金属切削的基本过程 1.3 金属切削过程.ppt

金属切削的基本过程,1.3 金属切削过程,1.3.1 切削层的变形 1.3.2 切削变形的衡量方法 1.3.3 切屑的种类与变形规律 1.3.4 刀-屑接触区的变形与摩擦 1.3.5 刀-工接触区的变形与加工质量,【金属切削过程】刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到加工表面形成为止的完整过程。,返 回,1.3.1 切削层的变形,1.3.1.1 第一变形区 1.3.1.2 第二变形区 1.3.1.3 第三变形区,【切削层】切削过程中，刀具切削刃的一个单一动作，或一个单程，或指只产生一圈（层）过渡表面，所切除的工件材料层。,返 回,切削层的变形,在金属压缩实验中，当金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45方向的斜截面产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。 金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块，使金属沿一个最大剪应力方向产生滑移。 当切屑层达到切削刃OA（OA代表始滑移面）处时，切应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层移到OM面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形成了切屑，然后沿前面流出,返 回,侧面方格变形观察法,切削层的金属变形三个变形区： 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）。,返 回,切削层金属的变形过程,返 回,1.3.1.1 第一变形区,始滑移面OA与终滑移面OM之间的变形区称为第一变形区，宽度很窄(约0.020.2mm)，故常用OM剪切面亦称滑移面来表示，它与切削速度的夹角称为剪切角。,返 回,I区变形特点,沿着滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化,要 点,1.3.1.2 第二变形区,当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压和摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底层金属再次产生剪切变形。使切屑底层薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层，这一区域又称为第二变形区。,返 回,1.3.1.3 第三变形区,工件已加工表面受到钝圆弧切削刃的挤压和后面的摩擦，使已加工表面内产生严重变形，已加工表面与后面的接触区称为第三变形区。,返 回,1.3.2 切削变形的衡量方法,1变形系数 2剪应变 3剪应变与变形系数的关系 4剪切角,一、切屑的形成过程,1变形区的划分,2切屑的受力分析,四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,1积屑瘤的形成及其影响,积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；在背吃刀量 和进给量f保持一定时，积屑瘤高度Hb与切削速度 有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。,2积屑瘤对切削过程的影响 （1）使刀具前角变大 （2）使切削厚度变化 （3）使加工表面粗糙度增 （4）对刀具寿命的影响,积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：,（2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。,（1）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。,（3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。,（4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。,五、影响切屑变形的因素,1工件材料,工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和钢刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力 增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角减小，剪切角增大，变形系数 将随之减小。