切削加工理论及其应用.ppt

第一章 切削加工的理论及其应用,1.1 切削变形机理,1.2 切削力,1.3 切削温度,主要内容,1.4刀具磨损和刀具耐用度,1.5 已加工表面质量,1.6 切削加工理论应用,主要要求 1.掌握塑性材料切屑形成的过程及切削方程式的建立；掌握切屑的变形规律及控制技术；会分析切削过程中积屑瘤、鳞刺产生的条件及控制措施。 2.掌握切削力和切削温度的计算机辅助测试原理、方法以及经验公式的建立。 3.掌握刀具材料的性能要求及常用刀具材料的应用场合，了解刀具材料发展的趋势。 4.掌握刀具磨损机理及刀具耐用度的选择原则。 5.能综合分析切削用量三要素对切削力、切削温度、刀具的耐用度的影响。 6.理解工件材料切削加工性的意义，了解常用工程材料的切削加工性。 7.理解已加工表面质量的评定指标以及表面粗糙度、加工硬化、残余应力产生的原因以及对加工表面质量的影响。 8.理解刀具几何参数、切削用量、切削液的选用原则及依据；能根据工件材料的切削加工性和加工条件综合选择刀具材料、刀具几何参数、刀具、切削用量和切削液。,1.1 切屑变形机理,内容提要 1.1.1 切屑形成过程 1.1.2 切削方程 1.1.3 切屑的变形规律及控制 1.1.4 积屑瘤与鳞刺,1.1.1 切屑的形成和变形区的划分,一、切屑的形成 切屑形成实质：金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面挤压下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程（俄.麦基理论)。切屑是工件材料受到刀具前刀面的挤压，发生变形，最终被撕裂下来的。 切削过程理论模型压缩实验：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。图1-1 切削过程模型：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。图1-2,图1-1 塑性金属挤压与切削示意图,图1.2 金属切削过程模型 （）简化模型；（）晶粒滑移示意图；（3）滑移与晶粒的伸长,（1）,（2）,（3）,二、变形区的划分及特征 第一变形区（剪切滑移、加工硬化） 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。 第二变形区（纤维化、加工硬化） 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。 第三变形区（摩擦与加工硬化） 第三变形区也称为刀工接触区，主要是刀具的后刀面与工件的挤压和摩擦，形成已加工表面。,1.3 金属切削过程中的流线与三个变形区示意图,图1-4 第一变形区金属的滑移,1.第一变形区内金属的剪切变形 特征：沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化 解释：从金属晶体结构的角度看，就是晶粒中的原子沿着滑移平面所进行的滑移。,（1）第二变形区内金属的挤压变形 金属切削层经过第一变形区后绝大部分开始成为切屑，切屑沿前刀面流出，由于受刀具前面挤压和摩擦的作用，切屑将继续发生强烈的变形，这个变形区域称为第二变形区，用表示。 特点：（1）靠近刀具前面的切屑底层附近纤维化，切屑流动速度缓慢，甚至滞留在刀具前面上；（2）切屑发生弯曲变形；（3）由摩擦产生的热量使刀屑接触面附近温度升高。 第二变形区的变形直接关系到刀具的磨损，也会影响第一变形区的变形大小。,2.第二变型区的挤压和摩擦,（2）前刀面上的摩擦 冷焊现象：在金属切削的过程中，在一定的切削速度和切削温度范围内，由于切屑与前刀面之间的摩擦，使切屑底部与前刀面发生的粘接现象。因此，切屑与前刀面之间的摩擦既有外摩擦，又有内摩擦，且内摩擦占主导因素。 前刀面平均摩擦系数：,（1-10）,工件材料：强度硬度增大，摩擦系数略有减小； 切削厚度：切削厚度增大，摩擦系数略有减小； 切削速度：使得摩擦系数有一个极大值； 刀具前角：在一般切削速度范围内，前角增大，摩擦系数增大。,影响前刀面摩擦系数主要因素,1.1.2 切削方程,(1-1),图1-5 剪切变形示意图,1. 剪切角：剪切滑移面与切削速度方向的夹角，其大小可以作为衡量切削过程情况的标志。,2. 相对滑移（剪应变） s剪切变形层金属的滑移量； y变形层厚度 右图及公式（1-1）主要描述了剪切角与剪应变的关系。