第二章 金属切削过程(2).doc

制造工程基础4 切削力与切削热（2.5、2.6节）切削力与切削热是切削过程产生的重要的物理量，切削过程中他们相互影响，又共同对切削过程产生重要影响。1）切削力的来源（1）变形抗力来源于：第一变形区：切削层、剪切面第二变形区：切屑、前刀面第三变形区：工件、后刀面（2）摩擦力来源于第二变形区：刀屑界面第三变形区：刀工界面2）合力、分力和功率（1）合力、分力前文研究的是直角自由切削，将力分解在一个平面内。实际切削中，合力是一个空间力，一般不平行于任何坐标轴，可分解成相互垂直的三个分力（图2-32，p51）。合力向三个方向分解为：Fc：主切削力、切向力，沿切削速度方向。用来计算切削功率，验算刀具强度；Fp：切深抗力、径向力，垂直于Fc和f。影响工艺系统变形和振动，故而影响加工质量。Ff；进给抗力、轴向力，平行于f。用来计算进给功率，设计进给机构。（2）切削功率外圆车削时，切深抗力不作功，切削功率为： （2-19）Fc、Ff：主切削力和进给抗力，Nvc：切削速度，m/snw；工件转速，r/sf：进给量，mm/r一般进给抗力作功很小，第二项可以忽略，只考虑主切削力作功： （2-20）3）切削力计算有不少学者根据材料力学，弹、塑性力学的原理对切削力的计算进行了推导，得出了一些公式如2.5.3，但由于推导时的一些理想化的假设，使理论计算公式至今尚未能达到实用的阶段，工程上计算切削力时仍靠实验得出的经验公式。（1）切削力经验公式经验公式：根据实验数据的分布规律，选择适当的数学模型拟合出的公式，其曲线符合实验所得规律。切削力经验公式：改变切削用量三要素（或增减其他变量），测出三向切削力，拟合出的切削用量等条件与切削力的关系式。形式：（p52，2-212-23）只含二要素，在常用速度范围内切削速度对切削力影响较小，可忽略。例子：（2-25，p54），是在特定参数范围内（表2-1，p53）得到的主切削力经验公式，该公式只在本次实验参数取值范围内有效。当切削用量范围、工件材料、刀具几何参数改变时应乘以相应的修正系数。（2）单位切削力单位切削力: 单位切削面积上的主切削力。工程上计算切削力时，更多的利用单位切削力计算。在“切削用量手册”上已列出了各种工件材料的单位切削力，以及不同情况下的指数、系数和修正系数，表2-2引用自这些手册。4）切削热和切削温度场（1）切削热的产生前面讲了切削功率的计算方法，能量不能产生或消灭，只能改变形式，切削过程中的机械能改变成了以下形式：l 产生新表面所需的表面能；l 残余应力所存储的弹性势能；l 塑性变形能； l 前刀面切屑、后刀面工件之间的摩擦能。前二种能量只占总能量的12%，而后二种能量全部转换为热能。剪切面上有剪切力，同时剪切面上有相对滑移运动，力和运动同时作功，属于塑性变形功全部转化为热；前、后刀面上有摩擦力，同时有刀具前刀面和切屑、后刀面和工件间的相对运动作功，属于塑性变形功(内)和摩擦功(外) 全部转化为热。综上所述，切削过程中的三个变形区就是产生切削热的三个热源。（2）切削热的传导热量的传输一般有三种方式：传导、辐射、对流。切削过程中还有一种方式：热迁移载热物体的移动。切削中的三个热源的热量从以下四个途径传出：l 刀具：与第、变形区热源相邻，传热方式：传导 辐射l 工件：以速度vc从第变形区经过，传热方式：传导 迁移 辐射l 切屑：以速度vch从第、变形区经过传热方式：传导 迁移 辐射l 介质(空气或切削液)：与三个热源的边缘相邻，传热方式：传导 对流（3）切削温度的分布从图2-42、2-43，p64可以看到切削温度分布的特点。l 剪切面是一个等温面。l 刀刃并不是切削温度最高的地方，最高温度点在前刀面上。l 垂直于剪切面处温度梯度大。l 垂直于前刀面处温度梯度大。5）影响切削力和切削温度的因素本节采用指导性阅读的方法学习，阅读教材2.5.5和2.6.3节内容，回答以下问题。注意：力变形、摩擦热热材料软化力（1） 工件材料的哪些性质对二者都有影响，哪些只对一个有影响；（2） 切削用量三要素对二者的影响规律有何不同，为什么？（3） 前角增大时切削力减小而切削温度先降低后增高，为什么？（4） 刀具磨损对二者有怎样的影响？5 刀具磨损1）刀具磨损的形态（2.7.1 p69）（1）前刀面的磨损切削温度最高点在前刀面上距离刀刃有一定距离的地方。所以此处磨损较为剧烈，经常形成小坑，称为月牙洼(图2-52 b, c，p69)。随着切削过程的进行，其深度KT不断加大。（2）后刀面磨损(图2-52 a)为典型的后刀面磨损形式，分为三个区域。C区：刀尖磨损VC，刀尖部分强度低、热容量小，磨损严重。B区：中部磨损VB，磨损较为均匀，其平均高度用于判断刀具磨损程度。