,增大刀具前角o，剪切角将随之增大，变形系数 将随之减小；但o增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力 av减小，使摩擦角和摩擦系数增大而导致减小。由于后一方面影响较小， 还是随的o增加而减小。,2刀具前角0,3切削速度Vc,在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度 越大，变形系数 越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度 越高，切削变形越不充分，导致变形系数 下降。此外，提高切削速度 还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度s因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数减小，使变形系数 下降。,在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度 越大，变形系数 越小。,4切削层公称厚度,返 回,1.3.3 切屑的种类与变形规律,返 回,切屑变形规律,1 带状切屑（最常见,切削塑性金属材料，切厚小，V大，r0大时） 2 挤裂切屑（低速，切厚大r0小时） 3 单元切屑（较少见） 4 崩碎切屑（加工脆性材料时，尽量避免）,要 点,1 金属切削原理,内容提要 1.4 切削力 1.5 切削热和切削温度 1.6 刀具磨损和刀具耐用度 1.7 工件材料的切削加工性 1.8 切削条件的合理选择 重点与难点 切削力、切削功率的计算 刀具磨损和耐用度 作业,返 回,1.4 切削力,【切削力】切削时，刀具切入工件，使被加工材料变形成为切屑所需的力。 【来源】加工材料的弹塑性变形抗力和切屑工件表面对刀具表面的摩擦力。 【意义】研究切削力对刀具、夹具的设计和使用具有重要的意义。 1.4.1 切削力的分析 1.4.2 切削力与切削功率的计算 1.4.3 影响切削力的因素,要 点,1.4.1 切削力的分析,【定义】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。 为了研究方便，将作用于刀具上的切削合力分解为相互垂直的Fc、Ff、Fp. Fc：切削力,切于过渡表面,与基面垂直. Ff：进给力,在基面内,与进给方向相反. Fp：背向力,在基面内,与进给方向垂直,返 回,切削力分解,返 回,作用分析,Fc：计算刀具和机床强度,确定机床功率 Ff：用于设计机床进给机构和确定进给功率 Fp：计算工件挠度和刀具、机床零件的强度,要 点,1.4.2 切削力与切削功率的计算,1.4.2.1指数形式的切削力经验公式,返 回,1.4.2.2用切削层单位面积切削力计算切削力,【经验公式】 车削普通钢材时三个力的比例大约为,返 回,1.4.2.3工作功率计算,【定义】 消耗在切屑加工过程中的功率(Pe) 可以分解成切削功率(Pc)和进给功率(Pf)之和. 【计算公式】 机床传动效率约0.750.85,返 回,例,用CA6140车外圆，已知主轴转速n=1440rpm,工件直径d=25mm,机床电机功率Pm=7.8kW,机床传动效率为0.85，试估算切削力。,返 回,1.4.3影响切削力的因素,1.4.3.1 工件材料的影响 1.4.3.2 切削用量的影响 1.4.3.3 刀具几何参数的影响 1.4.3.4 刀具材料的影响 1.4.3.5 切削液的影响 1.4.3.6 刀具后刀面磨损的影响,返 回,1.4.3.1工件材料的影响,工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形会减小，但由于剪切屈服强度增高，产生的切削力会越大； 工件材料强度相同时，塑性和韧性越高，切削变形越大，切削与刀具间摩擦增加，切削力会越大。 切削铸铁时变形小，摩擦小，故产生的切削力小。,返 回,1.4.3.2切削用量的影响,进给量、背吃刀量增大，二者都会使切削力增大，而实际上背吃刀量对切削力的影响要比进给量大。 其主要原因在于，p增大一倍时，切削厚度hD 不变，而切削宽度bD 则增大一倍，切削刃上的切削负荷也随之增大一倍，即变形力和摩擦成倍增加，最终导致了切削力以成倍增加；f增大一倍时，切削宽度bD不变，只是切削厚度hD增大一倍，平均变形减小，故切削力增加不到一倍。 