,一、切屑变形度量,（1-2）,（1-3）,（1-4）,3. 变形系数,原理：变形系数的概念基于这样的事实：在切削过程中，刀具切下的切屑厚度通常要大于切削层的厚度，而切屑的长度大于切削长度，而变形前后体积不变。,讨论： 剪切角、相对滑移、和变形系数是根据纯剪切理论的观点提出的，它们不能反映全部的金属变形实质； 当 时，对于某一固定的剪切角，相对滑移与变形系数成正比； 当 当 时，不能用变形系数表示变形程度。,（1-5）,4. 相对滑移与变形系数的关系,二、切屑力学模型 切屑力模型主要研究切屑与刀具前刀面的相互作用。作用在切屑上的力如图1-6所示。应用力平衡原理可得各个力的方程：,图1-5 作用在切屑上的力,图1-6 作用在切屑上的力与角度的关系（c）,剪切角的计算,麦钱特（m. e. merchant）公式（根据合力最小原理计算剪切角）,李和谢弗（lee and shaffer）公式（根据主应力方向与最大剪应力方向之间的夹角为45度的原理来计算剪切角）,（1-8）,（1-9）,上述两个公式反映了剪切角、刀具前角，刀屑之间的摩擦三者之间的关系，结合剪切角与变形系数的关系，也反映了三者对切屑变形的影响。,讨论： 前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。在保证切削刃强度的情况下，增大刀具的前角对改善切削过程是有利的。 摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。在低速切削时，采用切削液以减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。 注意，上述两式在定性上是一致的，都假设： 二维自由直角切削； 工件材质均匀； 单一剪切面； 不计弹性变形； 不计加工硬化和积屑瘤； 用单一的摩擦系数代替复杂的前刀面上的摩擦情况。,1.1.3 切屑的变形规律及控制,（1）工件材料对切屑变形的影响 工件材料强度越大，则变形系数越小，切削变形也越小，工件材料塑性越大，则变形系数越大。 （2）刀具前角对切屑变形的影响 刀具前角越大，则变形系数越小。,1. 切屑变形的变化规律,解释依据,（3）切削用量对切屑变形的影响 切削速度：切削塑性金属材料时，切削速度对切削变形的影响呈波浪形； 进给量：进给量增大，则切削厚度增大，切削变形减小，变形因数减小； 背吃刀量：对切屑变形的影响较小。,解释：,1.工件材料,2.刀具前角,3. 切削速度,4. 切削厚度,2. 切屑的类型及变化 带状切屑：内表光滑，外表毛茸；加工塑性材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大。 挤裂切屑：外表锯齿，内表裂纹；加工塑性材料，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较削。 单元切屑：也叫粒状切屑，加工塑性材料。 崩碎切屑：加工脆性材料。,切屑的变化,1-10 切屑的类型,3.切屑的控制 切屑形状 带状屑， c形屑，崩碎屑，宝塔状屑，长紧卷屑，发条状切屑，螺卷屑,图1-11 切屑的各种形状,衡量切屑可控性的主要标准 （1）不妨碍正常的加工（不缠绕工件、刀具，不飞溅到机床运动部件中）； （2）不影响操作者的安全； （3）易于存放，清理和搬运。 切屑卷曲和折断 （1）切屑卷曲和折断机理： 切屑沿刀具前面流出的过程中，受到前面的挤压和摩擦而进一步变形，使得切屑底部被挤而伸长，切屑背面相对缩短，切屑就自然会逆时针卷曲。 如果刀具的前角较小，则切屑流出过程中受到的挤压和摩擦变大，切屑就会卷得更紧。切屑卷曲过程中，若切屑中的弯曲应力达到材料的弯曲强度极限，则切屑就会自行折断。,（2）切屑卷曲与折断的机理解释 自由切屑的卷曲机理 由于前刀面和剪切面上对切屑的作用力大小相等，方向相反，但是不共线，因而产生了弯矩，导致切屑卷曲。（刘培德） 受控切屑的卷曲机理 图1-12a为带倒棱的全圆弧形卷屑槽的卷屑机理，图1-12b为直线形卷屑槽的卷屑机理。都采用卷屑槽的方式实现切屑卷曲的控制。 切屑折断的机理 图1-13分别为螺卷屑、发条状屑和c形屑折断的机理，其主要原因是由于切屑环的内侧拉应力大于切屑材料的弯曲应力极限。,图1-12 卷屑机理,（a）全圆弧形卷屑槽半径计算与讨论,（b）直线形卷屑槽的卷屑半径,图1-13 断屑机理,（4）影响切屑卷曲和折断的主要因素 工件材料性能：工件材料的屈服极限、弹性模量越小，塑性越低，越易折断； 切削用量：切削厚度小，背吃刀量大，切削速度高，断屑难； 刀具前角：前角小，变形大，易折。