切削原理-30(张世昌).ppt

第4章切削原理 金属切削加工 是利用刀具从工件毛坯上切去一层多余的金属 从而使工件达到规定的几何形状 尺寸精度和表面质量的加工方法 1切削过程及切屑类型 1 1切屑的形成过程 金属切削过程的实质是切削层受到刀具前刀面的挤压后 产生以剪切滑移为主的塑性变形 而成为切屑的过程 切屑的形成与切离过程 是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程 正挤压 金属材料受挤压时 最大剪应力方向与作用力方向约成45 偏挤压 金属材料一部分受挤压时 OB线以下金属由于母体阻碍 不能沿AB线滑移 而只能沿OM线滑移 切削 与偏挤压情况类似 弹性变形 剪切应力增大 达到屈服点 产生塑性变形 沿OM线滑移 剪切应力与滑移量继续增大 达到断裂强度 切屑与母体脱离 图3 2金属挤压与切削比较 1 2三个变形区 研究金属切削变形的方法侧面方格变形观察法快速落刀法其他试验方法高速摄影法光弹塑性试验法 5 三个变形区的划分 1第一变形区2第二变形区3第三变形区 1 3第一变形区内金属的剪切变形 始剪切滑移线终剪切滑移线滑移量 剪切滑移加工硬化 剪切面剪切角 剪切角 剪切面积 变形程度 切削力 变形系数 切削过程中 切削层经塑性变形后 厚度增加 长度缩小 宽度基本不变 可用其表示切削层变的变形程度 根据体积不变原理 变形系数 h可用下式表示 式中LD 切削层的长度LDh 切屑的长度hDh 切屑的厚度hD 切削层的厚度 切屑与切削层尺寸 厚度变形系数长度变形系数 变形系数与剪切角的关系 tg cos o h sin o 1 4前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 高温流动速度减缓纤维化和切屑的弯曲 内摩擦外摩擦平均摩擦系数 图3 10切屑和前面摩擦情况示意图 钝圆半径加工硬化残余应力 1 5已加工表面的形成过程 切脆性材料不平稳 表面粗糙 带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑 切削不平稳 力波动大加工表面粗糙 切削平稳 力波动小加工面光洁 断屑难 滑移量较大 局部剪应力达断裂强度 1 6切屑的类型 1 7积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 积屑瘤的定义积屑瘤的形成 积屑瘤对切削过程的影响 图积屑瘤前角和伸出量 积屑瘤的产生及积聚高度的相关因素 与金属材料的硬化性质有关 刃前区的温度和压力状况有关 切削速度 精加工时避免或减小积屑瘤的措施 控制切削速度 尽量采用很低或很高的速度 避开中速区 使用润滑性能好的切削液 以减小摩擦 增大刀具前角 以减小刀屑接触区压力 提高工件材料硬度 减少加工硬化倾向 1 8切屑变形的变化规律 1 工件材料对切屑变形的影响工件材料强度愈高 切屑变形愈小 工件塑性越大 切屑变形越大 2 刀具前角对切屑变形的影响 前角对厚度变形系数的 a的影响 工件材料 5210钢 刀具材料 高速钢 切削用量 hD 0 31 0 36mm bD 0 8 0 9mm 刀具前角增大 切屑变形减小 3 切削速度对切屑变形的影响 无积屑瘤的切削速度范围内 速度越高 变形越小 有积屑瘤的切削速度范围内 切削速度的影响是通过积屑瘤的实际前角来影响的 4 切削厚度对切屑变形的影响 切削厚度增加时 变形减小 切削速度及进给量对厚度变形系数的 a的影响工件材料 20钢 被吃刀量ap 4mm 2切削力 切削力的概念切削力直接影响切削过程切削力是设计的依据 2 1切削力的来源 切削合力及分力 1 切削力的来源 2 切削合力及分力 切削合力主切削力径向力 背向力 轴向力 进给力 2 3切削力的计算 目前生产实际中采用的计算公式都是通过大量的试验经数据处理后而得到的经验公式 如指数形式公式 式中CFc CFp CFf 与工件 刀具材料有关系数 xFc xFp xFf 切削深度ap对切削力影响指数 yFc yFp