第二章-金属切削过程及其控制分析PPT课件

第2章金属切削过程及其控制,刀具磨损与刀具使用寿命,工件材料的切削加工性,切削条件的合理选择,切削热与切削温度,磨削原理,金属切削过程,切削力,2.1金属切削过程,第2章金属切削过程及其控制,机械制造技术基础,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。,图金属挤压与切削比较,2.1.1金属切削过程的基本特征,2.1.1金属切削过程的基本特征,图金属切削变形过程示意,金属切削变形过程的基本模型,金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切滑移变形并转变为切屑的过程。,大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。右图是用显微镜直接观察低速直角自由切削工件得到的金属切削过程中的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。,2.1.1金属切削过程的基本特征,第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,图切削部位三个变形区,第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。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。,2.1.1金属切削过程的基本特征,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。,2.1.2切削变形程度的表示方法,厚度变形系数,长度变形系数,图变形系数的计算,当0=030，h1.5时，h与相近主要反映第变形区的变形，h还包含了第变形区的影响。,（2-4）,2.1.2切削变形程度的表示方法,2.1.2切削变形程度的表示方法,图剪切角与剪切面积的关系,实验证明，剪切角的大小和切削力的大小有直接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，如剪切角越大，剪切面积越小即变形程度越小，切削比较省力。显然，剪切角能反映变形程度，但因测量比较麻烦而用得较少。,图作用在切屑上的力,图直角自由切削时力与角度的关系,2.1.3前刀面挤压与摩擦,2.1.3前刀面挤压与摩擦,图直角自由切削时力与角度的关系,根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45，故有,合力的方向即为主应力方向，的方向就是最大剪应力方向。它们二者间的夹角为：,粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,2.1.3前刀面挤压与摩擦,图切屑与前刀面的摩擦,在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。,滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。,令为前刀面上的平均摩擦系数，则,2.1.3前刀面挤压与摩擦,2.1.4积屑瘤的形成与控制,积屑瘤成因,一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化,滞留粘接长大,2.1.4积屑瘤的形成与控制,积屑瘤对切削过程的影响,积屑瘤的控制,增大前角增大切削厚度增大已加工表面粗糙度影响刀具使用寿命,粗加工时，积屑瘤可以代替刀具进行切削，保护了刀具，减小了切削变形。精加工时应避免或减小积屑瘤。,图积屑瘤前角和伸出量,图积屑瘤高度与切削速度关系,2.1.5影响切削变形的因素,1.工件材料2.刀具前角3.切削速度4.切削厚度,2.1.6切屑的种类与控制,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,崩碎切屑,切屑形态照片,2.1.6切屑的种类与控制,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a）,图a切屑的卷曲,图b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b）,2.1.6切屑的种类与控制,机械制造技术基础,2.2切削力,第2章金属切削过程及其控制,2.2.1切削力和切削功率,切削力来源,3个变形区产生的弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间摩擦力,2.2.1切削力和切削功率,2.2.2切削力和切削功率,机床电机功率,式中机床传动效率，通常=0.750.85,式中Fc主切削力（N）；vc主运动速度（m/s）。,2.2.2切削力的计算公式,切削力经验公式,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；zFc,zFp,zFf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。,2.2.2切削力的计算公式,各种工件材料的单位切削力可在有关手册中查到。根据上式可得主切削力计算公式,切削条件修正系数，可在有关手册中查到。