金属切削原理与刀具.ppt

机械制造技术基础第二章金属切削原理与刀具2 金属切削过程 2012 2013学年春季学期 金属切削过程 金属切削过程的变形切削的类型及控制切削力切削热和切削温度刀具磨损和刀具寿命 金属切削过程定义 刀具和工件相互作用形成切屑的过程 目的 使被加工零件的尺寸精度 形状和位置精度 表面质量达到设计与使用要求 两个基本条件 切削运动和刀具 过程中的现象 切削变形 切削力 切削热 积屑瘤 加工硬化和刀具磨损 意义 有助于切削加工技术的发展 保证加工质量 提高生产率和降低成本 金属切削过程 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 切削的形成过程 金属切削过程中的变形 金属切削过程中的变形 以塑性材料的切屑形成为例 金属切削区可大致划分为 三个变形区 第一变形区 第二变形区 第三变形区 金属切削过程中的变形 OA 始滑移线 塑性变形开始 OM 终滑移线 金属晶粒的剪切滑移基本完成 成为切屑 金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域 变形的主要特征 剪切滑移变形加工硬化 一般速度范围内 区宽度为0 02 0 2mm 速度越高 宽度越小 可看作一个剪切平面 金属切削过程中的变形 前刀面挤压与摩擦 金属纤维化的二次变形 此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因 金属切削过程中的变形 3 第三变形区 切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦 并进一步产生弹 塑性变形 造成纤维化和加工硬化 影响巳加工表面质量 此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因 刃前区 三个变形区汇集在切削刃附近 此处的应力集中而复杂 被切削层在此与工件本体材料分离 挤压摩擦回弹区 切屑根部金相照片 金属切削过程中的变形 切屑的类型及控制 1 带状切屑 产生条件 加工塑性金属 且切削厚度较小 切削速度较高 刀具前角较大 优点 切削过程平稳 切削力波动范围小 已加工表面粗糙度较小 缺点 容易缠绕刀具或工件 影响加工过程 切屑的类型 从变形观点出发 2 挤裂 节状 切屑 产生条件 加工塑性金属 在低速 切削厚度较大 刀具前角较小 特点 切削过程不平稳 切削力有波动 已加工表面粗糙度较大 切屑的类型及控制 3 单元 粒状 切屑 产生条件 加工塑性金属 切削速度极低时 增大进给量 减小前角 特点 切削过程不平稳 切削力波动大 已加工表面粗糙度大 切屑的类型及控制 4 崩碎切屑 切脆性材料 工件材料越是脆硬 进给量越大则越容易产生这种切屑 材料所受应力超过了抗拉强度 切削力的幅度小 但波动大 切削过程不平稳 易损坏刀具 已加工表面粗糙 切屑的类型及控制 减小切削厚度 使切屑成针状或片状 同时提高切削速度 以增加工件材料的塑性 切屑的控制 1 采用断屑槽 对流动中的切屑施加一定的约束力 使切屑应变增大 切屑卷曲半径减小 切屑的类型及控制 切削加工中采用适当的措施来控制切屑的卷曲 流出与折断 形成 可接受 的良好切屑 切屑的类型及控制 增大刀具主偏角切削厚度变大 有利于断屑 2 改变刀具角度 减小刀具前角可使切屑变形加大 切屑易于折断 切屑的类型及控制 3 调整切削用量 即据实际条件适当选择切削用量 切屑的类型及控制 积屑瘤的成因 速度不高 切削塑性金属 形成带状切屑 刀具和切屑间的压力和摩擦 使得切屑冷焊并层积在前刀面上 形成硬度很高的一块剖面呈三角状的硬块 其硬度是工件材料硬度的2 3倍 能够代替刀刃进行切削 并以一定的频率生长和脱落 