yFf 进给量f对切削力影响指数 KFc KFp KFf 考虑切削速度 刀具几何参数 刀具磨损等因素影响的修正系数 3 7 机床电机功率 式中 机床传动效率 通常 0 75 0 85 3 9 式中Fc 主切削力 N v 主运动速度 m s 3 8 2 4影响切削力的因素 2 4 1工件材料的影响工件材料的强度 硬度越高 切削力是增大的 强度 硬度相近的材料 塑性越大 切削力越大 2 4 2 切削用量的影响 1背吃刀量和进给量 2切削速度的影响 2 4 2 切削用量的影响 2 4 3刀具几何参数的影响 1前角的影响 2负倒棱的影响 3主偏角的影响 4刃倾角的影响 2 4 4刀具磨损的影响 2 4 5刀具材料的影响 2 4 6切削液的影响 水溶性切削液对切削力影响很小非水溶性切削液显著降低切削力 3切削热与切削温度 切削热的危害 刀具磨损加剧 刀具耐用度下降 精加工时 工件本身和刀杆受热膨胀致使工件尺寸精度达不到要求 会使机床产生热变形而导致加工误差的产生 一般所说的切削温度是指切削区的平均温度 3 1切削热的产生和传出 切削热来源切削热的转换切削热的传出 图2 25切削热的产生与传导 第一变形区 60 的热量 第二变形区 30 的热量 第三变形区 10 的热量 影响切削热传导的主要因素 工件材料的导热性能刀具材料的导热性能周围介质切屑与刀具的接触时间 3 2影响切削温度的主要因素 1切削用量中切削速度对切削温度的影响 进给量f的影响 3 2影响切削温度的主要因素 背吃刀量ap的影响 3 2影响切削温度的主要因素 切削用量中 v对 影响最大 f次之 ap最小 为有效控制切削温度以提高刀具耐用度 选用大的背吃刀量或进给量 比选用大的切削速度有利 3 2影响切削温度的主要因素 3 2 2刀具几何参数对切削温度的影响 图前角与切削温度的关系 主偏角kr对切削温度的影响 3 2 3刀具磨损对切削温度的影响 3 2 4工件材料对切削温度的影响 正火 b 0 589GPa 187HB 调质 b 0 736GPa 229HB 淬火 b 1 452GPa 44HRC 图3 21切削速度 工件材料对切削温度的影响1 GH1312 1Cr18Ni9Ti3 45钢 正火 4 HT200刀具材料 YT15 YG8刀具几何参数 o 15 o 6 8 r 75 1 10 s 0 b 0 1mm r 0 2mm切削用量 ap 3mm f 0 1mm r 3 2 5切削液对切削温度的影响 3 4切削温度的分布 4刀具失效及刀具寿命 刀具失效 磨损和破损 磨损 刀面和切削刃上的金属微粒被工件 切屑逐渐带走而丧失切削能力的现象破损 在短时间内发生的破坏 1 前刀面磨损 月牙洼磨损 4 1刀具磨损的形态 月牙洼增长示意图 2 后刀面磨损 3 边界磨损 4 2刀具磨损的原因 刀具磨损是机械的 热的和化学的三种作用的综合结果 1 硬质点磨损 硬质点磨损的概念硬质点磨损发生范围 2 粘结磨损 粘结磨损的概念粘结磨损的发生范围 3 扩散磨损 扩散磨损的概念扩散磨损的范围 4 化学磨损 化学磨损的概念化学磨损的范围 5 小结 不同的工件材料 刀具材料和切削条件下 磨损原因和磨损强度是不同的 图切削速度对刀具磨损强度的影响1 硬质点磨损 2 粘结磨损 3 扩散磨损 4 化学磨损 4 4刀具磨损过程 初期磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段 图3 30刀具的磨损过程 4 5刀具的磨钝标准 刀具的磨钝标准的概念磨钝标准后刀面磨损刀具径向磨损量切削力 磨钝标准的取值粗加工和半精加工精加工工艺系统VBVBmax或VC 4 6刀具耐用度 刀具耐用度 开始切削到达磨钝标准时的纯切削时间 刀具寿命 第一次使用到完全报废时的纯切削时间 切削用量对刀具耐用度的影响 1切削速度与刀具耐用度的关系试验法T v关系式 图各种切削速度下的刀具磨损曲线 刀具T v关系曲线 图3 32 该直线方程为 Lgv mlgT lgA 式中 m tg 即该直线的斜率 A 当T 1s 或1min 