,4. 切屑控制的主要措施 （1）根据不同的加工材料选择不同的几何参数的刀具，来达到预期的切屑的几何形状和流向； （2）通常在前刀面上制造断屑器（台）和卷屑槽的方法使切屑尽快折断； （3）采用适当的刃倾角s，达到满意的切屑流向。,3.积屑瘤,现象：在切削塑性金属材料时，粘接、冷焊并沉积在前刀面切削出的一种硬度极高的金属楔状块。 产生原因：在一定的切削速度范围内，在高压、高温、摩擦的条件下，刀屑处于新鲜的接触状态，加之原子间的亲和力，产生于切屑底层的金属粘接和堆积。 工件材料的塑性； 切削速度； 刀具前角； 冷却润滑条件。,图2-7 积屑瘤,对切削过程的影响： 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大。 积屑瘤可代替前、后面和切削刃进行切削，减少刀具磨损。 积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。 积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。 控制积屑瘤的措施 降低工件材料的塑性 控制切削速度 增大刀具前角 合理使用切削液,思考题1,1.试根据切屑变形模型分析三个变形区的特征及各自可能产生的现象。 2.根据lee and shaffer公式，变形系数与剪切角、刀具前角的关系，试分析切削用量三要素对切屑变形的影响。 3.试论述切屑弯曲和折断的机理，并分析控制切屑的措施。,1.2 切削力,1.2.1 切削力的来源、分解及切削功率,一、切削力来源： 加工材料的弹塑性变形抗力（包括剪切力）、切屑与前刀面的摩擦力、工件已加工表面与后刀面的摩擦力。,二、切削力的分解： 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。 作用：计算刀具和机床强度,确定机床功率。 ff进给力,在基面内,与进给方向相反。 作用：用于设计机床进给机构和确定进给功率。 fp背向力,在基面内,与进给方向垂直。 作用：计算工件挠度和刀具、机床零件的强度。,三、切削功率,1.2.2 切削力的计算机辅助测试及经验公式的建立,一、切削测力仪 1.测力仪的评判指标 （1）精度：最大测力误差与最大测力值之百分比； （2）灵敏度：测力仪所能测到的最小力值与其测力范围的百分比； （3）刚度：测力仪在受切削力时抗变形的能力； （4）测力仪应当满足各向力同时测量，互不干扰。 2.测力仪测量切削力的基本原理 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信号经转换后读出各个独立的切削分力。,3. 电阻应变片式测力仪 原理： 将若干电阻应变片紧贴在测力仪的弹性元件的不同受 力位置，分别连成电桥。在切削力的作用下，电阻应变片随着弹性元件发生变形，使电阻应变片的电阻值改变，破坏了电桥的平衡，于是电流表中有与切削力大小相应的电流通过，经电阻应变仪放大后得到电流示数。 特点： 灵敏度高、量程范围大、测量精度高，可用于静动两种状态的测量； 电阻应变片式测力仪八角环形三向车削测力仪。,图1-14 八角环三向车削测力仪,4.压电式测力仪 原理 利用某些材料（石英晶体或压电陶瓷）的压电效应。即在受外力作用下，压电材料的表面产生电荷，电荷的多少与所施的压力成正比，与压电晶体的大小无关。用电荷放大器转换成相应的电压参数，从而测出力的大小。 特点 灵敏度高、刚度大、自振频率高、线性度和抗相互干扰性好、无惯性；易受湿度的影响，产生零点漂移。,二、切削力的计算机辅助测试 基本原理： 在测力传感器的弹性元件上粘贴具有一定电阻值的电阻应变片，然后将电阻应变片联成电桥，电桥的输出与弹性体的应变成正比。三向应变模拟信号输出并进行高倍率放大后，再经a/d板转换为数字量送入计算机。在软件系统控制下，实现显示和各种功能辅助。,测量方法： 在本课程实验一具体描述。,三、切削力经验公式的建立 建立方法： （1）单因素实验法 （2）多因素实验法 实验数据处理方法 （1）图解法 （2）回归分析法（包括最小二乘法） （3）计算机数据采集、处理和预报,1.2.3 影响切削力的因素,（一）工件材料的影响（系数cf 或单位切削力kc体现） 工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。 （二）切削用量的影响 apac成正比， kc不变， ap的 指数约等于1，因而切削力成正比增加； fac成正比，但 kc略减小， f 的 指数小于1，因而切削力增加但与f 不成正比。 生产实意义：从切削刀具上的载荷和能量消耗的角度，用大的进给量比用大的背吃刀量工作更有利。 速度v 对f 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况 在无积屑瘤阶段， v 变形程度切削力减小,1.在积屑瘤增长阶段 随v 积屑瘤高度，变形程度，f 2.在积屑瘤减小阶段 v 变形程度，f 3.在无积屑瘤阶段 随v ，温度升高，摩擦 系数变形程度 f 计算f 时乘以修正系数kv或指数zf约为-0.15来体现,（三）刀具几何参数的影响 1.前角0 的影响 加工塑性材料时，0 变形程度f加工脆性材料时，切削变形很小， 0对 f 影响不显著0 30或高速切削时， 0对 f 影响不显著,2. 主偏角r的影响 r对fc影响较小，影响程度不超过10%，r在6075之间时，fc最小。 r对fp、 ff影响较大 fp fd cosr ff fd sinr fp随r 增大而减小，ff随r 增大而增大,3.刃倾角s的影响 s对fc影响很小， s对fp、ff影响较大 fp随s增大而减小， ff随s增大而增大,4.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。,5.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,（六）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。,（五）切削液的影响 切削液润滑作用越好，切削力减小越显著，低速时更突出。,（四）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,1.3 切削温度,1.3.1 切削热的产生和传导,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 =cfcapf 0.75v-0.15kfcv = cfcapf 0.75v0.85kfc 切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质向外传出,1.3.2 切削温度的测量,切削温度是指切削区域的平均温度，一般用前刀面与切屑接触区的平均温度近似代替。 切削温度的测量方法目前主要有自然热电偶法、人工热电偶法和半人工热电偶法。 一、自然热电偶法 原理：利用刀具和工件材料化学成分的不同构成热电偶，将刀具和工件作为热电偶的两极，组成热电回路测量切削温度的方法。 特点：利用自然热电偶可以测量切削区的平均温度，但是不能测出切削区指定点的温度。,二、人工热电偶法 原理：将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件预定要测量的点上，冷端通过导线串接电位计或毫伏计，根据表上的数值和热电偶标定曲线，可以获得焊接点上的温度。 特点：利用人工热电偶法只能测得距前刀面有一定距离的某点温度，而不能测出前刀面上的温度。,1.3.3、切削温度的分布规律,红外胶片法测得切钢料的温度场，分析归纳切削温度分布规律： 1.剪切面上各点的温度基本一致; 2.前、后刀面上的最高温度都处于离刀刃一定距离的地方；后刀面的温度降低和升高在极短时间内完成； 3.在剪切区域内，垂直于剪切方向上的温度梯度较大；垂直于前刀面的切屑底层的温度梯度较大； 4.工件材料塑性越大，前刀面与切屑的接触长度越长，温度分布越均匀；工件材料脆性越大，最高温度所在的点离刀刃越近；工件材料导热系数越低，前、后刀面上的温度越高。,1.3.4 影响切削温度的主要因素,两个方面：切削热的产生与传出,（一）切削用量的影响,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。,（二）刀具几何参数的影响 1. 前角0 的影响 0 变形程度f q ，但0 20时，因散热面积，对的影响减小,2. 主偏角r的影响 r ，切削宽度aw ，散热面积 ,（三）工件材料的影响 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。,（四）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。