N区：边界磨损VN，后刀面靠近磨损带边缘的地方，磨损较为严重，原因是：接触已加工表面的加工硬化层；刀-屑接触区边缘，易于形成氧化膜，滑动磨损。2）刀具磨损过程及磨钝标准（1）磨损过程刀具磨损过程可分为三个阶段（图2-56，p72）：初期磨损：新刃磨的刀刃较锋利，后刀面与加工表面接触面积小，压应力大，所以新刀刚开始用时磨损较快，称为初期磨损。正常磨损：经初期磨损后，后刀面上磨出一个小平面，刀工接触面积压应力，磨损强度，磨损发展较为均匀、缓慢，磨损曲线近似为直线，此时称刀具进入正常磨损段，绝大多数工件表面是在这一阶段加出的。剧烈磨损：当磨损带宽度增加到一定程度时，刀具发生剧烈磨损，实际生产中应避免出现这种现象，在这之前就换刀。（2）磨钝标准为了避免刀具达到剧烈磨损阶段，就应确定一个刀具磨损的限度，达到这一限度就换刀，这一限度称为磨钝标准。理论研究中，常取VB=0.3 mm作为磨钝标准；实际生产中根据粗精加工、质量要求、工艺系统刚性等实际情况确定磨钝标准（表2-13，p73）3）Taylor公式（1）使用寿命与vc -T关系定义：刀具由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到磨钝标准所经过的切削时间称为刀具使用寿命，记为T。vc时， T，实验证明，当vc变化范围不太大时，log vc log T关系为一条直线(图5-28，p74)，由公式表为式2-35，p74，这一关系是由美国工程师F. W. Taylor总结出的，称为Taylor公式。注意: 速度变化范围大时，vc -T关系并不单调，Taylor公式只有高速度段的小范围内成立。有些刀具脆性大，以破损为主要损坏形式，此时Taylor公式不适用。（2）f-T, ap-T关系与广义Taylor公式仿照求vc -T关系的方法，也可以求出f-T, ap-T关系（式2-36，2-37），综合起来可以得到切削用量三要素与刀具使用寿命的关系（式2-38）称为广义Taylor公式。其中的系数、指数可以根据所涉及的刀具、工件材料，从切削用量手册、工艺手册中查得。一般情况下，vc对使用寿命影响最大，f的影响其次，ap的影响最小。7 切削参数合理选择切削参数包括切削用量和刀具参数。其选择的合理与否极大的影响着加工过程的效率、质量、成本。举例：转包生产。切削参数优化是当前国内制造业，尤其是军工制造业急需解决的问题。1）切削用量选择（1）切削用量与生产率切削加工中的生产率可以用单位时间的金属切除率表示（式2-55 p79）可见切削用量三要素对生产率的影响程度相同。（2）切削用量与刀具使用寿命由广义Taylor公式(式2-38 p75)可知，当vc、f、ap时，均使T，但由于三者的指数大小不同，vc时T最为显著，f的影响其次，而提高ap时T的最不显著。（3）切削用量与加工质量apF（图2-33 p54）精度振动RafF（图2-33 p54）RavcF（图2-34 p56），BUE，Ra。生产率刀具使用寿命加工质量vcKKfKapK（4）切削用量的选择原则 根据加工余量，尽可能选择大ap， 粗加工时根据工艺系统刚性和机床动力选择进给量；精加工根据表面粗糙度选择进给量， 根据广义Taylor公式选择切削速度。2）刀具几何参数的选择（1）前角前角切削变形切削力、热BUE刃部强度热容量前角过大过小都不行，有一个最佳值。刀具材料硬度强度最佳前角陶瓷、CBN、金刚石刀具一般取负值。（2）后角后角刀-工接触长度弹性恢复VBT强度热容量温度T后角也有一个最佳值，对于不同的工件/刀具材料，最佳后角变化范围小于前角变化范围。（3）主、副偏角主、副偏角切深抗力振动趋势粗糙度强度热容量温度T8 切削加工性1）切削加工性的概念切削加工性是对工件材料进行切削加工的难易程度。切削加工性具有相对性，表现在：(1) 不同工件材料的相对性，比一种材料难加工，比另一种容易加工；(2) 不同刀具材料的相对性，硬合、金刚石：钢(3) 不同加工方式的相对性，车、铣：高强度材料(4) 不同加工阶段的相对性，粗、精加工：高/低硬度材料(5) 不同加工要求的相对性，刀具寿命、质量：铝合金/淬火钢2）切削加工性指标由于其相对性，所以将普通45钢和普通灰铸铁为参照物，以刀具使用寿命为标准，评价其它材料的切削加工性等级，表2-17 p91。3）切削加工性影响因素(1) 强度：材料抵抗破坏的能力ss、sb，强度越高，工件材料变成切屑时的抗力越大，加工性越差；(2) 硬度：材料抵抗硬物压入的能力HB，HRC，硬度越高，刀具切入越困难，加工性越差；硬度过低，塑性大，也难加工；(3) 塑性：材料破坏前发生永久变形的大小d