机制技术(3-1)金属切削过程的基本规律.ppt

金属切削过程的基本规律,机械制造技术,金属切削过程的基本规律,金属切削过程的基本规律,金属切削加工：是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。 金属切削过程实质:形成切屑和已加工表面的过程。,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 自由切削：刀具只有一条直线形切削刃参加切削工作的切削方式。 直角切削：刀具工作切削刃与主运动方向相互垂直的切削方式。 直角自由切削：同时满足自由切削和直角切削两种切削方式的切削。,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程,金属切削过程的基本规律,切屑形成的过程，其本质是：被切削金属在刀具切削刃和前面作用下，经挤压而产生剪切滑移变形的过程,切屑根部金相照片,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 将刀具推挤切削层金属使其转变为切屑的切削区域大致分为三个变形区。,第一变形区： 、沿滑移线剪切变形 、随变形产生加工硬化,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 将刀具推挤切削层金属使其转变为切屑的切削区域大致分为三个变形区。,第二变形区： 、晶粒纤维化(平行于前刀面) 、切屑卷曲 、产生积屑瘤,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 将刀具推挤切削层金属使其转变为切屑的切削区域大致分为三个变形区。,第三变形区： 、使表层金属纤维化 和非晶质化 、显微硬度提高 、产生表面残留应力,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 切屑的类型为：,、带状切屑：内表面光滑、外表面毛茸状。,产生条件：一般为加工塑性金属材料、切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大。,特点：切削过程较平稳、切削力波动较小、已加工表面粗糙度较好。,带状切屑,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 切屑的类型为：,、节状切屑：内表面有时有裂纹、外表面呈锯齿形。,产生条件：大都在切削厚度较大、切削速度较低、刀具前角较小。,节状切屑,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 切屑的类型为：,、粒状切屑：切屑呈梯形。,产生条件：剪切面上剪切应力超过了材料的破裂强度。,粒状切屑,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 切屑的类型为：,、崩碎切屑：,产生条件：切削脆性金属材料时。工件材料越脆、刀具前角越小、切削厚度越大，越易产生这类切屑。,崩碎切屑,金属切削过程的基本规律,国际标准化组织的切屑分类法,金属切削过程的基本规律,国际标准化组织的切屑分类法,金属切削过程的基本规律,带状屑： 高速切削塑性金属，一般应力求避免 C形屑 ： 切削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，较好 长紧卷屑： 普通车床上较好 发条状卷屑： 重型机床上较好 宝塔状卷屑： 自动机或自动线上较好 螺卷屑 ： 崩碎屑 ：,金属切削过程的基本规律,切屑控制,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图a）,图a 切屑的卷曲,图b 断屑的产生,断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图b）,金属切削过程的基本规律,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 切屑变形程度的衡量：,、切屑厚度压缩比h：,h=hch/hD=lD/lch,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 切屑变形程度的衡量：,、剪切角：,h=cos(-o)/sin,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 1、切屑的形成 切屑变形程度的衡量：,、切应变：,=s/y =coso/sincos(-o),金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 2、积屑瘤,积屑瘤的成因 积屑瘤对切削过程的影响： 、保护切削刃，减小刀具磨损 、oe增大，刀具更锋利 、影响加工精度(尺寸和形状精度) 、影响表面粗糙度,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 2、积屑瘤,综上对积屑瘤的讨论可知： 、粗加工时：利用积屑瘤 、精加工时：避免积屑瘤产生,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 影响积屑瘤的主要因素,、工件材料性能 工件材料塑性越大，越易产生积屑瘤 塑性较小的脆性材料：不易产生积屑瘤 故：对硬度较低、塑性较大的材料，可采用正火、调质的热处理方法来提高其强度和硬度；或采用冷拔(冷拉)的方式来制造型材。 注：预备热处理的目的之一：改善材料切削性能。,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 影响积屑瘤的主要因素,、切削速度,切削速度对积屑瘤的影响,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 影响积屑瘤的主要因素,、切削速度 加工钢时，在Vc550m/min时，易产生积屑瘤 Vc较低时：切削温度不高，不易产生积屑瘤 Vc较高时：切削温度很高，切屑低层金属变软，故不易产生积屑瘤 即：采用低速或高速切削：可避免积屑瘤产生。