,（五）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。,1.4 刀具磨损、破损和刀具耐用度,内容提要 1.4.1刀具磨损的形态及原因 1.4.2刀具磨损过程及磨钝标准 1.4.3刀具耐用度及其经验公式 1.4.4刀具破损的形态及原因,概述 刀具在切削工件材料的过程中，本身也发生损坏。刀具的损坏分为磨损和破损。 刀具的磨损表现为连续的逐渐磨损，刀具磨损时存在着机械、热和化学变化，表现为摩擦、黏结和扩散等现象。 刀具的破损表现为突然发生，包括崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等。,1.4.1 刀具磨损机理,一、刀具磨损的形态 （一）前刀面磨损 产生机理：切塑性材料，v 和ac较大时，切屑与前刀面完全是新鲜的表面接触和摩擦，化学反应强烈；高温高压下，切削液难以进入刀屑接触区，产生前刀面磨损。 磨损形态：在前刀面上形成月牙洼磨损。 尺寸指标：前刀面的磨损值以月牙凹最大深度kt 表示。,（三）边界磨损 磨损形态：切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接触处磨出沟纹，称为边界磨损。 产生机理：边界处的加工硬化层、硬质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。,（二）后刀面磨损（磨损带磨损） 产生机理：切铸铁或v 和ac较小切塑性材料时，由于刀具后刀面与工件已加工表面接触区的挤压和摩擦而造成后刀面磨损。 磨损形态：高速切削有时呈面包状，一般情况下呈带状。 尺寸指标：后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为vc；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以vb表示；边界处磨损严重，以vn表示。,二、刀具磨损的原因 从对温度的依赖程度看，刀具正常磨损的主要原因是： （1）机械磨损：工件材料中硬质点的刻划作用而引起的磨损。 （2）热化学磨损：粘结、扩散、腐蚀等引起的磨损,（一）机械磨损（磨料磨损、硬质点磨损） 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物、积屑瘤碎片等）对刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 影响硬质点磨损的原因有：材料表面的显微硬度、磨粒硬度、材料表面的硬度（热处理状态、加工硬化程度等）。 刀具在各种切削速度下都存在硬质点磨损，但它是低速切削时刀具磨损的主要原因。 hss刀具发生硬质点磨损的几率较大。,（二）粘结磨损 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，接触到原子间结合距离而产生粘结现象，又称为冷焊。 两摩擦表面的粘结点因相对运动、晶粒或晶粒群受剪或受拉而被工件材料带走是造成粘结磨损的原因。 粘结点的破裂一般发生在材料比较软的一方，但是由于刀具材料往往组织不均匀，存在内应力、微裂纹、空隙、局部软点等缺陷，使得刀具材料也会被带走。 粘结程度取决于切削温度、刀具与工件材料之间的亲和力、刀屑接触面的清洁程度、刀具和工件材料的硬度比、刀具表面形状与组织、切削条件等。 而切削温度是影响粘结磨损的主要因素。,（三）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、刀具与工材料亲合力越大，扩散越快； 高速切削时，刀具与工件接触区的温度大于硬质合金与钢作用的正常温度，引起摩擦副金属间的相互溶解和扩散。因此高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。 几种刀具材料与铁相互扩散强度的大小顺序为： 金刚石碳化硅立方氮化硼氧化铝 而与钛合金相互扩散强度的大小顺序为： 氧化铝立方氮化硼碳化硅金刚石,（四）化学磨损 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。 化学磨损是边界磨损原因之一，主要发生在较高速切削条件下。,（五）热电磨损 切削区高温，在刀工间产生热电势加快扩散加剧刀具磨损。,小结： 1.对一定的刀具和工件材料，起主导作用的是切削温度。