这硬块称为积屑瘤 1 积屑瘤的形成 积屑瘤的形成及其影响 1 工件材料的性质 塑性材料的加工硬化倾向越强 越易产生积屑瘤 切削区的温度和压力很低时 不会产生积屑瘤 切削区的温度太高时 由于材料变软 也不会产生积屑瘤 2 积屑瘤的成因 2 切削区的温度分布和压力分布有关 3 刀具前角增大刀具前角可以有效抑制积屑瘤的形成 4 冷却润滑条件加注切削液可以有效抑制积屑瘤的形成 积屑瘤的形成及其影响 根据积屑瘤的有无及生长高度Hb与切削速度关系 可分为四个区 5 切削速度 I区 切削速度很低 形成粒状或节状切屑 没有积屑瘤生成 区 形成带状切屑 冷焊条件逐渐形成 随着切削速度的提高 积屑瘤高度也增加 区 积屑瘤的高度随切削速度的增加而减小 当到达边界时 积屑瘤消失 速度高 切屑温度高被软化 摩擦阻力下降 滞留倾向减弱 区 切削速度进一步提高 由于切削速度较高而冷焊消失 此时积屑瘤不再存在 当切屑底部的纤维化依然存在 切屑的滞留倾向也依然存在 积屑瘤的形成及其影响 积屑瘤的形成及其影响 1 增大刀具前角 减小了切屑变形 降低切削力 使切削过程容易进行 2 增大切削厚度 hD的变化导致切削厚度的变化 从而导致切削力的波动和影响加工质量 3 积屑瘤对切削过程的影响 积屑瘤的形成及其影响 3 增大已加工表面粗糙度 积屑瘤伸出切削刃外的部分高低不平 外形极不规则 增大了已加工表面的粗糙度 降低了表面加工质量 4 对刀具寿命的影响 积屑瘤如生长稳定 起到了保护了刀具 提高了刀具的使用寿命的作用 如频繁脱落 则加剧了刀具的磨损 降低了刀具的使用寿命 积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面 也有消极的一面 在粗加工时 可充分利用积屑瘤 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 合理选用切削速度 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 降低工材塑性 适当提高工件材料硬度 减小加工硬化倾向 4 控制措施 5 减小进给量 积屑瘤的形成及其影响 l 克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形的抗力 2 克服塑性变形的抗力 切削力来源于以下三个方面 1 切削力 3 克服刀具与切屑 刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力 切削过程受力分析 2 切削合力及分解 切削合力及分解 切屑的受力分析 前刀面 法向力Fn摩擦力Ff 剪切面 正压力Fns剪切力Fs 切屑形成力F 第一步 受力分析 切屑的受力分析 剪切角 摩擦角 第二步 角度分析 切屑的受力分析 第三步 分力计算 切屑变形过程 被切削金属层好比一叠卡片 刀具进行切削时 卡片之间发生滑移 切削层经塑性变形后 厚度增加 长度缩小 宽度基本不变 可用其表示切削层的变形程度 厚度变形系数 长度变形系数 1 变形系数 变形系数值 h是大于1的数 值越大 变形越大 可实测 h与剪切角 有关 增大 h减小 切削变形减小 切屑变形程度 切屑变形程度 相对滑移模型 平行四边形OHNM发生剪切变形后 变为平行四边形OGPM 其相对滑移 2 相对滑移 切屑变形程度 3 剪切角 1 根据材料力学平面应力状态理论 主应力与切应力45 FFs 2 根据合力学最小理论 切屑变形程度 分析上式可知 1 前角增大时 剪切角随之增大 变形减小 这表明 在保证切削刃强度的前提下 增大刀具前角可减少切削变形 对改善切削过程有利 2 摩擦角增大时 剪切角随之减小 变形增大 提高刀具刃磨质量 