时直线在纵坐标上的截距 V A Tm m表示切削速度对刀具耐用度地影响程度 m越大 切削速度对耐用度影响小 刀具材料切削性能好 图3 32在双对数坐标上的T v曲线 进给量 背吃刀量与刀具耐用度的关系 进给量与刀具耐用度的关系f B Tn背吃刀量与刀具耐用度的关系ap C Tp 切削用量与刀具耐用度的关系 一般情况下 m n p 1 当切削速度认提高1倍 而其它条件不变时 刀具耐用度将降低到原来的3 2 如果其它切削条件不变 进给量提高1倍时 刀具耐用度将降低到原来的21 3 其它切削条件不变时 背吃刀量提高1倍时 刀具耐用度仅降低到原来的59 用YT5硬质合金车刀切削 b 0 63Gpa的碳钢 4 7刀具的破损 破损 非正常磨损 刀具使用时 常会出现不经正常磨损就突然破坏而失效 刀具破损是刀具主要失效形式之一刀具破损主要分为脆性破损和塑性破损 1 刀具的脆性破损 崩刃碎断 剥落裂纹破损 2 刀具的塑性破损 刀具塑性破损的概念发生范围 3 防止刀具破损的措施 合理选择刀具材料和刀具角度合适的切削用量采用可转位刀具提高系统的刚性 5材料切削加工性 材料切削加工性 材料被切削加工的难易程度 以切削力或切削温度衡量加工性以加工表面质量衡量加工性以切屑控制或断屑的难易衡量加工性 相对加工性 工件材料的相对切削加工性及分级 5 2影响切削加工性的主要因素 工件材料的硬度和强度工件材料的塑性 韧性工件材料的导热系数化学成分C的影响 合金元素的影响金相组织低碳钢 铁素体 淬火钢 马氏体 不锈钢 奥氏体 冷硬铸铁 渗碳体 中碳钢 珠光体 5 3改善材料切削加工性的途径 合理选择材料供应状态低碳钢以冷拔状态最易切削 中碳钢以部分球化的珠光体组织最好加工 高碳钢以完全球化退火状态加工性最好 铸件 气割件的周边余量不均匀且有硬皮 加工性就不如冷拔或热轧毛坯 进行热处理调整化学成分 6切削用量的选择 切削用量选择的根本原则高质量 高效率 低成本 6 1切削用量的选择原则切削用量同生产率的关系切削用量同刀具耐用度的关系 P 1 tmP Aovfap 质量 成本 生产率 ap f v乘积最大 首先选取尽可能大的背吃刀量其次选取尽可能大的进给量最后确定切削速度 6 1切削用量的选择原则 6 2背吃刀量的选定加工时 一次走刀尽可能切除全部加工余量 硬皮的铸锻件或切削不锈钢等加工硬化严重的材料时 应尽量使背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚度 在下列情况下粗车可能要分几次走刀 1 加工余量太大时 一次走刀会使切削力太大 会产生机床功率不足成刀具强度不够 2 工艺系统刚性不足 或加工余量极不均勺 以致引起很大振动时 3 断续切削 刀具会受到很大冲击而造成打刀时 在上述情况下 如需分两次走刀 也应将第一次走刀的背吃刀量尽量取大些 第二次走刀的背吃刀量尽量取小些 以保证精加工刀具有高的刀具耐用度 高的加工精度及较小的加工表面粗糙度 6 3进给量的选定粗加工时 进给量的大小主要受机床进给机构强度 刀具的强度与刚性 工件的装夹刚度等因素的限制 精加工时 合理进给量的大小则主要受加工精度和表面粗糙度的限制 6 4切削速度的选定在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切削速度 在生产中选择切削速度的一般原则1 加工工艺2 工件材料3 工件结构4 刀具材料 7 1前角 7刀具角度的选择 1 前角的功用切削规律断屑效果刀具耐用度已加工表面质量 2 前角的合理选择工件刀具加工工艺 5 1前角1 前角的功用 7 1刀具角度的选择 影响切削规律 O 刀刃锋利 切屑变形 切削力和切削功率 影响断屑效果 O 刀刃锋利 切屑变形 不易折断切屑 影响刀具耐用度 O 刀刃和刀尖强度 散热体积 刀具寿命 刀刃锋利 切屑变形 切削热和切削力 刀具寿命 影响已加工表面质量 O 刀刃锋利 钝圆半径rn 加工硬化 抑制积屑瘤 振动 表面质量 工件材料塑性材料 为减小切削变形 降低切削力并减少切削热 应取大前角 