切削速度对切削力的影响：切削塑性金属时，在vc=40m/min时，由于积屑瘤的产生与消失，使刀具前角增大或减小，引起变形系数的变化，导致了切削力的变化；当vc40m/min，切削温度升高，使平均摩擦系数下降，切削力也随之下降。 切削灰铸铁等脆性材料时，塑性变形很小，且刀屑间的摩擦也很小，因此，c对其影响不大。,返 回,1.4.3.3刀具几何参数的影响,前角对Fc影响较大。前角增大，切削变形减小，故切削力减小。 主偏角对进给力Ff和背向力Fp影响较大，当r增大时Ff增大而Fp 则减小。 刃倾角对背切削力FP影响较大，因为s由正值向负值变化时，会使顶向工件轴线的背向力增大。 此外刀尖圆弧半径，刀具磨损程度等因素对切削力也有一定的影响。,返 回,1.4.3.4刀具材料的影响,主要是刀具材料与工件材料的摩擦系数的影响 通常安装CBN，陶瓷，涂层硬质合金，高速钢的顺序切削力依次增大。,返 回,1.4.3.5切削液的影响,切削液具有润滑作用，使得切削力降低。,返 回,1.4.3.6刀具后刀面磨损的影响,刀具后刀面磨损带宽愈大，切削力愈大。 VB对背向力Fp影响最显著。,返 回,1.5 切削热和切削温度,1.5.1切削热的产生和传出 1.5.2影响切削温度的主要因素,返 回,1.5.1切削热的产生和传出,切削过程中消耗的功率9899%转换为热能，因此近似认为单位时间内产生的切削热q等于切削功率Pc,返 回,切削温度,【定义】 指前刀面与切屑接触区内的平均温度。 它由切削热的产生和传出的平衡条件所决定，产生的热越多，传出的热越慢，切削温度越高，反之，切削温度越低。 【结论】 凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度上升； 有利于切削热传出的因素都会使切削温度降低。,3-3 切削热与切削温度,影响切削温度的主要因素 切削用量对切削温度的影响 切削速度v: v提高，切削温度显著上升 进给量f: f增大,切削热增多，切削温度上升 背吃刀量ap:ap对切削温度的影响很小 刀具几何参数对切削温度的影响 刀具磨损对切削温度的影响 工件材料对切削温度的影响 切削热对切削温度的影响 切削液对降低切削温度有明显的效果,返 回,1.5.2影响切削温度的主要因素,1.5.2.1切削用量的影响 切削速度对切削温度影响最大 进给量次之 背吃刀量最小,返 回,1.5.2.2刀具几何产生的影响,前角越大，主偏角越小，温度越小 刀具负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响较小。,1.5.2.3工件材料的影响,硬度、强度越大，切削温度越大 工件导热率越大，切削温度越小,1.5.2.4刀具磨损的影响,刀具磨损越大，切削温度越高 切削速度越大，磨损加剧，温度越大,1.5.2.5切削液的影响,切削液热导率、比热容、流量越大，温度越低,1.6刀具磨损和刀具耐用度,1.6.1刀具的磨损形式 1.6.2刀具磨损的原因 1.6.3刀具的磨损过程及磨钝标准,1.6.1刀具的磨损形式,【定义】 刀具在切削金属，切下切屑的同时，其本身也将发生钝化，而失去切削能力，称刀具的磨损 【原因】 刀具逐渐磨蚀（正常磨损） 刀具随机破损（非正常磨损） 【影响】 刀具的钝化达到一定的程度时，如继续使用，就会使Fr急剧上升，甚至引起振动 刀具的磨损使工件加工精度下降，表面质量显著恶化，刀具材料消耗增加，使加工不能正常进行,磨损形式,1.6.1.1前刀面磨损 主要是月牙洼磨损，用KT表示 1.6.1.2后刀面磨损 后刀面磨损带，后角为0，分成三区C,B,N区，分别用VC,VB(max),VN来表示。后刀面磨损用B区的平均值VB表示 1.6.1.3边界磨损 主切削刃和副切削刃与工件接触处磨出的较深的沟纹,1.6.2刀具磨损的原因,刀具正常磨损的原因是机械磨损，热、化学磨损 1.6.2.1磨料磨损（硬质点磨损） 工件材料中的硬质点对刀具的刻划作用引起机械磨损，磨料磨损是低速刀具磨损的主要原因 1.6.2.2粘结磨损 由于刀具与工件在高温高压下发生的“冷焊”作用而形成的BUE，BUE 破裂时常使刀具材料颗粒被带走，在刀具表面形成粘结凹坑，造成粘结磨损,1.6.2.3扩散磨损,热作用的磨损，切削高温下刀具与工件的接触面间到分子能量很大，各个原子会在固态下发生相互扩散，从而改变刀具材料的成分结构，使刀具表层变脆而发生扩散磨损 扩散磨损随切削温度的上升而按照指数规律迅速增大 切削速度增大，扩散磨损增大,1.6.2.4化学磨损,切削高温高压，以及新鲜表面极易氧化，使表面层硬度降低，从而加剧刀具磨损 化学磨损是造成边界磨损的原因之一 其他磨损 热电磨损，相变磨损,1.6.3刀具的磨损过程及磨钝标准,1.6.3.1刀具磨损的过程 初期磨损阶段 正常磨损阶段 