第二章 金属切削原理1ppt课件

.,第二章金属切削原理与刀具,.,第一节刀具的结构,一、切削运动与切削要素1.切削运动金属切削加工是利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层（加工余量），以获得具有一定的尺寸、形状、位置精度和表面质量的机械加工方法。刀具的切削作用是通过刀具相对于工件之间的相互作用和相对运动来实现的。刀具与工件间的相对运动称为切削运动，即表面成形运动。切削运动可以分解为主运动和进给运动。(1)主运动主运动是切下切屑所需的最基本的运动在切削运动中，主运动的速度最高、消耗的功率最大。主运动只有一个。例如：车削时，车床主轴带动工件作的旋转运动；铣削时，铣床主轴带动铣刀作的旋转运动。,.,（2）进给运动进给运动是多余材料不断投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。进给运动可以是一个或几个。一般，切削运动及其方向用切削运动的速度矢量来表示。图2-1中：,2.切削要素在切削加工过程中，工件上通常存在着3个不断变化的表面，如图2-1所示。切削要素包括切削用量和切削层几何参数。,.,（1）切削用量（三要素）1）切削速度vc在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。主运动为旋转运动：m/s主运动为往复直线运动：m/s2）进给量f（单位mm/r或mm/行程）vf=nf=nzfzmm/s3）背吃刀量（切削深度）apmm,.,(2)切削层几何参数（图2-2）切削层是指工件上正在被切削刃切削的一层金属。1）切削宽度沿主切削刃方向度量的切削层尺寸（mm）车外圆时：2)切削厚度两相邻加工表面间的垂直距离（mm）。车外圆时：3）切削面积切削层垂直于切削速度截面内的面积（mm2）。,.,二、刀具角度1.刀具切削部分的组成以车刀为例：其切削部分由前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃和刀尖组成。（即：三面两刃一尖）,其它各类刀具，都可以看作是车刀的演变和组合（图2-4）,.,2.刀具角度的参考平面（1）切削平面(ps）：过主切削刃上一点并与工件加工表面相切的平面。（2）基面(pr)：过主切削刃上一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。（3）正交平面(po)：过主切削刃上一点且垂直于主切削刃在基面上的投影。3.刀具的标注角度（主要有5个）（1）前角（2）后角（3）主偏角（4）副偏角（5）刃倾角,.,.,4.刀具的工作角度（1）刀具安装位置对工作角度的影响（图2-8，图2-9）,.,（2）进给运动对工作角度的影响（图2-10，图2-11）,.,.,三、刀具种类1.刀具分类1）按加工方式和具体用途分2）按所用材料性质分3）按结构形式分4）按是否标准化分2.常用刀具简介（1）车刀图2-12常用图2-13机夹图2-14可转位,.,.,（2）孔加工刀具图2-15麻花钻，图2-16群钻，图2-17中心钻，图2-18深孔钻，图2-19扩孔钻，图2-20铰刀，图2-21镗刀,.,.,.,.,.,.,.,（3）铣刀,.,（4）拉刀,图2-23可拉削加工的内外表面,.,图2-24，图2-25常用拉刀,.,（5）螺纹车刀,.,（6）齿轮刀具,.,.,第二节刀具材料,一、刀具材料应具备的性能1.高的硬度2.高的耐磨性3.高的耐热性4.足够的强度和韧性5.良好的工艺性6.良好的热物理性和耐热冲击性能二、常用的刀具材料各种刀具材料的特性，见表2-1,.,1.碳素工具钢与合金工具钢碳素工具钢是含碳量最高的优质钢（0.71.2%C），淬火后具有较高的硬度，而且价格低廉。但耐热性较差且淬火时易产生变形和裂纹。合金工具钢是在碳素工具钢中加入了少量的Cr、W、Mn、Si等合金元素形成的刀具材料。使其耐热性有所提高，热处理变形有所减小。2.高速钢它是含有较多W、Cr、V合金元素的高合金工具钢。其有较高的耐热性，其许用切削速度为3050m/min，是碳素工具钢的56倍，而且它的强度、韧性和工艺性都较好。提高高速钢的硬度和耐磨性的措施：1）在高速钢中添加新的元素（加Al使硬度为70HRC，耐热超过600）2）粉末冶金高速钢（消除碳化物偏析且细化晶粒，提高韧性、硬度，减小热处理变形）,.,3.硬质合金它是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC）为基体，以Co，Ni等为粘结剂，用粉末冶金方法制成的一种合金。耐磨（7482HRC）、耐热性（8501000）好，许用切削速度是高速钢的6倍，但强度和韧性比高速钢低、工艺性差。钨钴类（YG类）硬质合金韧性好，但切削韧性材料时，耐磨性差。适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。钨钴钛类（YT类）硬质合金比YG类硬度高、耐热好，在切削韧性材料时的耐磨性好，但韧性差，一般适用于加工钢件。克服常用硬质合金强度低、韧性差、脆性大、易崩刃的措施：1）调整化学成分（添加少量碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）即有高硬度又有好韧性）2）细化合金的晶粒（超细晶粒硬度9093HRA，抗弯强度可达2.0GPa）3）采用涂层刀片（在YG类硬质合金基体表面，涂敷510m厚的一层TaC或NbC）,.,三、新型刀具材料1、陶瓷材料陶瓷刀具以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）为主要成分，经压制成型后烧结而成。