脆性材料 出现崩碎切屑 为提高切削刃强度应取小前角 工件材料硬度 强度较高时 应取小前角 加工特硬材料时 可取负前角 刀具材料刀具材料强度韧性好时 可取大前角 如高速钢刀具可比硬质合金刀具前角大5 10 加工工艺粗加工时 尤其是加工有硬皮的的锻件和断续切削 为保证切削刃强度 应取较小前角 精加工 应增加前角提高已加工表面质量 7 2后角 1 后角的功用刀具耐用度已加工表面质量 2 后角的合理选择工件刀具加工工艺 7 2后角1 后角的功用 影响已加工表面质量 o 刀刃锋利 已加工表面与后刀面间的摩擦 钝圆半径rn 表面质量 钝圆半径rn 影响刀具耐用度 刀刃和刀尖强度 散热体积 刀具寿命 刀具寿命 o 已加工表面与后刀面间的摩擦 刀具磨损 加工性质精加工时 切削厚度较小 磨损主要发生于后刀面 取大后角减小摩擦 锋利切削刃 以提高表面质量 粗加工时 切削厚度大 前刀面上月牙洼显著 应取小后角保证切削刃强度 断续切削 强力切削时 为保证切削刃强度也应取小后角 2 后角的合理选择 工件材料加工塑性材料时 尤其是硬化现象严重的材料 应取大后角以减小摩擦 提高表面质量 加工脆性材料时 为增强切削刃 应取小后角 加工硬度 强度高的材料时 应取小后角 定尺寸刀具 如圆孔拉刀 铰刀等 应取小后角以增加重磨次数 延长刀具使用寿命 1 主偏角和副偏角的功用切削分力比例关系刀具耐用度已加工表面质量 7 3主偏角和副偏角 2 主偏角和副偏角的合理选择工件刀具工艺系统的刚性 kr1 k r1 kr2 k r2 影响切削分力比例关系 7 3主偏角和副偏角1 主偏角和副偏角的功用 r 径向力Fp 轴向力Ff r r 径向力Fp 可能引起振动 并顶弯工件 副后刀面与已加工表面间的摩擦 引起振动 影响刀具耐用度 r和 r r 刀刃强度 散热条件 刀具寿命 主切削刃长度 单位切削刃负荷 刀尖角 影响已加工表面质量 r 表面粗糙度 残留面积高度 2 主偏角和副偏角的选择 加工方式粗加工时 硬质合金车刀一般选用较大主偏角 以利于减小振动 断屑和采用较大的背吃刀量 精加工时 取小副偏角 有利于减小表面粗糙度 甚至可磨出一段K r 0 的修光刃以消除残留面积 工件材料加工硬材料 如淬火钢和冷硬铸铁等 时 为减少单位切削刃负荷 改善刀体散热条件 提高刀具耐用度 应采用较小的主偏角 工艺系统的刚性工艺系统刚性较好时不易产生振动的情况下 可减小主 副偏角提高刀具耐用度 反之 则增大主偏角 甚至可取Kr 90 以减小径向力Fp 降低工艺系统的弹性变形及振动 1 刃倾角的功用控制切屑流出方向保护切削刃 刀尖影响切削力 7 4刃倾角 图刃倾角对切削刃受力情况的影响 2 刃倾角的合理选择工件刀具工艺系统的刚性 2 刃倾角的选择 粗加工可取 s 0 5 以增大刀头强度 精加工取 s 0 5 以免切屑划伤已加工表面 在有冲击载荷下 加工淬硬钢 高强度钢时 可取 s 5 15 以保护切削刃 刀尖 冲击特别大 如断续切削等 时 可取 s 20 30 工艺系统刚性不足时 尽量不采用负刃倾角 以免引起加工过程中的振动及工件变形 应该指出 刀具各角度之间是互相联系互相影响的 是一个有机的整体 孤立地选择某一角度并不能得到所希望的合理值 8磨削过程及磨削机理 磨削加工是用高速回转的砂轮或其它磨具以给定的背吃刀量 或称切削深度 对工件进行加工的方法 根据工件被加工表面的形状和砂轮与工件之间的相对运动 磨削分为外圆磨削 内圆磨削 平面磨削和无心磨削等几种主要加工类型 此外 还有对凸轮 螺纹 齿轮等零件进行磨削加工的专用磨床 磨屑形成过程可分为以下三个阶段 1 划擦阶段 2 刻划阶段 3 切削阶段 图3 41 图3 41磨粒切削过程的三个阶段 三 磨削运动与磨削用量 在磨削过程中 磨削速度 工件圆周进给速度 轴向进给量 径向进给量等 统称为磨削用量 合理选择磨削用量对保证磨削加工质量和提高生产率有很大影响 砂轮的高速旋转运动是主运动 磨削速度是指砂轮外圆的线速度 指工件外圆的线速度 指工件转一周沿轴线方向相对于砂轮移动的距离 单位为mm r 指砂轮相对于工件