 图2-20 典型的刀具磨损曲线 2.刀具的磨钝标准 图2-21 刀具的径向磨损 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限 度称为磨钝标准。 2.4.4 刀具使用寿命的经验公式 1.刀具使用寿命 2.切削用量与刀具使用寿命的关系 3.刀具合理使用寿命的选择 1.刀具使用寿命 刀具磨损值达到了规定的标准应该重磨或更换刀片，在生产实 际中，为了更方便、快速、准确地判断刀具的磨损情况，一般 以刀具的使用寿命来间接地反映刀具的磨钝标准。 2.切削用量与刀具使用寿命的关系 (1)切削速度与刀具使用寿命的关系 刀具使用寿命与切削速度 的关系是用实验方法求得的。 (2)进给量、背吃力量与刀具使用寿命的关系 3.刀具合理使用寿命的选择 一是根据单件工序工时最短的原则来确定刀具的使用寿命，即 最大生产率使用寿命(Tp)；二是根据工序成本最低的原则来制 订刀具的使用寿命，即经济使用寿命(Tc)。根据上述原则可分 别推导出，刀具最大生产率使用寿命和刀具经济使用寿命 2.5 切削条件的合理选择 2.5.1 切削液 2.5.2 刀具合理几何参数的选择 2.5.3 切削用量的选择 2.5.1 切削液 1.切削液的作用 2.切削液的种类及选用 1.切削液的作用 (1)冷却作用 切削液能够降低切削温度，从而可以提高刀具使 用寿命和加工质量。 (2)润滑作用 金属切削时切屑、工件和刀具间的摩擦可分干摩 擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。 ()清洗与防锈作用 切削液可以清除切屑，防止划伤已加工 表面和机床导轨面。 2.切削液的种类及选用 表2-12 切削液的种类和选用 2.5.2 刀具合理几何参数的选择 1.前角的功用及选择 2.后角的功用及选择 3.斜角切削与刃倾角的选择 4.主偏角和副偏角的功用及选择 1.前角的功用及选择 (1)前角的功用 v增大前角能减小切屑变形和摩擦，降低切削力、切削温度， 减小刀具磨损、抑制积屑瘤和鳞刺的生成，改善加工表面质 量。 (2)前角的选择原则 v粗加工、断续切削、刀材强度韧性低 v 工材强度硬度高，选较小的前角； v工材塑韧性大、系统刚性差，易振动 v 或机床功率不足，选较大的前角； v成形刀具、自动线刀具取小前角； vA磨损增大前角， A磨损减小前角 表2-13 硬质合金车刀前角及后角的推荐值 2.后角的功用及选择 (1)后角的功用 增大后角能减少后刀面与过渡表面间的摩擦， 还可以减小切削刃圆弧半径，使刃口锋利。 (2)后角的选择原则 后角主要根据切削层公称厚度hD选取。 3.斜角切削与刃倾角的选择 (1)斜角切削 当刀具的刃倾角s=0时，主切削刃与切削速度 方向垂直，称直角切削。 (2)刃倾角的功用 (3)刃倾角的选择原则 选择刃倾角时主要根据切削条件和系统 刚性而定。 图2-24 刃倾角对刀刃强度的影响图2-22 斜角切削的速度分解及流屑角图2-23 刃倾角对切屑流向的影 响 4.主偏角和副偏角的功用及选择 (1)主偏角和副偏角的功用 主偏角主要影响切削层截面的形状和 几何参数，影响背向力Fp与进给力Ff的比例以及刀具的使用寿命 ，并和副偏角一起影响已加工表面粗糙度。 (2)主偏角和副偏角的选择原则 图2-25 主偏角对背向力的影响 1.选择切削用量的原则 正确选用切削用量，对提高生产率、保证必要的经济性和切削 加工质量，均具有重要意义。 2.5.3 切削用量的选择 2.切削用量的选择方法 (1)背吃刀量的选择 背吃刀量根据加工余量来确定。 (2)进给量的选择 粗加工时，应在机床进给机构的强度、车刀 刀杆强度和刚度、刀片强度以及装夹刚度等允许的条件下，尽 可能选取大的进给量，因为这时对工件表面粗糙度要求不高。 (3)切削速度的确定 根据已选定的背吃刀量ap、进给量f和刀 具的使用寿命T，可按式(2-21)计算切削速度vc，然后再算出机 床主轴转速。 3.选择切削用量的例题 (1)粗车 (2)半精车 图2-27 工件尺寸图 2.6 工件材料的切削加工