陶瓷刀具比硬质合金有更高的硬度、耐磨性、耐热性、化学稳定性和抗烧结性能，而摩擦系数则较小。其刀具耐用度可比硬质合金高几倍到几十倍。陶瓷刀具的最大缺点是强度低、韧性差、脆性大。2、立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是20世纪70年代发展起来的一种人工合成的新型刀具材料，它是由立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。其硬度很高，可达80009000HV，仅次于金刚石（10000HV），有很好的热稳定性，耐热温度可达14001500，比金刚石高一倍，其最大优点是在高温（12001300）是也不会与铁族金属起反应。3、人造金刚石人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转换而成。其具有很高硬度和耐磨性，很好的导热性和很低的热膨胀系数，低于其它刀具材料的摩擦系数。其缺点是：耐热性差，强度低、脆性大、对振动很敏感，与铁的亲和力强。,.,第三节金属切削过程及其物理现象,金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过程，会出现切削力、切削热、积屑瘤、刀具磨损和加工硬化等现象。一、切削过程及切屑种类1.切屑形成过程（切削层金属的变形过程）图a）为塑性金属挤压示意图，试件受压时，随着外力F的增加，金属内部应力增加，先弹性变形继而塑性变形，并使金属晶格产生滑移，滑移面DA、CB与外力F的方向大致成45，最后断裂。图b）为金属切削过程示意图，与挤压试验相似，不过工件上只有切削层受挤压，DB以下受工件母体金属的阻碍，所以金属只能沿着DA方向滑移，滑移面DA就是切削过程中的剪切面，部分金属沿剪切面滑移离开母体金属而形成切屑。,.,刀具与工件接触的区域可分为三个变形区，如图2-31所示。第一变形区：滑移面附近的区域，在此区域内产生塑性变形形成切屑。第二变形区：前刀面附近的区域，切屑受到前刀面挤压和摩擦，使切屑卷曲。第三变形区：刃口附近的以加工表面区域，刀具后面及刃口钝圆与已加工表面摩擦和挤压，形成已加工表面。,第一变形区金属的剪切变形,.,2.切屑的类型及其控制工件材料不同，切削过程的变形程度也不同，因而产生的切屑种类也是多种多样如图2-32所示。,.,切屑控制是指在切削加工中采取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。图2-33切屑分类法。衡量切屑可控性的主要标准是：不妨碍正常的加工；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运。,.,3.积屑瘤现象在切削速度不高而又能形成连续切屑时，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面靠近刀尖处粘附着一块呈楔状的金属，其硬度很高，通常是工件材料硬度的23倍，称为积屑瘤。积屑瘤对切削过程的影响：1)积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。,2)积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，积屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。3)积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。4)积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。积屑瘤不可控，可通过改变切削条件防止其产生。,.,第四节切削力与切削功率,1.切削力的来源1）克服被加工材料弹性变形的抗力；2）克服被加工材料塑性变形的抗力；3）克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。2.切削合力及其分解上述各力的总和形成作用在刀具上的合力F。实际中可分解为Ff、Fp、Fc三个分力。,一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率,.,根据实验，当Kr=45，s=0015时，Fc、Ff和Fp之间有以下近似关系：Fp=（0.40.5）FcFf=（0.30.4）Fc由此可得：F=（1.121.18）Fc,由图2-35可以看出：,.,.,1.测定机床功率，计算切削力用功率表测出机床电动机在切削过程中消耗的功率PE后，计算出切削功率PC。2.用测力仪测量切削力测力仪的测量原理是利用切削力作用在侧力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换处理后，读出FC、Ff和FP的值。,二、切削力的测量,按工作原理测力仪分为机械、液压和电气测力仪。目前常用电阻应变片式测力仪和压电测力仪,.,二、切削力的经验公式和切削力估算1.计算切削力的经验公式常用的指数公式的形式为：,式中：、系数，由被加工材料性质和切削条件来决定；、；、；背吃刀量ap、进给量f和切削速度v的指数；、各种因素对切削力的修正系数的乘积。