采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数 有利于改善切削过程 影响切屑因素 1 工件材料的影响 工件材料的硬度和强度越大 剪切角将随之越大 变形系数越小 切屑的变形越小 刀具前角增大 剪切角将随之增大 变形系数随着刀具的前角增大而减小 切屑的变形减小 2刀具前角的影响 影响切屑因素 3 切削速度的影响 切削塑性金属时vc是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的 切削铸铁等脆性金属时 一般不产生积屑瘤 随着切削速度增大 变形系数 逐渐地减小 影响切屑因素 4 切削层公称厚度的影响 进给量增大 切削层厚度增大 在无积屑瘤的切削速度范围内 Vc 200 切削厚度越大 变形系数越小 5 刀尖圆弧半径的影响 刀尖圆弧半径r 越大 变形系数越大 切削变形越大 l 克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形的抗力 2 克服塑性变形的抗力 切削力来源于以下三个方面 1 切削力 切削力 切削合力与分力 切削功率 3 克服刀具与切屑 刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力 切削力 2 切削合力及分解 切削力 主偏角Kr的大小影响Fp和Ff的配置 当工艺系统刚性较差时 应尽可能使用大的主偏角刀具进行切削 根据实验 当Kr 45 s 0 o 15 Fc Fp和Ff有以下近似关系 Fp 0 15 0 7 FcFf 0 1 0 6 Fc可以得到 Fp f 1 02 1 36 Fc 三者会随着刀具材料 刀具几何参数 切削用量 工件材料 刀具磨损情况而在较大范围内变化 切削力 3 切削功率 式中Fc 主切削力 N v 主运动速度 m s 4 机床电机功率 式中 机床传动效率 通常 0 75 0 85 只有前者1 2 切削力 5 切削力的测量及切削力经验公式 目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪 2 切削力的经验公式 1 切削力的理论公式切削过程非常复杂 理论模型还存在较大缺点 计算结果与实验结果不能很好的吻合 1 切削力的测量 切削力 2 切削力的经验公式的建立 详参冯之敬书 测量仪测出切削力后 再将实验数据用图解法 线性回归等进行处理 其实质就是测定FC FP Ff后 如何确定3个系数和6个指数 切削力 图解法 切削力 3 切削力经验公式应用 指数公式 与实验条件不符的要考虑修正系数 切削力的获得是通过查表所得 是建立在前人实验的基础之上 式中CFc CFp CFf 与工件 刀具材料有关系数 xFc xFp xFf 切削深度对切削力影响指数 yFc yFp yFf 进给量对切削力影响指数 nFc nFp nFf 切削速度对切削力影响指数 KFc KFp KFf 考虑刀具几何参数 刀具磨损等因素影响的修正系数 切削力 6 单位切削力的概念 用kc N mm2 表示 切削力 7 单位切削功率的概念 Qz 单位时间内金属切除量 mm3 s 强度 硬度越高 塑性 韧性越大 切屑变形略小 总切削力越大 8 影响切削力的因素 1 工件材料的影响 2 切削用量的影响 1 背吃刀量和进给量 反映在经验公式中 ap的指数近似为1 而f的指数为0 75 0 9 从切削力和切削功率的角度考虑 切削面积相同 加大f比加大ap有利 f AD成正比 但kc略减小 变形系数减小 切削力增加但与f不成正比 ap AD成正比 kc不变 变形系数不变 切削力成正比增加 切削力 切削力 切削力 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 2 切削速度 