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第1章切削加工的理论基础 机械制造技术基础 机械学院 2013 第1章切削加工的理论基础 本章要点1 1切削运动与切削用量1 2切削层的变形1 3切削力1 4切削热 第1章切削加工的理论基础 1 1切削运动与切削用量 1 1 1切削运动 加工的实质 工件相对刀具运动 获得一定尺寸 精度 形状的工件 尺寸 通过调整 刀尖到轴的距离 来确定 精度 通过工艺决定 形状 通过机床的运动 刀具和工件相对运动 来决定 切削运动 1 1 1切削运动 定义 切削运动 刀具与工件间必须作相对运动 分类 根据切削过程中所起的作用 分为主运动和进给运动 1 1 1切削运动 1 主运动 切除工件多余金属 形成工件新表面所必不可少的基本运动 主运动的特征 判断依据 速度最高消耗功率最大必有一个形式为旋转或直线往复 车削主运动是工件的旋转运动 铣削和钻削运动是刀具的旋转运动 磨削主运动是砂轮的旋转运动 刨削主运动是刀具 牛头刨床 或工件 龙门刨床 的往复直线运动等 1 1 1切削运动 进给运动 使新的切削层金属间断或连续投入切削的运动 进给运动的特征 判断依据 速度较低耗功较少有0 n个可连续 也可步进 形式为旋转或直线往复 车削进给运动是刀具的移动 铣削进给运动是工件的移动 钻削进给运动是钻头沿其轴线方向的移动 内 外圆磨削进给运动是工件的旋转运动和移动以及砂轮的横向进给等 1 1 1切削运动 典型表面加工方法 外圆表面加工方法 1 1 1切削运动 典型表面加工方法 内圆表面加工方法 1 1 1切削运动 典型表面加工方法 平面加工方法 1 1 1切削运动 典型表面加工方法 螺纹加工方法 1 1 1切削运动 典型表面加工方法 齿形加工方法 1 1 1切削运动 切削加工过程中 工件上形成三个不断变化的表面 待加工表面 工件有待切除金属层的表面过渡表面 主切削刃正在切削着的表面已加工表面 工件经刀具切除多余金属层后形成的新表面 1 1 2切削用量 切削用量三要素 切削速度vc 进给量f 背吃刀量ap切削速度vc 切削刃上选定点的主运动的线速度 单位磨削速度为m s 其他加工的切削速度习惯用m min主运动是旋转运动时 切削速度计算公式为若主运动为往复运动时 其平均速度为 式中n 主运动转速 r s D 刀具或工件的最大直径 mm 式中nr 主运动每秒钟往复次数 str s l 往复运动行程长度 mm 1 1 2切削用量 进给量f 工件或刀具每转一周 刀具沿进给方向与工件的相对位移 外圆车削时 进给运动速度常常用进给量f来表述 单位 mm r 毫米 转 刨削时 进给运动速度用每一行程多少毫米来表述 单位为mm str 铣削时 进给运动速度常用每齿进给量fz来表述 单位 mm z 毫米 齿 进给速度vf 是单位时间的进给量 进给速度vf 进给量f 每齿进给量fz和刀具齿数Z之间的关系如下 vf f n fz z nmm s或mm min 1 1 2切削用量 背吃刀量asp 工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离 例 外圆车削例 对于钻孔工作dm 已加工表面直径 mm dw 待加工表面直径 mm 1 1 2切削用量 1 1 2切削用量 铣削用量要素 1 1 2切削用量 例题 车外圆时工件加工前直径为62mm 加工后直径为56mm 工件转速为4r s 刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm 工件加工长度为110mm 切入长度为3mm 求vc f asp 解 vc dn 1000 62 4 1000 0 779m s f vf n 2 4 0 5mm r ap dw dm 2 62 56 2 3mm 切削运动与切削用量 第1章切削加工的理论基础 1 2切削层的变形 1 2 1切屑的形成 挤压与切削正挤压 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 1 2 1切屑的形成 研究方法方格观察法 通过观察试件侧面规则格线的变形情况 研究金属切削变形的基本规律 1 2 1切屑的形成 实验所作的切削层滑移线示意图 金属切削过程中滑移线和流线示意图 1 2 1切屑的形成 研究方法金相照片 通过显微镜观察金属切屑根部金相照片 研究金属切削变形的基本规律 切削变形实验设备与录像装置 1 2 1切屑的形成 切屑根部金相照片 切屑根部金相照片 1 2 2切削层的变形及其影响因素 变形区的划分 第一变形区 第三变形区 第二变形区 仿真研究 1 2 2切削层的变形及其影响因素 第一变形区的变形特征 切削层金属沿滑移线的剪切滑移变形及随之产生的加工硬化 第一变形区的实际厚度为0 02 0 2mm 切削速度越大 厚度越小 故第一变形区可看成是一个剪切面 剪切面与切削速度之间的夹角成为剪切角 体现变形的难易程度 1 2 2切削层的变形及其影响因素 第二变形区的变形特征 切屑底层金属受摩擦挤压后的塑性变形及晶粒纤维化 受力 挤压摩擦 滑移与晶粒的伸长 1 2 2切削层的变形及其影响因素 前刀面内的摩擦 内摩擦与外摩擦 区域划分 粘结区lf1 剪切滑移 内摩擦滑动区lf2 滑动摩擦 外摩擦 外摩擦与内摩擦 1 2 2切削层的变形及其影响因素 第三变形区的变形特征 已加工表面的表层金属受刀具的钝圆刃和后刀面的挤压摩擦 使金属材料的晶粒再次纤维化并加工硬化 厚度为 ac的一薄层金属被钝圆刃挤压塑性变形后成为已加工表面 三个变形区对切削加工的影响 第一变形区的切削变形对刀具产生较大的切削抗力 第二变形区主要对刀具产生 粘接 摩擦阻力以及造成前刀面磨损 第三变形区主要对已加工表面质量产生重大影响 表示切屑变形程度的方法 切屑厚度压缩比 h 由体积不变原理 切屑长度压缩比 l 表示切屑变形程度的方法 