急剧磨损阶段,1.6.3.2刀具的磨钝标准,【定义】刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，此磨损限度称为磨钝标准 ISO标准规定，以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准 自动化生产和精加工刀具，常沿工件径向大刀具磨损尺寸NB作为磨钝标准,刀具耐用度方程式,泰勒刀具耐用度方程式 切削用量选择原则 在选择切削用量以提高生产率时，首先尽量选用大的背吃刀量ap 其次根据加工条件和加工要求允许的最大进给量f 最后在刀具耐用度和机床功率所允许的情况下选择最大的切削速度vc,3-5 工件材料的切削加工性,衡量材料切削加工性的指标 刀具耐用度T或一定耐用度下的切削速度vT 一般以正火状态45钢的v60为基准，写作(v60)j，然后把其他各种材料的同它相比，这个比值，称为下相对加工性，即， Krv60/(v60)j （3-33） 常用工件材料的相对加工性可分为八级，见表3-2。 切削力或切削温度 加工表面质量 切屑控制或断屑的难易 改善材料切削加工性的途径 高速钢、工具钢的硬度偏高，且有较多的网状、片状的渗碳体组织，加工性差。经过球化退火即可降低硬度，并得到球状渗碳体；热轧中碳钢的组织不均匀，经正火可使其组织与硬度均匀；低碳钢的塑性太高，可通过正火适当降低塑性，提高硬度；马氏体不锈钢常要进行调质处理降低塑性；铸铁一般在切削加工前均要进行退火处理，降低表层硬度。 在钢中适当添加一些元素，如硫、磷、铅、钙等，可使钢的切削加工性得到显著改善，这样的钢叫易切钢。,3-6 切削液-切削液的作用机理,冷却作用：主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具耐用度；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。在切削速度高、刀具、工件材料导热性差，热膨胀系数较大的情况下，切削液的冷却作用尤显重要。 切削液的冷却性能取决于它的导热系数、比热、汽化热、汽化速度、流量、流速等。水溶液的冷却性能要比油类好。乳化液介于两者之间。 润滑作用：金属切削时切屑、工件与刀具界面的摩擦可分为干摩擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。 清洗作用：冲刷切削中产生的碎屑（如切铸铁）或磨粉（磨削）的作用。清洗性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。切削液的清洗作用对于磨削精密加工和自动线加工十分重要，而深孔加工时，要利用高压切削液来排屑。 防锈作用：减少工件、机床、刀具的腐蚀。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的性质。,3-6 切削液-切削液的添加剂,改善切削液性能所加入的化学物质 油性添加剂:油性添加剂含有极性分子，能与金属表面形成牢固的吸附膜，主要起润滑作用。但这种吸附膜只能在较低温度下起较好的润滑作用，故多用于低速精加工的情况。油性添加剂有动植物油（如豆油、菜籽油、猪油等），脂肪酸、胺类、醇类及脂类。 极压添加剂:常用的极压添加剂是含硫、磷、氯、碘等的有机化合物。这些化合物在高温下与金属表面起化学反应，形成化学润滑膜。它比物理吸附膜能耐较高的温度。为了得到性能良好的切削液，按实际需要常在一种切削液中加入几种极压添加剂。 表面活性剂:,3-6 切削液-切削液的分类与使用,切削液的分类：非水溶性和水溶性 切削液的选用 粗加工：冷却为主,降低切削温度，如离子型切削液或3%5%乳化液。 精加工：具有良好的润滑性能,减小工件表面粗糙度和提高加工精度. 难加工材料的切削:极压切削油或极压乳化液 磨削加工:具有良好的冷却清洗作用，并有一定的润滑性能和防锈作用。故一般常用乳化液或极压乳化液。 切削液的使用方法：浇注法、喷雾冷却法,3-7 切削用量的选择,选择切削用量的原则：切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。 切削用量同加工生产率的关系：三要素对生产率的影响 f保持不变，ap增至3ap，如仍保持刀具合理的耐用度，则v必须降低15%，此时生产率P3ap2.6P，即生产率提高至2.6倍。 ap保持不变，f增至3f，如仍保持刀具合理的耐用度，则v必须降低32%，此时生产率P3f2P，即生产率提高至2倍。 切削速度高过一定的临界值时，生产率反而会降低。ap增大至某一数值时，因受加工余量的限制而成为常值时，进给量f不变，把切削速度v增至3v时，P3v0.13P,生产率大为降低。