3-切削与磨削原理

1,机械制造技术基础,北京交通大学机电学院刘伟,2/65,第三章,切削与磨削原理,3/65,内容,3-1切削过程3-2切削力3-3切削热与切削温度3-4刀具磨损、破损与使用寿命3-5金属切削条件的合理选择,4/65,本章要点,切屑的形成过程,切削变形及其影响因素,切削热与切削温度,积屑瘤的形成及其影响,刀具磨损与刀具寿命,金属切削条件的合理选择,5/65,第3章切削原理CuttingTheory,3.1切削过程CuttingProcess,6/65,没有副刃参加切削，且s=0。,3.1.1金属切削过程的变形,7/65,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3-2金属挤压与切削比较,3.1.1金属切削过程的变形,8/65,图3-3切屑根部金相照片,3.1.1金属切削过程的变形,9/65,3.1.1金属切削过程的变形,图3-4切削变形实验设备与录像装置,10/65,3.1.1金属切削过程的变形,I变形区剪切滑移，塑性变形II变形区切屑流出，受挤压，剧烈摩擦III变形区挤压、摩擦，金属回弹，产生残留应力,11/65,3.1.2切屑类型与变形系数,带状切屑高速挤裂切屑(节状切屑)低速单元切屑(粒状切屑)极低速崩碎切屑脆性材料,12/65,13/65,图3-6切屑形态照片,14/65,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）,图3-7切屑的卷曲,图3-8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）,15/65,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层的变形程度。,厚度变形系数,（3-1）,长度变形系数,（3-2）,16/65,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。,（3-3）,17/65,3.1.3前刀面上刀-屑的摩擦与积屑瘤,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。,一、切屑与前刀面的摩擦变形,18/65,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。,图3-11切屑与前刀面的摩擦,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。,19/65,二、积屑瘤,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,增大前角，保护刀刃影响加工精度和表面粗糙度,滞留粘接长大,20/65,3.1.4影响切削变形的因素,1工件材料塑性越大，强度硬度越低，屈服极限低，切削变形越大2.刀具前角前角越大，刃锋利，挤压小，剪切角越大切削变形越小,21/65,3.切削用量（1）切削速度通过积屑瘤和切削温度影响呈波形变化（2）进给量进给量越大，切屑变形程度越小,22/65,23/65,3.1.5已加工表面的变形,切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。,A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。,A点前方正应力最大，剪应力为0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。,24/65,3.1.6硬脆非金属材料切屑形成机理,GGC（3-4）,式中G裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能释放率）；GC裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩展阻力）。,K1K1C（3-5）,式中K1应力强度因子；K1CK1临界值。,对于型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：,25/65,3.1.6硬脆非金属材料切屑形成机理,大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13）,演示,26/65,内容,3-1切削过程3-2切削力3-3切削热与切削温度3-4刀具磨损、破损与使用寿命3-5金属切削条件的合理选择,27/65,3-2切削力,切削力是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。,28/65,切削力来源切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。切削力来源于以下两个方面：l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。,3.2.1切削力的产生和分解,29/65,30/65,切削力经验公式,（3-6）,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；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。,3.2.2切削力与切削功率的计算,31/65,3.2.2切削力与切削功率的计算,（3-7）,式中Fc主切削力（N）；v主运动速度（m/s）。,（3-8）,32/65,3.2.2切削力与切削功率的计算,机床电机功率,式中机床传动效率，通常=0.750.85,（3-10）,（3-9）,指单位时间切除单位体积V0材料所消耗的功率,33/65,3.2.3影响切削力因素,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（图3-15）,34/65,3.2.3影响切削力因素,前角0增大，切削力减小（图3-16）,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3-17）,刀具几何角度影响,35/65,3.2.3影响切削力因素,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；,36/65,内容,3-1切削过程3-2切削力3-3切削热与切削温度3-4刀具磨损、破损与使用寿命3-5金属切削条件的合理选择,37/65,第3章切削原理CuttingTheory,38/65,3.3.1切削热的来源与传出,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QA=QD+QFF+QFR（3-12）,（3-11）,式中，QD,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量,39/65,40/65,3.3.1切削热的来源与传出,车：5086切屑，1040车刀，39工件，1空气。,41/65,3.3.1切削热的来源与传出,钻：28切屑，145刀具，525工件，5介质。,42/65,3.3.1切削热的来源与传出,磨：4磨屑，12砂轮，84工件。,43/65,3.3.1切削热的来源与传出,影响散热的主要因素是：（1）工件材料的导热系数（2）刀具材料的导热系数（3）周围介质,44/65,切削温度切屑与前刀面接触区域的平均温度（用热电偶法测量切削温度）,3.3.2切削温度及分布,45/65,3.3.2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。,图3-20二维切削中的温度分布工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611C,46/65,3.3.3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,（3-13）,47/65,3.3.3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,48/65,3.3.4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（图3-20）。,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。,49/65,内容,3-1切削过程3-2切削力3-3切削热与切削温度3-4刀具磨损、破损与使用寿命3-5金属切削条件的合理选择,50/65,第3章切削原理CuttingTheory,51/65,3.4.1刀具磨损,刀具磨损形态,正常磨损,前刀面磨损,形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量,后刀面磨损,形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料,v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,前、后刀面磨损,52/65,53/65,磨粒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,3.4.2刀具磨损原因,54/65,3.4.3刀具磨损过程及磨钝标准,55/65,刀具的磨钝标准后刀面磨损带高度VBVB0.3mm若主后面为无规则磨损，VBmax0.6mm前刀面磨损量KT0.06十0.3f(f为进给量),56/65,3.4.4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。,（3-14）,式中CT、m、n、p为与工件、刀具材料等有关的常数。,（3-15）,可见v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=0.763GPa）时，有：,57/65,3.4.4刀具寿命,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,58/65,3.4.5刀具的破损,在切削加工中，刀具有时没有经过正常磨损阶段，而在很短时间内突然损坏，这种情况称为刀具破损。破损也是刀具损坏的主要形式之一。破损是相对于磨损而言的。刀具的破损形式分为脆性破损和塑性破损。,59/65,3.4.5刀具的破损,1脆性破损硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时，在机械应力和热应力冲击作用下，经常发生以下几种形态的破损：（1）崩刃切削刃产生小的缺口。在继续切削中，缺口会不断扩大，导致更大的破损。用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断续切削时，常发生这种破损。,60/65,3.4.5刀具的破损,（2）碎断切削刃发生小块碎裂或大块断裂，不能继续进行切削。用硬质合金刀具和陶瓷刀具作断续切削时，常发生这种破损。（3）剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片，经常与切削刃一起剥落，有时也在离切削刃一小段距离处剥落陶瓷刀具端铣时常发生这种破损。（4）裂纹破损长时间进行断续切削后，因疲劳而引起裂纹的一种破损。热冲击和机械冲击均会引发裂纹，裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂。,61/65,3.4.5刀具的破损,2塑性破损在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件接触面上，由于过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力，这就是刀具的塑性破损。抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。硬质合金和陶瓷的耐热性好，一般不易发生这种破损。相比之下，高速钢耐热性较差，较易发生塑性破损。,62/65,可采取以下相应措施防止刀具破损：,（2）合理选择刀具几何参数通过选择合适的几何参数，使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃的有效措施。,（1）合理选择刀具材料用作断续切削的刀具，刀具材料应具有一定的韧性。,（3）保证刀具的刃磨质量切削刃应平直光滑，不得有缺口，刃日与刀尖部位不允许烧伤。,（4）合理选择切削用量防止出现切削力过大和切削温度过高的情况。,（5）工艺系统应有较好的