式（2-1）中的系数可在切削用量手册中查到。（表2-2）,（2-1）,.,2.按单位切削力计算切削力和切削功率单位切削力kc是指单位切削面积上的切削力：（2-2）,影响切削力的主要因素有：工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料、刀具磨损状态和切削液。,.,第五节切削热与切削温度,据能量守恒原理，切削中所消耗的能量几乎全部转化为热量，大量的切削热使得切削温度升高，直接影响摩擦系数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损、工件加工精度和已加工表面质量等。一、切削热的产生和传导用硬质合金车刀车削的结构钢时，将切削力的经验公式带入切削功率计算公式Pc=Fcv后得：,（2-5）,.,切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传出的比例：,由式（2-5）可知：,切削热来自工件材料的弹、塑性变形功Qs和前、后面的摩擦功Qr。产生的热量和散出的热量应相等，即：Qs+Qr=Qc+Qt+Qw+Qm,.,二、切削温度的测量（切削温度指前刀面与切屑接触区域的平均温度）有热电偶法、辐射测量法、热敏颜料法、量热计法等。1.自然热电偶法利用刀具材料和工件材料化学成分的不同，而组成热电偶的两极。工件与刀具接触区形成热电偶的热端，工件引出端和刀具的尾端保持室温形成冷端，刀具和工件的回路之间便产生了温差电动势。刀具工件热电偶应事先进行标定，求出温度毫安伏的标定曲线。测量时刀具应与机床绝缘。,.,2.人工热电偶法人工热电偶法是两种预先经过标定的金属丝组成的热电偶。它的热端固定在刀具和工件的被测点上，冷端通过导线串接在电位计、毫伏计或其它记录以上。根据输出的电压及预先做好的标定曲线，可以测定热端的温度。,.,3.切削温度的分布工件、切屑和刀具上各点的温度分布称为温度场。,.,1.切削用量的影响实验得出的切削温度经验公式为：表2-3给出了高速钢和硬质合金刀具切削中碳钢时，切削温度系数C及指数z、y、x。由表2-3可知，在切削用量三要素对切削温度的影响程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃刀量最小。因此，若要切除给定的余量，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。上述切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规程时，确定切削用量的原则。,三、影响切削温度的主要因素,(2-6),.,3.刀具角度的影响前角和主偏角对切削温度影响较大。,2.工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削热相应增多，切削区的平均温度降低。例如，合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削45钢的切削温度。,.,4.刀具磨损的影响后刀面的磨损达到一定值时，对切削温度影响增大；切削速度愈高，影响就越大。合金钢的强度高，热导率小，所以切削合金钢时刀具的磨损对切削温度的影响，就比切削碳素钢时大。,5.切削液的影响切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热容、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。如用乳化液代替油类切削液，加工生产率可提高50%100%。流量充沛与否对切削温度的影响很大。切削液温度越低，就能越明显降低切削温度，如将室温（20）降至5，则刀具寿命可提高50%。,.,四、切削液使用切削液，除起冷却作用外，还可以起润滑、清洗和防锈的作用。1.水溶液主要成分是水，加入了一定量的防绣剂，其冷却性能好、润滑性能差，呈透明状，常在磨削中使用。2.乳化液将乳化油用水稀释而成，呈乳白色。乳化液具有良好的起冷却和清洗性能外，并具有一定的润滑性能，适用于粗加工及磨削。3.切削油主要是矿物油，特殊情况下也采用动、植物油或复合油，其润滑性能好，但冷却性能差，常用于精加工。,.,五、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响切削温度高，刀具磨损严重，降低生产率；切削温度还会降低加工精度，使已加工表面产生残余应力及其它缺陷。1.切削温度对工件材料强度和切削力的影响切削温度对工件材料硬度及强度影响不大；切削温度对剪切区域的应力影响不很明显。工件预热到500800后进行切削时，切削力下降很多。但在高速切削时，切削温度经常达到800900，切削力却下降不多。目前加热切削是切削难加工材料的一种好方法。2.对刀具材料的影响适当的提高切削温度，有利于提高硬质合金的韧性。,.,3.对工件尺寸精度的影响在精加工和超精加工时，切削温度对加工精度的影响特别突出。4.利用切削温度自动控制切削速度或进给量各种刀具材料切削不同的工件材料都有一个最佳的切削温度范围。因此，可利用切削温度来控制机床的转速或进给量，保持切削温度在最佳范围内，以提高生产率及工件表面质量。5.利用切削温度与切削力控制刀具磨损运用刀具工件热电偶，跟踪切削过程中的切削力以及切削分力之间比例的变化，可反映切屑碎断、积屑瘤变化或刀具前、后刀面及钝圆处的磨损情况。