剪切面与剪切角剪切面 第一变形区的实际厚度仅为0 02 0 2mm 故可用一个面来表示 成为剪切面 剪切角 剪切面和切削速度方向之间的夹角 其大小反映了切削变形的大小 剪切角是影响切屑变形的重要因素 也可反映切屑变形程度 实验证明 大 剪切面积小 变形程度小 切削省力 故 剪切角 的大小反映了切削变形的大小 Lee Sheffer公式 响切削变形的主要因素 工件材料强度 硬度越大 切削变形就越小 原因 强度和硬度 切削力Fz av h 响切削变形的主要因素 刀具前角刀具前角 o增大 则切削变形减小原因一方面 o h 另一方面 o 切削力Fz av h 有所增大 响切削变形的主要因素 切削速度切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角 改变和通过切削温度使摩擦系数 变化而影响切削变形的 切削速度vc对 h的影响 vc超过40m min继续增高 由于切削温度逐渐升高 致使摩擦系数 下降 故变形系数 h减小 vc在3 20m min范围内提高 积屑瘤高度随着增加 刀具实际前角增大 使剪切角 增大 故变形系数 h减小 vc 20m min时 h值最小 vc在20 40m min范围内提高 积屑瘤逐渐消失 刀具实际前角减小 使 减小 h增大 响切削变形的主要因素 切削层公称厚度hD 切削力Fz av h 1 2 3切屑的类型 变化 形状及控制 切屑形成过程 切削层的金属 弹性变形 塑性变形 挤裂 切离 切屑 切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形 随着剪应力 剪应变逐渐增大 达到其屈服强度时 产生塑性变形而滑移 刀具继续切入时 材料内部的应力 应变继续增大 当剪应力达到其断裂强度时 金属材料被挤裂 沿刀具前刀面流出 1 2 3切屑的类型 变化 形状及控制 切屑的类型 切脆性材料不平稳 表面粗糙应 0 v ac 1 2 3切屑的类型 变化 形状及控制 切屑的类型及形成条件 1 2 3切屑的类型 变化 形状及控制 切屑的类型 带状切屑 挤裂切屑 粒状切屑 崩碎切屑 切屑形态照片 1 2 3切屑的类型 变化 形状及控制 切屑的形状 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 1 2 3切屑的类型 变化 形状及控制 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3 7 切屑的卷曲 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3 8 第1章切削加工的理论基础 1 3切削力 1 3 1切削力及切削功率 1 来源 变形与摩擦 弹性变形抗力 塑性变形抗力 切屑与前刀面的摩擦力 后刀面与已加工表面的摩擦力 切削过程中 作用在刀具或工件上的力叫切削力 1 3 1切削力及切削功率 2 合成 切削力与切削热 1 3 1切削力及切削功率 3 分解作用在刀具上的合力Fr可分解为相互垂直的三个分力Fc Ff Fp 1 3 1切削力及切削功率 4 切削功率定义 单位时间内切削力作的功叫Pc计算 等于同一瞬间切削刃基点上的切削力与切削速度的乘积选择机床电动机功率PE时 1 3 2切削力的测量及经验公式 测力仪的工作原理 电阻应变片式测力仪 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 1 3 2切削力的测量及经验公式 八角环测力仪 1 3 2切削力的测量及经验公式 指数经验公式 1 3 3影响切削力的因素 影响切削力的因素主要有四个方面 工件材料 切削用量 刀具几何参数及其它方面的因素 1 工件材料 硬度 强度 S 则F 韧性 F 下表可以反映出不同材料对切削力的影响程度 表1硬质合金外圆车刀切削常用金属时单位切削力和单位切削功率 f 0 3mm r 1 3 3影响切削力的因素 2 切削用量 背吃刀量和进给量asp f bD hd AD F 但影响程度不同 工程应用 在同样切除率的条件下 大的进给量省力 1 3 3影响切削力的因素 2 切削用量 切削速度VC加工塑性材料 通过屑瘤与摩擦影响 不是简单的线性关系加工脆性材料 变形和摩擦很小 vc几乎对F没有影响 以车削45钢为例 1 3 3影响切削力的因素 刀具几何角度 前角加工塑性材料 o F 加工脆性材料 切屑变形很小 对F几乎没有影响 但刀具强度变低 图3 25前角对切削力的影响asp 4mmf 0 25mm r 1 3 3影响切削力的因素 刀具几何角度 主偏角主要影响Fp和Ff的大小 r Ff Fp 工程应用 在车削细长轴的时候 可能将工件加工成 腰鼓形 如何避免 1 3 3影响切削力的因素 刀具几何角度 刃倾角 s由实验可知 刃倾角 s对主切削力Fz影响很小 但对切深抗力Fy 进给抗力Fx影响较显著 s p f Ff Fp 1 3 3影响切削力的因素 四 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 力减小越显著 低速时更突出 六 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 第1章切削加工的理论基础 2 4切削热 1 4 1切削热及其产生 1 来源 三个变形区 剪切变形功摩擦功 2 传导由切屑 刀具 工件和周围介质传导Qs Qr Qc Qt Qw Qm 1 4 2切削温度的分布 切削温度分布剪切面上各点的温度基本相同 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 1 4 3影响切削热的因素 1 切削用量的影响 经验公式 1 11 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