先进加工技术-第二章+先进切削技术-1、切削原理

先进加工技术,第二章先进切削技术,2.1切削机理2.2先进切削,第二章先进切削技术,2.1切削机理2.1.1切削变形2.1.2切削力2.1.3切削热和切削温度2.1.4刀具的磨损和耐用度,2.1.1切削变形,切削过程的基本属性力学属性：压力、摩擦、磨损变形几何属性：刀具、路径表面、切屑,2.1.1切削变形,切削变形区,第二变形区,第一变形区,第三变形区,侧面网格法取得的切屑根部试样,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区：切削层金属的剪切滑移区。是切削力和切削热的主要来源。第变形区：前刀面处切屑底层滑移区。引起前刀面磨损和积屑瘤。第变形区：后刀面熨压变形区。引起后刀面磨损、加工硬化、残余应力。,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形,OM-剪切面,剪切角,工件,切屑,O,M,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形切屑类型由于工件材料不同，切削条件各异，切削过程中生成的切屑形状是多种多样的。切屑的形状主要分为带状、挤裂、单元和崩碎四种类型。,(a)带状切屑(b)挤裂切屑(c)单元切屑(d)崩碎切屑,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形切屑类型带状切屑这是最常见的一种切屑。它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。挤裂切屑它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时易于产生此类切屑。,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形切屑类型节状切屑又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。崩碎切屑切削脆性金属时，由于材料塑性很小、抗拉强度较低，刀具切入后，切削层金属在刀具前刀面的作用下，未经明显的塑性变形就在拉应力作用下脆断，形成形状不规则的崩碎切屑。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形切屑类型,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形切屑控制(1)采用断屑槽通过设置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。(2)改变刀具角度增大刀具主偏角Kr，切削厚度变大,有利于断屑;减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断;刃倾角s可以控制切屑的流向。(3)调整切削用量提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度；适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形切屑变形度量（几何方法求变形）,ac,lc,a0,l0,切屑变形与切削用量(切深、切宽、切速)、工件材料、刀具角度等因素有关。,l0切削层长度，lC切屑长度；a0切削层厚度，aC切屑厚度。,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形剪切角：相对滑移：,0,a0,ac,s,y,切削层,刀具,工件,剪切面,切屑,0前角，s滑移量，y滑移层切屑变形,a0,刀具,切削层,工件,切屑变形,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形剪切角：相对滑移：,0前角，s滑移量，y滑移层切屑变形,切屑变形,a0,刀具,工件,切削层,0,a0,ac,s,y,切削层,刀具,工件,剪切面,切屑,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形剪切角理论公式（力学方法求变形）最小切削功率法（Merchant角公式）切削功率：Pm=FzV假设：Fr和Fr共线。,时，,切屑,刀具,工件,剪切角，0前角，摩擦角aw切削宽度，剪切面剪应力，,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形剪切角理论公式（力学方法求变形）滑移线场理论法（LeeandShaffer）切削合力与剪切面夹角为45，即,两种角公式与试验结果比较,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区的变形切屑变形的影响因素工件材料：强度、与刀面之间的摩擦系数。切削用量：切削速度、进给量、切削深度。刀具角度：主要是前角影响大。,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（前刀面）的摩擦前刀面摩擦力,摩擦系数分布：,滑动区(为常数),粘结区(为变量),2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（前刀面）的摩擦前刀面摩擦力,第二变形区,第一变形区,第三变形区,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（前刀面）的摩擦力,前刀面滑动区,前刀面粘结区(=s),应力分布不均摩擦系数不均,平均摩擦系数：,切削速度对平均摩擦系数的影响,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（前刀面）的摩擦,主后刀面,副后刀面,前刀面,前刀面磨损（月牙洼形）,切屑与前刀面摩擦导致前刀面磨损,刀尖,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（前刀面）的摩擦积屑瘤,积屑瘤使工作前角增大,h,切屑,刀具,已加工表面,积屑瘤硬度大于工件基体硬度,特大孔浮动铰刀杆浮动刀片,炮体药室特大孔精铰后的表面沟痕（积屑瘤划伤表面）,振动铰削缩比试验系统,振动铰削的断续切削过程不产生积屑瘤,普通铰孔表面沟痕,振动铰孔表面,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（前刀面）的摩擦积屑瘤积屑瘤的产生中等切削速度易产生积屑瘤的作用：稳定的积屑瘤保护刀刃。