塑性材料 切削力 切削力 在生产实践中 尽可能采用高速切削 既能提高生产效率 又能减小切削力 切削力 3 刀具几何参数的影响 1 前角 0 增大前角 o 可以减小切削变形 减小变形抗力 切削力减小 塑性材料 0 变形程度 F 脆性材料切削变形很小 0对F影响不显著 2 主偏角Kr a r对Fc影响较小 影响程度不超过10 r在60 75 之间时 Fc最小 b r对Fp Ff影响较大Fp FDcos rFf FDsin rFp随 r增大而减小 Ff随 r增大而增大 切削力 3 刃倾角 s a s对Fc影响很小 b s对Fp Ff影响较大Fp随 s增大而减小 Ff随 s增大而增大 切削力 4 负倒棱 b 1与f之比增大 切削力随之增大 当切钢b 1 f 5或切铸铁b 1 f 3时 切削力趋于稳定 接近于负前角的状态 切削力 5 过渡圆弧刃半径 r 增大相当于 r减小的影响 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 Fp Ff 切削力 4 刀具磨损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 5 切削液以润滑为主的切削液能减小切削力 以冷却为主的对切削力的影响不大 6 刀具材料亲合力和摩擦系数 切削条件完全相同的情况下 立方氮化硼 陶瓷 涂层 硬质合金 高速钢 切削力 切削热的产生与传导 切削热的来源1 切削层金属发生弹性变形和塑性变形所消耗的能量 三个区 2 切屑与前刀面 工件与后刀面间产生的摩擦热 塑性材料 脆性材料 切削热和切削温度 切削热是切削过程中的重要物理现象 切削所消耗的能量 形成新表面和以晶格扭曲等形式的潜藏能 1 2 热能 98 99 切削温度升高会影响 变形 摩擦 后面摩擦为主 摩擦因素 积屑瘤 刀具磨损 加工精度 加工表面 单位时间产生的切削热 Q Fcvc CFzapxFzfyFzv nFZ 1 KFz 热的传导及其影响因素1 工件材料的导热系数2 刀具材料的导热系数3 周围介质 切削热和切削温度 切削用量ap基本成正比例影响 切削速度v或进给量f等因素对切削热影响 对切削力影响 不同的加工方法其切削热由切屑 工件 刀具和介质传出的比例不同 导热率高 热量容易传出 切削温度随之降低 刀具不易磨损 有利于提高刀具寿命 切削热和切削温度 切削热和切削温度 切屑与刀具接触时间长短也影响刀具切削温度 车削 钻削 脱离速度快 仍存在接触 2切削温度分布剪切面上各点温度几乎相等 各点的应变规律基本相同 前后刀面最高温度点不在刀刃上 切屑上最高温度比剪切区温度高 切屑底层温度比上层温度高 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 切削温度的测量 1测量方法热电偶法 辐射温度计法 切削热和切削温度 影响切削温度的主要因素 刀具与切屑接触区平均温度 单位为 C 切削温度系数 主要取决于加工方法和刀具材料 z y x 切削速度 进给量 背吃刀量的影响指数 1 切削用量 经验公式 切削热和切削温度 ap f和vc增大 单位时间内材料的切除量增大 切削热增多 切削温度随之上升 三个影响指数z y x 说明vc影响最大 进给量f的影响次之 背吃刀量ap的影响最小 切削热和切削温度 在提高金属切除率的同时 为了有效控制切削温度以延长刀具寿命 优先增大ap 其次是增大f 严格控制vc 在刀具材料与机床性能允许条件下 应尽可能提高vc 以进行高效率 高质量切削 切削热和切削温度 2 刀具几何参数 1 前角 o 0 变形程度 F q 但 0 20 时 散热体积 对 的影响减小 切削热和切削温度 2 主偏角kr r 切削刃工作接触长度 刀尖角和切削宽度 散热面积 切削热和切削温度 