低温区以机械磨损（硬质点磨损）为主，高温区以热化学磨损为主。 2.对耐热性较低的高速钢，其磨损主要是硬质点磨损和粘结磨损；对于硬质合金，主要是粘结磨损和扩散磨损。 3.加工钢时，氧化铝刀具主要是硬质点磨损和粘结磨损。,1.4.2刀具磨损过程及磨钝标准,（一）刀具磨损过程 1. 初期磨损阶段 与刀具刃磨质量有关 2. 正常磨损阶段 vb与切削时间近似正比 斜率表示磨损强度 3. 急剧磨损阶段 切削力、温度急升，刀 具磨损加剧，之前换刀,（二）刀具磨损标准 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，以径向磨损量nb作为磨钝标准。,1.4.3 刀具耐用度及其经验公式,（一）刀具耐用度t 刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间称为刀具耐用度（刀具使用寿命）。 刀具总使用寿命：刀具从开始使用到报废为止的总切削时间。 刀具总使用寿命刀具耐用度刃磨次数,（二）刀具耐用度经验公式的建立,（三）对经验公式的分析与讨论 1.上述经验公式是在常用的切削速度范围内讨论的，而在较宽的切削速度范围内，特别是在低速区，由于积屑瘤的不稳定性会加速刀具的磨损，该经验公式不适用。 2.上述经验公式是在正常磨损范围内讨论的，对于以破损为主的刀具失效形式，该经验公式不适用。 3.上述经验公式是以刀具的平均耐用度为依据建立的。实际上，由于刀具和刀具材料性能的分散性，加工条件（机床及工艺系统、静态性能的差别、工件毛坯余量不均匀）的变化，刀具的耐用度是随机变量，试验表明其分布为正态分布。 4.切削速度对刀具耐用度的影响最大、进给量次之、背吃刀量最小。因此在考虑刀具耐用度的情况下，首先选用较大的背吃刀量。,1.4.4 刀具破损的形态及原因,一、刀具脆性破损 崩刃：在切削刃上产生小缺口，是一种早期破损的形式 碎断：在切削刃上发生小块碎裂和大块断裂。 剥落：在前后刀面几乎平行于切削刃而剥下的一层碎片。 裂纹破损：刀具在较长时间断续切削后，由于疲劳而引起裂纹的磨损。,二、刀具塑性破损 切削时，由于高温高压的作用，在前后刀面和茄屑的接触层上，刀具表面材料发生塑性流动而丧失切削能力。,三、刀具脆性破损的原因 发生破损的原因主要有：冲击、机械疲劳和热疲劳。 1.引起早期破损的原因主要是机械冲击造成的结果。 2.刀具后期疲劳破损的原因是在机械与热冲击作用下，刀具内裂纹失稳扩展所致。,1.4.5 刀具耐用度的选择原则,一、最高生产率耐用度,以单位时间生产最多数量产品或加工单个产品所消耗的时间最少来衡量。,二、最低成本耐用度,根据每件产品的加工费为最低的原则制定,最高生产率耐用度比最低成本耐用度低，一般多采用最低成本耐用度，只有当生产任务紧迫或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才采用最高生产率耐用度。,选择刀具耐用度时应该注意几点：,制造刃磨方面：刀具越简单，t取小 装夹调整方面：越复杂，t取大 大型工件：t取大,1.5 已加工表面质量,内容提要 1.5.1 已加工表面质量的概念 1.5.2 已加工表面质量的形成过程 1.5.3 已加工表面粗糙度 1.5.4 加工硬化 1.5.5 残余应力,概述： 已加工表面质量对机器零件的使用性能以及机器的可靠性能有着重要的影响，要保证工件的表面质量，必须研究已加工表面的形成过程，以及影响表面质量的各种因素。,1.5.1 已加工表面质量的概念,一、已加工表面质量的内涵 已加工表面质量（surface quality），也成为表面完整性（surface integrity）,包含两方面内容： 1. 表面的几何形状特征 （1）表面粗糙度：微观误差波距1mm。 （2）表面波度：微观与宏观之间波距110mm。,2. 表面层材质的变化 零件加工后在一定深度表面层内出现变质层，其特性可以用塑性变形、微观裂纹、加工硬化、残余应力、晶粒变化等来描述。,二、已加工表面质量对零件使用性能的影响,表面质量对零件耐磨性的影响,零件磨损三个阶段： 初期磨损阶段 正常磨损阶段 剧烈磨损阶段,表面金相组织的变化会导致表层硬度发生变化，影响零 件的耐磨性。,2.表面质量对疲劳强度的影响 表面粗糙度值越大，抗疲劳破坏能力越差； 表面残余拉应力促使裂纹扩展，压应力阻止裂纹扩展； 表层加工硬化适度会提高疲劳强度，过大易产生裂纹。,3.表面质量对耐腐蚀性的影响 表面粗糙度值越大，抗腐蚀性越差； 表层加工硬化及金相组织变化易产生内应力，导致应力腐蚀开裂，降低零件腐蚀性，而压应力有利微裂纹闭合。