,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 影响积屑瘤的主要因素,、刀具前角 适当增大刀具前角，可减小切屑变形及切削力，较低切削温度，从而抑制积屑瘤生产。 、其它因素 如：切削液、刀具表面粗糙度、切削层厚度等,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 3、影响切屑变形的主要因素,、工件材料 工件材料的强度越低、塑性越大，切屑变形越大 、刀具前角 前角越大，切削刃钝圆半径越小，切屑变形减小,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 3、影响切屑变形的主要因素,、切削速度 在不产生积屑瘤的速度区域：切屑变形随切削速度的提高而减小。,如产生积屑瘤，则积屑瘤将影响切屑的变形。,金属切削过程的基本规律,、金属切削过程 3、影响切屑变形的主要因素,、进给量,进给量越大，切屑平均变形越小。,金属切削过程的基本规律,、切削力 切削力是切削过程中必然产生的一个物理现象。 切削力的大小，是计算切削功率及设计和选用机床、夹具、刀具的必要依据。,金属切削过程的基本规律,、切削力 1、总切削力的分解和切削功率 、总切削力的分解 F=(FC2+FD2)1/2 =(FC2+FP2+Ff2)1/2 FP=(0.150.7)FC Ff=(0.100.6)FC,金属切削过程的基本规律,、切削力 1、总切削力的分解和切削功率 、切削功率 切削功率为： PC=FCVC/60000 机床主电动机功率为： PEPC/C,式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/min）。,金属切削过程的基本规律,、切削力 2、切削力的经验公式 、切削力测量的原理,目前,切削力Fc计算公式是在忽略了温度、正应力、第变形区变形与摩擦力等条件下推导出来的，故只能供定性分析用不能用于计算。求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪直接测出或通过实验后整理成的实验公式求得。,金属切削过程的基本规律,、切削力 2、切削力的经验公式 、切削力测量的原理,测力仪的类型很多，目前较为普遍使用的是电阻应变片式测力仪。测力仪如图所示，,测力系统方框示意图 1、传感器 2、电桥电路 3、应变仪 4、记录仪,金属切削过程的基本规律,、切削力 2、切削力的经验公式 、切削力测量的原理,金属切削过程的基本规律,、切削力 2、切削力的经验公式 、切削力测量的原理,根据实验得到的ap-Fc、f-Fc许多对应值，就可在双对数坐标中连成如图所示的两条直线图形。,金属切削过程的基本规律,直线图形的对数方程为： lgFc=lgCap+xFc lg ap lgFc=lgCf +yFc lg f 上式可改写为： （a) （b） 综合以上两式，得Fc实验公式： （c）,金属切削过程的基本规律,、切削力 2、切削力的经验公式 、计算切削力的经验公式,金属切削过程的基本规律,、切削力 2、切削力的经验公式 、计算切削力的经验公式,金属切削过程的基本规律,、切削力 3、影响切削力的因素 、asp和f asp和f的增大，都会使切削力增大，但两者对切削力增大的影响程度不同。 asp对计算切削力的影响程度大于f的影响。 故：从减小切削力和节省动力消耗的观点初发，在切除相同余量的条件下，增大f比增大asp更为有利。,金属切削过程的基本规律,、切削力 3、影响切削力的因素 、切削速度对切削力的影响 切削塑性材料时： 当没有产生积屑瘤时，随着切削速度的提高，切削力将减少； 当有积屑瘤产生时，积屑瘤会通过改变工作前角来影响切屑的变形，从而影响切削力的大小。 切削脆性材料时：切削速度对切削力无明显影响。,金属切削过程的基本规律,、切削力 3、影响切削力的因素 、刀具几何参数对切削力的影响 、前角对切削力的影响,金属切削过程的基本规律,、切削力 3、影响切削力的因素 、刀具几何参数对切削力的影响 、主偏角对切削力的影响,金属切削过程的基本规律,、切削力 3、影响切削力的因素 、刀具几何参数对切削力的影响 、刃倾角对切削力的影响,金属切削过程的基本规律,、切削力 3、影响切削力的因素 、刀具几何参数对切削力的影响 、其它因素对切削力的影响,a)负倒棱b1的影响,b1 与f 之比增大, 切削力随之增大。 当切钢b1/f 5或 切铸铁b1/f 3时， 切削力趋于稳定，接 近于负前角的状态。,b)刀尖圆弧半径r的影响,（1）r对Fc影响很小 （2）Fp随 r增大而增大 Ff随 r增大而减小,r增大相当于r减小的影响,6、刀具材料的影响 按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序， 切削力依次增大。,5、切削液的影响 切削液润滑作用越好，力减 小越显著，低速时更突出。,4、 刀具磨损的影响 后刀面平均磨损带宽度VB 越大，摩擦越强烈，切削力 也越大。 VB对背向力Fp影响最显著,金属切削过程的基本规律,、切削热和切削温度 1、切削温度的来源与传出 2、切削温度的分布 3、切削温度的测量 4、影响切削温度的主要因素,切削热来源, 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去, 主要来源 QA=QD+QFF+QFR,式中，QD , QFF , QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量,金属切削过程的基本规律,金属切削过程的基本规律,切削温度分布, 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。