3 工件材料的影响 强度 硬度高 则加工硬化能力强 切削抗力越大 消耗的功多 产生的热就越多 热导率越小 传散的热越少 切削区的切削温度就越高 切削热和切削温度 4 刀具磨损的影响后刀面磨损增大 塑性变形增大 摩擦加剧 切削温度升高 VB达一定值 v越高刀磨损对 影响越显著刀具磨损是影响切削温度的主要因素 5 切削液的影响切削液对 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 切削热和切削温度 切削液 1 水溶液 水 防锈剂 透明状 冷却性能好 润滑性能差 常用于磨削 2 乳化液 乳化油加水稀释 乳白色 冷却及清洗性能良好 润滑性能一般 适用于粗加工及磨削 3 切削油 矿物油 润滑性能好 冷却性能差 主要用于精加工 切削热和切削温度 一般钢材 铜及有色金属 脆性材料 低速加工 乳化液不含硫的切削液不使用切削液煤油 切削热对工件 刀具及切削过程影响 1 工件材料强度和切削力对工件材料强度基本无影响 变形速度高 抵消温度影响 只对切削底层的抗剪强度产生影响 切削力 预热切削 切削力下降 用于难加工材料 普通切削 2 刀具材料各类刀具材料都具有相应的最佳切削温度范围 硬质合金高温下韧性较好 切削热和切削温度 3 工件尺寸精度材料自身 热障冷缩 特性 4 自动控制切削速度及进给量 保持最佳切削温度 5 控制刀具磨损 利用 刀具 工件 热电偶 方法 延长刀具寿命 切削热和切削温度 车削加工时工件 刀杆 外圆及长度发生变化被吃刀量增加 刀具磨损形态和磨损机制 1 刀具磨损的形态 1 前刀面磨损 形成条件 加工塑性材料 v高 hD大 刀具的耐热性和耐磨性不足 刀具磨损和刀具寿命 A A 刀具磨损和刀具寿命 形式 月牙洼影响 削弱刀刃强度 降低加工质量磨损值以其最大深度KT表示 前刀面上的摩擦 1摩擦的类型 1 峰点接触型 外摩擦 接触点的应力达到屈服极限 发生了塑性变形 形成滑动接触 服从古典摩擦法则 2 紧密接触型 内摩擦 接触点发生强烈的塑性变形 氧化膜和吸附膜被破坏 金属对金属的直接接触 发生冷焊粘结 摩擦力就是破坏冷焊粘结的抗剪力和犁耕力 滑移剪切 不服从古典摩擦法则 切塑性金属时前刀面上应力分布情况 刀 屑接触区摩擦可分两部分 OA段粘接区 形成紧密接触型摩擦 剪切滑移 内摩擦AB段滑动区 形成峰点接触型滑动摩擦 外摩擦一般内摩擦力约占总摩擦力的85 前刀面上的摩擦 影响前刀面摩擦的因素 1 工件材料 相同的切削条件 材料的强度和硬度越大 摩擦系数略有减小 是因为切削速度不变时 温度增高 导致摩擦系数减小 2 切削厚度 切削厚度越大 正应力增大 摩擦系数略有减小 3 切削速度 4 刀具前角 影响前刀面摩擦的因素 2 后刀面磨损 形成条件 后刀面与工件小面积接触 加工塑性材料 v较小 hD较小 加工脆性材料时常常发生 刀具磨损和刀具寿命 形式 后角 0的磨损面 参数 VB VBmax 影响 切削力 切削温度 产生振动 降低加工质量刀尖部分磨损严重 以VC表示 中间部位磨损较均匀 以VB表示 以VBmax表示最大磨损值 刀具磨损和刀具寿命 3 边界磨损 形成条件 切钢料 边界处的加工硬化层 硬质点 毛坯表面硬层 较大的应力梯度和温度梯度 形式 沟纹磨损量用VN表示 刀具磨损和刀具寿命 2 刀具磨损机制 1 硬质点划痕 硬质点 碳化物 氮化物 氧化物等 积屑瘤碎片 各种切削速度下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因取决于硬度和耐磨性 磨削 刀具磨损和刀具寿命 2 冷焊粘结 高温高压强烈摩擦 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速 粘结磨损加剧 冷焊 