,2.2.3影响切削力的因素,工件材料,切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂,2.2.3影响切削力的因素,前角0增大，切削力减小（图a）,主偏角r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rFp，Ff，图b）,刀具几何角度影响,2.2.3影响切削力的因素,刀具几何角度影响,与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（sFp，Ff）刀尖圆弧半径r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rFp，Ff）；,刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；切削液：有润滑作用，使切削力降低；后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著；,第2章金属切削原理,机械制造技术基础,2.3切削热和切削温度,2.3.1切削热的来源与传导,切削热来源,切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去,主要来源,切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量,2.3.2切削温度的测量,自然热电偶法,工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。,利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。,用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极。,可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。,2.3.3切削温度及分布,切削温度分布,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。,2.3.4影响切削温度的因素,切削用量的影响,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、Xvc、f、ap的指数。,经验公式,2.3.4影响切削温度的因素,刀具几何参数的影响,前角o切削温度主偏角r切削温度负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小,工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度工件材料导热性切削温度,刀具磨损的影响,冷却液的影响,2.4刀具磨损与刀具寿命,第2章金属切削过程及其控制,机械制造技术基础,2.4.1刀具磨损形态,形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，vc大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量,形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料,vc较小,hD较小；加工脆性材料影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量,图刀具的磨损形态,磨料磨损各种切速下均存在低速情况下刀具磨损的主要原因粘结磨损（冷焊）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,扩散磨损高温下发生氧化磨损高温情况下，在切削刃工作边界发生热电磨损,2.4.2刀具磨损原因,刀具磨损原因,2.4.3刀具磨损过程及磨钝标准,刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。国际标准ISO统一规定以1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度作为刀具的磨钝标准。,制订磨钝标准应考虑以下因素：工艺系统刚性工件材料加工精度和表面质量工件尺寸,图后刀面的磨损,2.4.3刀具磨损过程及磨钝标准,2.4.4刀具寿命,刀具寿命（耐用度）概念,刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T表示。刀具总寿命一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。,式中CT、m、n、p为与工件、刀具材料等有关的常数。,可见vc的影响最显著；f次之；ap影响最小。,用硬质合金刀具切削碳钢（b=0.75GPa）时，有：,（2-25）,（2-27）,2.4.4刀具寿命,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,刀具破损的防止合理选择刀具材料的牌号。选择合理的刀具角度。合理选择切削用量，保证焊接和刃磨质量，尽可能保证工艺系统具有较好的刚性，尽量使刀具不承受或少承受突变性载荷。,刀具破损的主要形式,刀具的脆性破损（崩刃、碎断、剥落、裂纹破损）刀具的塑性破损,2.4.5刀具破损,2.5工件材料的切削加工性,第2章金属切削过程及其控制,机械制造技术基础,工件材料的切削加工性是指材料在一定条件下被切削加工成合格零件的难易程度。,考虑生产率和耐用度的表示方法1）一定生产率条件下，加工这种材料时刀具耐用度；2）一定刀具耐用度前提下，加工这种材料所允许的切削速度；3）相同的切削条件下，刀具达到磨钝标准时所能切除工件材料的体积。考虑已加工表面质量的表示方法考虑切削力或切削功率的表示方法考虑是否易于断屑的表示方法,2.5.1材料切削加工性概念和指标,材料切削加工性指标通常用vcT表示，vcT是指耐用度为T秒（或分）时，切削某种材料所允许的切削速度。