,.,一、刀具磨损的形态及其原因损坏形式：正常磨损（逐渐磨损），非正常磨损或破损（崩刃，碎断、剥落、卷刃、裂纹破损等）刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。1.正常磨损正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐的磨损。前刀面磨损后刀面磨损前后刀面同时磨损,第六节刀具磨损与刀具寿命,.,.,2.破损（非正常磨损）1）破损形式非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象。其中有：脆性破损硬质合金和陶瓷刀具切削时，在机械和热冲击作用下，在前后刀面尚未发生明显磨损时，就在切削刃或刀面上产生崩刃、剥落、裂纹、碎断等。塑性破损刀具切削时，由于高温高压的作用，有时前后刀面和切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而失去切削能力。卷刃切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。2）破损的原因在断续切削的条件下，有强烈的机械和热的冲击，加之硬质合金和陶瓷刀具等硬度高、脆性大，组织可能不均匀，而且可能分布有众多的缺陷，因此，很容易使刀具由于冲击、机械疲劳和热疲劳而引起破损。3）破损的防止提高刀具的疲劳强度和抗振性能；选择合理的刀具几何形状；选择合理切削条件，减少切削力、降低切削温度以减少机械冲击和热冲击。,.,二、刀具的磨损过程和磨钝标准正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。若以后刀面磨损为例，它的典型磨损过程如图2-41所示，图中大致分三个阶段。1.刀具的磨损过程(1)初期磨损阶段(2)正常磨损阶段(3)急剧磨损阶段,2.刀具磨损原因切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的。因此，形成刀具磨损的原因就非常复杂，它涉及到机械、物理、化学和相变等的作用。现将其中主要的原因简述如下：（1)磨粒磨损(2)粘结磨损(3)扩散磨损(4)相变磨损(5)氧化磨损,.,3.刀具的磨钝标准刀具允许达到的最大的磨损量，称为“磨钝标准”。对于一般刀具，常以后面磨损带高度VB的允许极限值作为磨钝标准；定尺寸刀具和自动化生产中的精加工刀具，常以径向磨损量NB的允许值作为磨钝标准。,.,在后刀面月区内均匀磨损VB0.3mm；在后刀面月区内非均匀磨损VBmax0.6mm；月牙洼深度标准KT0.06十0.3f（进给量f)精加工根据达到表面粗糙度等级要求确定磨钝标准。,磨钝标准VB值（mm）,.,制定磨钝标准的原则1）精加工规定较小的磨钝标准VB0.1mm0.3mm；粗加工规定较大的磨钝标准VB0.6mm0.8mm。2）工艺系统刚性较差时，应规定较小的磨钝标准；3）粗车钢件，特别是粗车合金钢和高温合金时，磨钝标准要比粗车铸铁时取得小些。4）加工同一种工件材料时，硬质合金刀具的磨钝标准要比高速钢刀具取得小些。,三、刀具寿命的经验公式1.刀具寿命定义一把新刀（或重新刃磨后的刀具）自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的实际切削时间，称为刀具寿命，符号用T，单位用min或s。,.,2.刀具寿命试验通过试验先确定4种以上不同切削速度的刀具磨损过程曲线，如图2-43所示。曲线磨损量VB可利用读数显微镜测得。然后在磨损曲线上取出达到磨钝标准时的各速度v与寿命T对应值，并将它们表示在双对数坐标中，可得图2-44所示的刀具寿命曲线。直线方程：lgv=-mlgT+lgC0改写为：式中:m寿命指数，表示v对T的影响程度；C0系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。,（2-7）,.,3.影响刀具寿命的因素(1)切削用量的影响;切削速度v对刀具寿命影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。这与三者对切削温度的影响顺序完全一致。(2)刀具几何参数的影响;(3)加工材料的影响;(4)刀具材料的影响。耐热性愈低的刀具材料，斜率应愈小，切削速度对刀具寿命影响应该愈大。,.,第七节切削用量的选择及工件材料加工性,一、切削用量的选择对提高切削效率，保证必要的刀具寿命和经济性以及加工质量都有重要的意义。1.对加工质量的影响背吃刀量和进给量增大，切削力增大，工件变形增大，并可能引起振动，降低加工精度和增大表面粗糙度Ra值；进给量增大还会使残留面积的高度显著增大，表面更加粗糙；切削速度增大时，切削力减小，并可减小或避免积屑瘤，有利于加工质量和表面质量的提高。2.对基本工艺时间的影响,.,计算，因，故,3.对刀具寿命和辅助时间的影响,综合以上三式可得：,.,例如，当用硬质合金车刀车削的中碳钢时，切削用量与刀具寿命的关系为：,切削用量对刀具寿命T的影响程度与切削用量对切削温度的影响程度是一致的，切削速度对刀具寿命的影响最大，其次是进给量，背吃刀量的影响很小。制订工艺规程时，如果既要保证较长的刀具寿命，又要追求较高的切削效益，那么，确定切削用量就应该遵循下列原则：采用尽可能大的背吃刀量，采用能满足已加工表面粗