刀具磨损和刀具寿命 4 化学磨损 3 扩散磨损 化学作用 边界磨损原因之一 主要发生在较高速切削条件下 高温作用 取决于刀具的耐热性氧化铝陶瓷和立方氯化硼刀具抗扩散磨损能力较强 扩散磨损常与冷焊磨损 磨料磨损同时产生 前刀面上温度最高处扩散作用最强烈 月牙洼 刀具磨损和刀具寿命 对于一定的刀具和工件材料 切削温度对刀具磨损具有决定性的影响 高温时扩散磨损和化学磨损强度较高 在中低温时 冷焊磨损占主导地位 磨料磨损则在不同切削温度下都存在 硬质点划痕 冷焊粘结 扩散磨损 化学磨损 刀具磨损和刀具寿命 1 刀具磨损过程 三个阶段 1 初期磨损过程与刀具刃磨质量直接相关 刀具表面粗糙度大 单位面积压力高 磨损快 2 正常磨损阶段磨损缓慢 磨损量均匀增加 VB与t近似正比 斜率表示磨损强度 性能指标之一 3 急剧磨损阶段切削力 温度急升 磨损量急剧增加 之前需重新刃磨或换刀 刀具磨损和刀具寿命 2 刀具的磨钝标准 硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准 有下列三种可供选择 1 VB 0 3mm 2 如果主后刀面为无规则磨损 取VBmax 0 6mm 3 前刀面磨损量KT 0 06 0 3f mm 1 磨钝标准概念 允许的最大磨损的限度 度量 后刀面处的磨损宽度VB 径向尺寸磨损量NB 精加工 刀具磨损和刀具寿命 2 磨钝标准的制定 1 工艺系统刚性工艺系统的刚性差 VB应取小值 如车刚性差的细轴 2 工件材料切削难加工材料如高温合金 不锈钢 钛合金等 VB一般应取小值 加工一般材料 VB值可取大一些 加工大型工件 为了避免频繁换刀 VB应取大值 3 加工精度和表面质量加工精度和表面质量要求高时 VB应取小值 刀具磨损和刀具寿命 刀具磨损和刀具寿命 3 刀具寿命 1 刀具寿命的定义刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的总切削时间 两次刃磨之间所经历的切削时间T 刀具寿命乘以刃磨次数 得到的就是刀具总寿命 Vc1 Vc2 Vc3 Vc4 刀具磨损和刀具寿命 2 刀具寿命的经验公式 单因素法 切削用量与刀具寿命的一般关系 广义泰勒公式 m表示vC对T的影响程度 反映了刀具材料的切削性能 m值越大 切削速度对刀具寿命的影响越小 刀具的耐热性越好 可见v的影响最显著 f次之 ap影响最小 与对切削温度的影响顺序一致 用硬质合金刀具切削碳钢 b 0 763GPa 时 有 在提高生产率 保证刀具的使用寿命的情况下 首先尽量选用大的切削深度 然后根据加工条件和加工要求选取允许的最大进给量 最后根据刀具使用寿命和机床功率允许的情况选取最大切削速度 切削速度提高一倍 刀具使用寿命降到原3 进给量提高一倍 刀具使用寿命降到原21 背吃刀量提高一倍 刀具使用寿命降到原21 刀具磨损和刀具寿命 3 不同刀具材料寿命 耐用度 比较 刀具磨损和刀具寿命 4 影响刀具寿命的其他因素 1 刀具几何参数合理选择刀具几何参数能提高刀具寿命 刀具几何参数中对刀具寿命影响较大的是前角和主偏角 2 刀具材料采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料 可提高刀具寿命 3 工件材料工件材料的强度 硬度和韧性越高 伸长率越小 切削时均能使切削温度升高 刀具寿命降低 刀具磨损和刀具寿命 4刀具合理使用寿命选择 令f ap为常数 代入 使工序时间最短的刀具寿命 以车削为例 工序时间 对T求导 并令其为0 可得到最高生产率刀具寿命为 1 最高生产率刀具寿命 tw tm tot tc tm 切削时间 tct 工序的换刀时间 tot 除换刀外的辅助时间 刀具磨损和刀具寿命 2 最低生产成本刀具寿命 每个零件平