vcT越高，表示材料的切削加工性越好。,通常取T3600秒（60分），vcT写作vc3600（vc60）；对于一些特别难加工的材料，也可取T1800秒（30分），vcT写作vc1800（vc30）。,如果以45钢的vc3600（vc60）作为基准，写作（vc3600）j；而把其它各种材料的vc3600（vc60）同它相比，这个比值Kr称为材料的相对加工性。即：,2.5.1材料切削加工性概念和指标,2.5.1材料切削加工性概念和指标,2.5.2材料性能对切削加工性影响,工件材料韧性对切削加工性的影响,工件材料硬度的影响,1）工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。2）工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温硬度高的材料不起作用。3）金属材料中硬质点对加工性的影响：金属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。4）材料的加工硬化对切削加工性的影响：加工硬化性越严重，切削加工性越差。,2.5.2材料性能对切削加工性影响,工件材料韧性对切削加工性的影响,强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。,工件材料强度的影响,工件材料塑性的影响,材料塑性大，切削加工性差：切削力大；刀具容易产生粘结和扩散磨损；低速切削时易出现刀瘤与鳞刺；断屑困难。但材料塑性太小时，切屑与前刀面的接触变得很短，切削力、切削热集中在切削刃附近，使刀具磨损严重，故切削性也差。,工件材料韧性对切削加工性的影响,工件材料韧性的影响,韧性大的材料，切削加工性较差：在断裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且断屑困难。,工件材料弹性模量的影响,材料的弹性模量E是衡量材料刚度（抵抗弹性变形的性能）的指标，E值越大，材料刚度越大，切削加工性越差。,材料的切削加工性是上述这些机械性能（硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量等）综合影响的结果。,2.5.2材料性能对切削加工性影响,如镁合金易燃烧，钛合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削进行。,工件材料导热系数的影响,工件材料导热系数低，切削温度高，刀具易磨损，切削加工性差。金属材料导热系数大小顺序：纯金属、有色金属、碳结构钢、铸铁、低合金结构钢、合金结构钢、工具钢、耐热钢、不锈钢。,工件材料物理化学反应的影响,2.5.2材料性能对切削加工性影响,2.5.3常用金属材料的切削加工性,有色金属,有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。,铸铁,铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。,，,2.5.3常用金属材料的切削加工性,碳素钢,普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。,，,在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。,合金工具钢,2.5.3常用金属材料的切削加工性,2.5.4难切削材料,2.5.5改善材料切削加工性的途径,调整材料的化学成分在钢中适当添加一些元素，如硫、磷、铅、钙等，可使钢的切削加工性得到显著改善，这样的钢叫“易切钢”。易切钢加工时的切削力小，易断屑，刀具使用寿命高，已加工表面质量好。在铸铁中加入合金元素铝、镍、铜等能分解出石墨元素，使材料利于切削。,采用适当的热处理方法,采用新的切削加工技术采用加热切削、低温切削、振动切削等新的方法，可以有效地解决一些难加工材料的切削问题。,2.6切削条件的合理选择,第2章金属切削过程及其控制,机械制造技术基础,2.6.1刀具几何参数的选择,刀具几何参数包含四方面内容：几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数,合理前角的选择原则粗加工、断续切削、刀材强度韧性低、工材强度硬度高，选较小的前角；工材塑韧性大、系统刚性差，易振动或机床功率不足，选较大的前角；成形刀具、自动线刀具取小前角；A磨损增大前角，A磨损减小前角。,0rn锋利、l摩擦F质量VB一定，磨损体积T但NB刀头强度散热体积重磨体积在一定的条件下，存在一个合理值,合理后角的选择原则粗加工、断续切削、工材强度硬度高，选较小后角,已用大负前角应0；精加工取较大后角，保证表面质量；成形、复杂、尺寸刀具取小后角；系统刚性差，易振动，取较小后角；工材塑性大取较大后角，脆材0。,2.6.1刀具几何参数的选择,图后角与磨损体积的关系,2.6.1刀具几何参数的选择,rhDbD单位刃长负荷T刀尖强度散热体积，RaFp变形加工精度，易振动Ra，T在一定的条件下，存在一个合理值,合理主偏角的选择原则主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，r取较小值；若刚性差（细长轴），r取较大值（90）；考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等。车台阶轴，取90；镗盲孔90；r小切屑成长螺旋屑不易断；较小r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。