,4. 表面质量对配合质量的影响 表面粗糙度值越大，零件配合精度越低。,三、已加工表面面质量的评定指标 1.表面粗糙度。 2.表面层的加工硬化程度和硬化层深度。 3.表面层以及一定深度层的残余应力大小及分布。 4.表面层金相组织的变化情况。 由于第4项的变化结果均反映在表层的加工硬化和残余应力上，故已加工表面质量的评定指标就是1、2、3项。,1.5.2 已加工表面质量的形成过程,一、已加工表面质量形成的条件,2.由于刀刃钝圆半径的关系，切削层金属发生了分离，上部分沿前刀面流出，下部分受到刀刃的挤压留在加工表面上； 3.留在加工表面受到挤压的金属层再一次受到后刀面被磨损的棱面的挤压、摩擦，弹性变形并恢复，继续与后刀面挤压摩擦，最终形成已加工表面。,二、已加工表面的形成过程 1.当切削层金属以速度v逐渐接近刀刃时，便发生压缩与剪切变形，最终沿 剪切面方向剪切滑移而形成切屑；,1.5.3 已加工表面粗糙度,一、表面粗糙度产生的原因 （1）几何因素产生的粗糙度。主要取决于残留面积的高度； （2）由于切削过程的不稳定性产生的粗糙度。其中包括积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损等。 1.残留面积 切削时，由于刀具与工件的相对运动及刀具几何形状的关系，有一小部分金属未被切削下来而留在已加工表面上， 直接影响到已加工表面的横向粗糙度。,（a）,（b）,2.积屑瘤的成长与分裂对表面粗糙度的影响,3.鳞刺 鳞刺现象：在已加工表面出现的鳞片状的毛刺。 产生条件：中低切削速度，切削塑性金属。 鳞刺形貌：其晶粒和基体材料的晶粒相互交错，鳞刺与基体材料之间没有分界线，其表面微观特征是鳞片状。 积屑瘤与鳞刺的关系： 积屑瘤的顶部不稳定的成长与分裂，形成了鳞刺； 鳞刺是由积屑瘤经过抹拭、导裂、层积、切顶四个阶段形成的。 在切削塑性金属材料时，无论有无积屑瘤，都有可能产生鳞刺。,4.切削过程中的变形 挤列或单元切屑的形成中，由于切屑单元带有周期性的断裂，当这种断裂延伸到切削表面下时，在加工表面留下挤裂的痕迹而成为波浪形。 在崩碎切屑的形成中，从主切削刃处开始的裂纹在接近主应力方向斜向下延伸形成过切，造成加工表面凸凹不平。,5.刀具的边界磨损 在副后刀面上产生的沟槽形边界磨损，在已加工表面上形成锯齿状的凸出部分，粗糙度增大。,6.刀刃与工件相对位置的变动 （1）运动机构发生跳动；（2）切削过程的波动。,二、减小粗糙度的措施 1.刀具方面,2.工件方面,改善工件材料的塑性和金相组织。,3.切削条件方面,切削塑性材料时，提高切削速度可以减小表面粗糙度； 减小进给量； 采用高效切削液。,1.5.4 加工硬化,一、加工硬化产生的原因 一方面，已加工表面的形成过程中，表面金属层经受了复杂的塑性变形。 另一方面，低于相变温度的切削温度使金属弱化，更高的切削温度使金属发生相变。 已加工表面就是上述两个方面的综合结果。 如果是塑性变形占主导地位，产生加工硬化，即强化作用； 如果是切削温度占主导地位，当切削温度引起退火时，产生弱化作用；当切削温度引起淬火时，产生强化作用。,二、加工硬化的度量指标,三、影响加工硬化的因素,1.刀具方面,2.工件方面,3.切削条件方面,1.5.5 残余应力,残余应力：在没有外力的作用下，在物体内部保持平衡而存留的应力。残余应力分为残余拉应力（+）和残余压应力（- ）。,一、残余应力产生的原因,1.塑性变形引起的机械应力：在切屑分离处，其水平方向的晶粒受压，垂直方向的晶粒受拉；表层金属与后刀面挤压摩擦产生拉伸塑性变形，与刀具脱离后，在里层金属的弹性回复作用下，表层呈残余拉应力。,2.切削温度引起的热应力：切削时，由于强烈的塑性变形和摩擦，使已加工表层的温度比里层高，形成不均匀的温度分布。表层金属膨胀与收缩都受里层金属的阻碍，从而产生热应力。,3.相变引起的体积应力：当以加工表面的表层金属高于相变温度后，则表层组织可能发生相变，由于各种金相组织的不同，从而产生残余应力。 例：由奥氏体转变为马氏体，体积增大，表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。 由马氏体转变为屈氏体或索氏体，体积减小，表层产生残余拉应力，里层产生残余亚应力。,小结： 已加工表面层内呈现的残余应力，是由上述诸原因所导致残余应力的综合结果，最后已加工表面层内残余应力的大小及符号是由其中起主导作用的因素决定的。