,金属切削过程的基本规律,自然热电偶法,工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。,金属切削过程的基本规律,利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。, 用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（如右图）。, 可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。,金属切削过程的基本规律,切削用量的影响,式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。,经验公式,金属切削过程的基本规律,、工件材料 强度硬度、塑性和韧性越大， 切削力越大，切削温度升高。 导热率大，散热快，温度下降,、切削热和切削温度 4、影响切削温度的主要因素,金属切削过程的基本规律,、切削热和切削温度 4、影响切削温度的主要因素 、切削用量,由实验得出切削温度经验公式为： C v z f y ap x 式中系数及指数见前表,由表中数据看出： z在0.350.45之间，y在0.20.3 ，x在0.080.10 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。,选用切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。,金属切削过程的基本规律,、切削热和切削温度 4、影响切削温度的主要因素 、刀具几何角度 、刀具前角,0 变形程度F q 但0 20时，因散热面积，对的影响减小,金属切削过程的基本规律,、切削热和切削温度 4、影响切削温度的主要因素 、刀具几何角度 、主偏角,r ，切削宽度aw ，散热面积 ,金属切削过程的基本规律,、切削热和切削温度 4、影响切削温度的主要因素 、刀具几何角度 、负倒棱和刀尖圆弧半径,金属切削过程的基本规律,、切削热和切削温度 4、影响切削温度的主要因素,刀具磨损的影响 后刀面磨损增大，切削温度升高; VB达一定值影响加剧; v越高刀磨损对影响越显著,切削液的影响 浇切削液对切削温度刀具磨损加工质量有明显效果。 热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 1、刀具磨损的形式 、刀具前面：月牙洼磨损 、刀具后角：带状磨损,刀具失效形式： 磨损 （正常工作时逐渐产生的损耗） 破损 （突发的破坏，随机的）,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 1、刀具磨损的形式 、刀具前面：月牙洼磨损 、刀具后角：带状磨损,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 2、刀具磨损的原因 、磨料磨损 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对 刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因(HSS刀)。,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 2、刀具磨损的原因 、粘结磨损 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。 中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬度比小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 2、刀具磨损的原因 、扩散磨损 刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。 切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快；高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 2、刀具磨损的原因 、氧化磨损 一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起化学作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。 氧化磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削条件下。,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 2、刀具磨损的原因 、磨料磨损 、粘结磨损 、扩散磨损 、氧化磨损,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 3、刀具磨损过程及磨钝标准 、刀具的磨损过程,常取后刀面最大允许磨损量VB,金属切削过程的基本规律,、刀具磨损与刀具寿命 3、刀具磨损过程及磨钝标准 、刀具的磨钝标准,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。 1. 小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝； 2. ISO标准规定以1/2 ap处的VB值作为刀具的磨钝标准； 在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。 粗车碳素钢0.60.8 粗车铸铁0.81.2 粗车合金钢0.40.5 精车碳钢0.10.3 系统刚性大、HSS ， VB值较大； 系统刚性小、Y合金，VB值较小 3. 自动化精加工刀具，