,刃倾角的作用影响刀刃锋利性.s0e、rn锋利性负刃倾角刀头强度散热体积负刃倾角Fp变形，易振动Ra正s切屑流向待加工表面，负s切屑流向已加工表面,在一定条件下，存在一合理值。,2.6.1刀具几何参数的选择,2.6.1刀具几何参数的选择,合理刃倾角的选择,粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，s取负值；精加工、系统刚性差（细长轴），s取正值；微量极薄切削，取大正刃倾角。,2.6.2切削用量的合理选择,切削用量三要素、均同Q保持线性关系，三者对机床切削效率的权重是完全相同的。从提高生产效率考虑，切削用量三要素、中任一要素提高一倍，机床切削效率Q都提高一倍，但提高一倍与、一倍对刀具寿命带来的影响却是完全不相同的。在保持刀具寿命一定的情况下，提高背吃刀量比提高进给量的生产效率高，比提高切削速度的生产效率更高。,机床切削效率可以用单位时间内切除的材料体积Q（mm3/min）表示：,粗加工时，应在保证必要的刀具使用寿命的前提下，以尽可能提高生产率和降低成本为目的。根据刀具使用寿命与切削用量的关系式，切削用量，T，其中速度v对T影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。,粗加工中选择切削用量时，应首先选择尽可能大的背吃刀量ap，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量f，最后根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速度v。这样使v、f、ap的乘积最大，以获得最大的生产率。,精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。,2.6.2切削用量的合理选择,2.6.2切削用量的合理选择,背吃刀量ap的选择粗加工时，ap由加工余量和工艺系统的刚度决定，尽可能一次走刀切除全部加工余量。半精加工时，ap可取0.52mm。精加工时，ap取为0.10.4mm。,在加工余量过大或系统刚性不足情况下，粗加工可分几次走刀。若分两次走刀，第一次走刀的ap取大些，可占全部余量的2/33/4，而第二次走刀的ap取小些，以使精加工工序具有较高的刀具寿命和加工质量。,切削有硬皮的铸、锻件或不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使ap超过硬皮或冷硬层厚度，以避免刀尖过早磨损。,2.6.2切削用量的合理选择,进给量f的选择粗加工时，f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，f的大小主要受加工精度和表面粗糙度的限制。,生产实际中常根据经验或查表法确定f。粗加工时根据工件材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及以确定的背吃刀量按表2-6来选择f。在半精加工和精加工时，则按加工表面粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度按表2-7来选择f。,2.6.2切削用量的合理选择,切削速度的确定根据已经选定的背吃刀量ap、进给量f及刀具使用寿命T，切削速度v可按下式计算求得式中各系数和指数可查阅切削用量手册。切削速度值也可查表来选定。切削用量选定后，还应校核切削功率是否小于机床的许用功率。若切削功率超过了机床的许用功率，则应首先降低切削速度。,水溶液水添加剂冷却粗加工乳化液乳化油水切削油矿物油添加剂润滑精加工,冷却摩擦热的产生；将热量带走。本身导热系数、比热、汽化热及流量、流速、冷却方式等。润滑切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度排屑、清洗防锈防锈添加剂,2.6.3切削液的选择,从加工要求考虑粗加工，选用水溶液或低浓度乳化液；精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液；从刀具材料考虑高速钢，需用切削液；Y合金等,可不用或充分连续用；,从工件材料考虑钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用；高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液从加工方法考虑钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油；成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。,2.6.3切削液的选择,2.6.3切削液的选择,浇注法切削加工时，切削液以浇注法使用最多。这种方法使用方便，设备简单，但流速慢、压力低，难于直接渗透入最高温度区，因此，冷却效果不理想。高压冷却法高压冷却法是利用高压（110MPa）切削液直接作用于切削区周围进行冷却润滑并冲走切屑，效果比浇注法好得多。深孔加工的切削液常用高压冷却法。喷雾冷却法喷雾冷却法是以0.30.6MPa的压缩空气，通过喷雾装置使切削液雾化，高速喷射到切削区。高速气流带着雾化成微小液滴的切削液，渗透到切削区，在高温下迅速气化，吸收大量热，从而获得良好的冷却效果。,2.7磨削原理,第2章金属切削过程及其控制,机械制造技术基础,2.7.1磨削过程,磨粒微小切削刃不规则，磨削过程复杂。磨粒形状、大小各异，一般都有钝圆半径，磨粒以较大的负前角进行切削。切削刃排列不规则，随机分布状态。,图磨粒