因此已加工表层最终可能存留残余拉应力，也可能是残余压应力。,二、影响因素及控制措施,1.工件材料方面 塑性大的金属材料，一般会产生拉应力，塑性越大，拉应力越大，切削脆性材料时通常产生残余压应力。,2.刀具方面：,3.切削用量方面,小结： 总之，凡能减小塑性变形和降低切削温度的因素都能使已加工表面的残余应力减小。,1.6 工件材料的切削加工性,1.6.1 工件材料切削加工性的概念和衡量指 工件材料切削加工性 在一定切削条件下，对工件材料进行加工的难易程度，是一个相对的概念。 一、衡量材料切削加工性的指标 1.以加工质量衡量切削加工性 一般零件精加工，以表面粗糙度衡量其切削加工性，易获得较小的加工表面粗糙度的材料，切削加工性好； 特殊精密零件或特殊要求零件，以已加工表面变质层的深度，残余应力与加工硬化程度来衡量其切削加工性。 已加工表面质量越高，切削加工性越好。,2. 以刀具耐用度衡量切削加工性 其含义包括： （1）在保证相同的刀具耐用度的前提下，考察切削这种工件材料所允许的切削速度的高低； （2）在保证相同的切削条件下，考察切削这种工件材料时刀具耐用度的大小； （3）在相同的切削条件下，看保证切削这种工件材料时达到默顿标准时所切除的金属的体积的多少。 最常用的衡量切削加工性的指标是：在保证相同刀具耐用度的前提下，切削某种工件材料所允许的切削速度，以vt 表示。,3. 以单位切削力或平均切削温度衡量切削加工性 在相同的切削条件下，切削力越大、切削温度越高的工件材料切削加工性差，在粗加工和工艺系统刚性不足时，可采用这种指标。,4. 以断屑性能衡量切削加工性 对断屑性能要求高的机床或工序，采用这种衡量指标。,二 、相对加工性kv： 以b=0.637gpa的45钢的v60作为基准，写作(v60 )j ，将某种材料的v60与其相比的比值，即 kv v60 / (v60 )j,kv仅反映不同材料对刀具使用寿命的影响程度，并未反映表面粗糙度和断屑问题，仅对选择切削速度有指导意义。若以某材料的kv 乘以45钢的切削速度即得该材料的许用切削速度。,1.6.2 影响工件材料切削加工性的因素及改善途径,一、影响工件材料切削加工性的因素 1. 工件材料的物理力学性能 工件材料的硬度对切削加工性的影响 同类材料中硬度高的切削加工性低。 1）工件材料的常温硬度越高，切削加工性越低。 2）工件材料的高温硬度越高，切削加工性越低。,3）工件材料中硬质点越多，形状越尖锐，分布越广，则工件材料的切削加工性越低。 4）材料的加工硬化性能越高，切削加工性越低。 工件材料的强度越高，切削加工性越低。 工件材料的塑性与韧性越高，剪切变形功增大，断屑困难，切削加工性降低。,2. 铸铁的化学成分的影响 铸铁化学成分中，凡能促进石墨化的元素（al、si、ni、cu、ti等），都能提高材料的切削加工性；凡能阻碍石墨化的元素（cr、v、mn、co、p、s等）都会降低材料的切削加工性。 3. 金属组织对切削加工性的影响 钢的不同组织对切削加工性的影响 （1）珠光体 （2）奥氏体 （3）马氏体、回火马氏体、索氏体,铸铁的金属组织对切削加工性的影响 （1）白口铁：少量碳化物，其余为细粒珠光体 （2）灰铸铁：铁素体+石墨、铁素体+珠光体+石墨 （3）球墨铸铁：球状石墨 4. 切削条件对切削加工性的影响 主要是切削速度。,二、改善工件材料切削加工性的途径,1. 调整材料的化学成分 钢中加硫、铅等元素；铸铁中增加石墨成分。,2. 进行适当的热处理 低、中碳钢宜选正火处理，均匀组织，调整硬度塑性； 高碳钢宜用球化退火,降低硬度,均匀组织,改善加工性； 中碳以上的合金钢硬度较高，需退火以降低硬度； 不锈钢常要进行调质处理，降低塑性，以便加工； 铸铁需进行退火处理，降低表皮硬度，消除内应力,3 . 改善切削加工条件 1) 选择合适的刀具材料和切削用量 难加工材料，导热性差，选yg、yw合金或涂层刀片； 刀具合理几何参数，断屑槽、卷屑槽，控制排屑； 选择合理切削用量等。,2) 选用合适的设备和加工方法 难加工材料加工，机床要有足够的功率和刚性; 选择合适的切削液，供给充足； 高硬度材料加工采用磨削加工更容易；,3) 选择切削加工性好的材料状态 低碳钢选冷拔状态；中碳钢选热轧状态,1.7 切削加工理论应用实例,1.7.1 切削条件的合理选择及切削力的计算 【例】用车刀车削一长度为400mm，直径为30mm的轴类零件， 已知:,（1） 合理选择粗、精加工的切削用量。 （2） 合理选择粗、精加工时的刀具