不稳定的积屑瘤损坏刀具。积屑瘤增大表面粗糙度。结论：粗加工允许生成稳定的积屑瘤。精加工尽量避免积屑瘤。,V,h(积屑瘤高度),2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（后刀面）的变形,V,a0,a0,ac,h,hy,硬化层,表面回弹,已加工表面,刃口接触区,后刀面接触区,前刀面接触区,前刀面,后刀面,刀具,rn,O,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（后刀面）的变形,已加工表面层形貌与组织,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（后刀面）的变形,鳞刺产生过程,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（后刀面）的变形表面粗糙度（进给方向）理论粗糙度：实际粗糙度受切削变形（侧向隆起）、积屑瘤、鳞刺、刀具磨损、机床精度等因素影响，实际粗糙度值大于理论粗糙度值。,f,Rmax,r,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（后刀面）的变形表面粗糙度,粗糙度测量表面微观相貌,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（后刀面）的变形加工硬化硬化程度表示：硬化层深度hy。硬化程度N=(H-H0)/H0100H表面硬度；H0基体硬度。硬化程度影响因素：工件材料性质、刀具锋利性、第变形区变形量、金相组织变化等。,H,h,hy,H0,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（后刀面）的变形加工硬化,软材习惯用HB度量普通材习惯用HRC度量超硬材习惯用HV度量模具硬度习惯用HS度量高强钢习惯用强度度量,压痕直径或深度按一定的公式计算,2.1.1切削变形,切削变形区第变形区（后刀面）的变形残余应力（表面内应力）分类：残余拉应力，残余压应力。产生原因：热塑变形：表层热塑变形冷却后残余拉应力弹性变形：里层弹性变形恢复后相反的应力表层相变：高温奥氏体冷却为马氏体，表面体积加大残余压应力。影响因素：切削温度、切削力、装夹力等。去除方法：热时效、振动时效、自然时效,2.1.1切削变形,难加工材料切削过程的特点（1）钛合金锯齿状切屑表面回弹很大加工硬化严重（2）高温合金切削力、切削热更大表面残余应力不易消除加工硬化非常严重,回弹量,剪切面,剪切面,2.1.2切削力,切削力的测量,三维切削时切削合力：,2.1.2切削力,切削力的测量,应变片,应变电桥,八角环车削测力仪,2.1.2切削力,切削力的测量,压电车削测力仪,压电测力仪构造,压电测力仪实测的三向切削力,2.1.2切削力,切削力的尺寸效应,切削合力:,刃口合力,2.1.2切削力,切削功率的尺寸效应单位体积的切削功率单位切削功Ps,a0Ps尺寸效应因此，a0大省功。,2.1.2切削力,切削力的理论公式,a0；aw不变。所以较大a0有利于降低单位面积切削力。,切削面积zw=a0aw,2.1.2切削力,切削力的经验公式通过切削测力仪测出不同a0和aw下的Fz，再通过对数坐标法求出指数x和y，从而得出经验公式：因此，同样切削断面积下，较大a0有利。,2.1.2切削力,切削力的有限元计算,切削力、切削变形有限元计算,2.1.2切削力,切削力的影响因素：工件材料切削用量刀具几何参数刀具状态：可用切削力监测刀具状态（测刀具磨损、破损）。,2.1.3切削热和切削温度,切削热来源于切削变形区的内外摩擦所产生的热量。切削热的扩散方式主要是热传导。切削热主要传播途径：车削时主要传给切屑（5086）；钻削时主要传给工件（50左右）；磨削时主要传给工件（80以上）,2.1.3切削热和切削温度,切削温度切削温度通常是指切削区的平均温度。温度中心是切削区的温度最高点，在前刀面。,2.1.3切削热和切削温度,切削温度切削温度的经验公式：温度切削温度测量：人工热电偶两种不同材料金属丝某点温度自然热电偶刀具和工件组成电极平均温度,金属丝A金属丝B,工件刀具,人工热电偶,自然热电偶,2.1.4刀具的磨损和耐用度,VB,主后刀面,副后刀面,刀具磨损形态,2.1.4刀具的磨损和耐用度,刀具磨损机理磨料磨损：摩擦副上硬质点擦伤刀具表面。取决于硬质点的多少，与切削速度无关。粘结磨损：摩擦副新鲜表面粘结冷焊与脱落。取决于刀屑亲和力，中速切削易发生。扩散磨损：摩擦副高温下原子相互扩散，强度下降。切削温度越高扩散越快，高速切削易发生。氧化磨损：高温下刀具产生较软的氧化膜，被带走。取决于高温氧化速度，高速切削易发生。,2.1.4刀具的磨损和耐用度,刀具磨损机理,V0,2.1.4刀具的磨损和耐用度,刀具的磨钝标准（1）磨损过程：初期磨损正常磨损剧烈磨损（2）磨钝标准经验观察：切屑颜色和形状、声音、振动、让刀等。间接测量：切削力、切削温度、切削振动等。直接测量：后刀面切向磨损带VB，径向磨损长度NB。,VB,T,磨钝标准,初期,正常,剧烈,VB,t,2.1.4刀具的磨损和耐用度,刀具耐用度：新刀从开始切削到磨钝标准的时间T刀具耐用度的泰勒公式（车削）：切削速度V主要反映切削温度对刀具磨损的影响，为主。进给量f、切削深度ap主要反应切削力对刀具磨损