,3-7 切削用量的选择,切削用量的选择原则 选择切削用量的最佳组合，在保持刀具合理耐用度的前提下，使ap、f、v三者的乘积值最大，以获得最高的生产率。 首先选取尽可能大的背吃刀量； 其次根据机床动力和刚性限制条件或已加工表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给量； 最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度。 背吃刀量的选定 粗加工（表面粗糙度Ra8020m）时，一次走刀应尽可能切除全部余量，在中等功率机床上，背吃刀量可达810mm。 半精加工（表面粗糙度Ra105m）时，取为0.52mm。 精加工（表面粗糙度R2.51.25m）时，取为0.10.4mm。 进给量的选定：具体数值可查阅“机械加工工艺手册” 。,3-7 切削用量的选择-切削速度,在ap 、f值选定后，根据合理的刀具耐用度计算或用查表来选定车削速度。 在生产中选择切削速度的一般原则是： 粗车时， ap和f较大，v较低；精车时， ap和f较小，v较高。 工件材料强度、硬度高时，应选较低的v；加工奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的v。 切削合金钢比中碳钢v应降低20%30%；切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要降低v 20%30%；切削有色金属时比中碳钢时可提高100%300%。 刀具材料的切削性能愈好， v也选得愈高。如硬质合金的v比高速钢刀具可高好几倍，涂层刀具的v比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石和CBN刀具更高。 精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。 断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低v 。 在易发生振动时，切削速度应避开自激振动的临界速度。 加工大件、细长件和薄壁工件或加工带外皮的工件时，适当降低v 。,3-7 切削用量的选择-切削用量最佳化的概念,T-v关系及lm-v关系中的极值 最佳切削温度概念 各切削速度之间的关系：图3-38 可以证明，最高刀具耐用度的切削速度vT、最佳切削速度v0、经济切削速度vc和最高生产率切削速度vp之间存在下列关系：vTv0vcvp 利用最佳切削温度确定切削用量组合的方法：通常，背吃刀量变化不大，并且对切削温度影响也不大，因此一般是求切削温度和进给量的最佳组合。 图3-39为在不同的切削速度和进给量下的切削温度、切削路程和刀具磨损强度的曲线。,1.7工件材料的切削加工性,1.7.1材料切削加工性的概念 1.7.2材料切削加工性的衡量指标 1.7.3材料的相对加工性 1.7.4工件材料的物理力学性能对切削加工性的影响 1.7.5常用金属材料的切削加工性 1.7.6改善切削加工性的途径,1.7.1材料切削加工性的概念,【定义】工件材料的切削加工的难易程度。 当被切削工件难加工时，切削加工性差（低）；反之，切削加工姓好（高）。,1.7.2材料切削加工性的衡量指标,通常有四种标志方法 刀具耐用度T 已加工表面质量 单位面积切削力 断屑性能 最常用的是VT，即保证刀具一定耐用度所允许的切削速度，它指刀具的耐用度为T（分钟，秒）时允许的切削速度。VT越高，切削加工性越好。 一般材料取T=60分钟，VT写作V60，对难切削材料，可取为V30,V15,1.7.3材料的相对加工性,【定义】被切削材料的V60与标准45钢6b=0.637GPa的(V60)j之比。 Kv=V60/(V60)j 常用材料的相对加工性可分为8级，Kv大致在0.153.0之间。 相对加工性仅对选择切削速度有指导意义,1.7.4工件材料的物理力学性能对切削加工性的影响,一般认为，工件材料的物理、力学性能越高，越难加工，切削加工性越差。 Eg.伸长率、冲击韧性越大，加工性越差 热导率越大、加工性越好,1.7.5常用金属材料的切削加工性,有色金属 铸铁 结构钢 难切削材料,1.7.6改善切削加工性的途径,改善材料 调整材料的化学成分 适当热处理 改善加工条件 选用合适地刀具材料及切削用量 选用合适的设备和加工方法 选择切削性好的材料状态,1.8 切削条件的合理选择,1.8.1刀具材料的合理选择 1.8.2刀具几何参数的合理选择 1.8.3刀具耐用度的选择 1.8.4切削液的合理选用,1.8.1刀具材料的合理选择,最常用的刀具材料 高速钢教材p.42表1-12 硬质合金教材p.43表1-13,1.8.