1.5 金属的切削过程

,第1章金属切削加工基础知识,本章要点,切削运动与切削要素,金属切削机床,刀具,金属切削过程,1.5金属的切削过程,一、切削变形及其主要影响因素二、切削力及其主要影响因素三、切削温度及其主要影响因素四、刀具磨损、刀具耐用度及其主要影响因素,金属切削过程是指在机床上通过刀具与工件之间的相对运动，利用刀具前刀面推挤切削层，切除多余金属，使其产生切屑和得到已加工表面的过程。切削过程中，会出现许多物理现象，诸如切削变形、切削力、切削热、刀具磨损等。,1.5金属的切削过程,一、切屑的形成过程,1.5.1切削变形,实验研究表明，金属切削与非金属切削不同，金属切削的特点是被切金属层在刀具的挤压、摩擦作用下产生变形以后转变为切屑和形成已加工表面。,1.5金属的切削过程,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,F,450,O,M,A,B,F,O,M,A,B,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。,切削层的金属,弹性变形,塑性变形,挤裂,切离,切屑,切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形,随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移,刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂,沿刀具前刀面流出,切削层受刀具的作用，经过第变形区的塑性变形后形成了切屑。,切屑的形成过程,二、切屑种类,由于工件材料和切削条件的不同，切屑过程中的变形情况也不同，因而产生的切屑形状也不同，从变形的观点来看，可将切屑的形状分为四种类型。,1.5金属的切削过程,1.5.1切削变形,表切屑类型及形成条件,切脆性材料不平稳,表面粗糙,带状切屑节状切屑粒(节)状切屑崩碎切屑,切削不平稳，力波动大加工表面粗糙,切削平稳，力波动小加工面光洁，断屑难,滑移量较大，局部剪应力达断裂强度,带状切屑,节状切屑,单元切屑,崩碎切屑,图切屑形态照片,切削变形的本质是工件受到刀具推挤后产生弹性和塑性变形，使切削层与母体金属分离。,1.5.1切削变形,1.5金属的切削过程,第变形区：切削刃前面的切削层内产生的塑性变形区(剪切变形区)，金属剪切滑移，成为切屑。主变形区，面积最大变形区。,切削部位三个变形区,第变形区：靠近切削刃处已加工表层内产生的变形区。已加工面受到切削刃钝圆部分与后刀面挤压与摩擦，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。,第变形区：切屑底层与前刀面接触处，切屑排出时受前刀面挤压,与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。,二、第变形区,3.1.1切削变形,3.1切削过程的基本规律,（剪切滑移区）,OA始滑移线OM终滑移线,变形的主要特征：剪切滑移变形形成切屑,图切屑根部金相照片,剪切角：剪切面与切削速度方向之间的夹角。,相对滑移：滑移距离s与瞬时位移y之比。=s/y=NP/MK=(NK+KP)/MK=ctan+tan(-0）,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。用变形系数表示切削层变的变形程度。,厚度变形系数,长度变形系数,变形系数值越大，说明切削变形越严重。,三、第变形区,3.1.1切削变形,3.1切削过程的基本规律,此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。,被切削层金属经过终滑移线OM形成切屑沿前刀面流出时，切屑底层仍受到刀具的挤压和接触面之间强烈的摩擦，继续以剪切滑移为主的方式变形，其切屑底层的变形程度比切屑上层剧烈，从而使切屑底层晶粒弯曲拉长，在摩擦阻力的作用下，这部分切屑流动速度减慢，称为滞流层。,粘结区：剪切滑移，内摩擦,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：滑动摩擦，外摩擦,特点,两个摩擦区,刀具前刀面的摩擦,在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在刀具前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块如图所示，这块冷焊在前刀面上的金属就称为积屑瘤。,积屑瘤,有利方面,保护刀具,增加工作前角,积屑瘤硬度很高,可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损,积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大,可减小切削变形和切削力，使切削轻快,积屑瘤对加工过程的影响,不利方面,影响工件尺寸精度,影响工件表面粗造度,积屑瘤破裂脱落后会划伤表面，加快刀具磨损,会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大,时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动,积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化,积屑瘤对加工过程的影响,控制积屑瘤的措施,影响积屑瘤的因素,工件材料,切削用量,刀具角度,切削液等,控制措施,降低工件材料的塑性，提高材料硬度。,控制切削速度，以控制切削温度,采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤,增大刀具前角，减小切削厚度,积屑瘤对前角的影响,积屑瘤,积屑瘤高度与切削速度的关系,四、第变形区,3.1.1切削变形,3.1切削过程的基本规律,第变形区在刀具后刀面和已加工表面接触的区域上。是挤压摩擦回弹区，直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损。,刀刃钝圆半径rn:前后刀面过渡圆弧半径。后刀面磨损带VB:后刀面实际后角为零的棱带。弹性恢复区CD：,已加工面受到后刀面挤压与摩擦产生变形，是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。,加工硬化加工硬化亦称冷硬，它是在已加工表面严重变形层内，金属晶格伸长、挤紧、扭曲甚至碎裂而使表面层组织硬度增高的现象。后果：在硬化层的表面上会出现细微的裂纹、并在表层内产生残余应力。因此，硬化降低了加工表面质量和材料的疲劳强度；增加下道工序加工困难，加速刀具磨损；提高耐磨性的同时增加了表面的脆性，从而降低了工件的抗冲击能力。在切削时应设法避免或减轻硬化现象。,四、第变形区,残余应力残余应力是指在没有外力的作用下,在物体内部保持平衡而存留的应力。残余应力对零件的性能的影响：残余拉应力会使已加工表面产生裂纹，降低零件的疲劳强度。残余压应力有时却能提高零件的疲劳强度工件表面残余应力分布不均匀也会使工件产生变形,影响工件的尺寸和形状。,四、第变形区,五、影响切削变形的主要因素,工件材料在切削条件相同的情况下，材料的强度、硬度愈大，材料的摩擦系数减小，变形系数减小，因此切削变形减小。材料的塑性愈大，愈易产生塑性滑移和剪切变形，因此切削变形愈大。,1.5.1切削变形,1.5金属的切削过程,刀具几何角度增大前角o，使变形系数减小，因此，切削变形减小。增大刀尖圆弧半径，使变形越大。切削用量切削速度：中低速时，积屑瘤影响较大，积屑瘤高度越高，刀具实际前角增大，使变形系数减小。高速时，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使增大。切削厚度增加，切屑中平均变形减小；反之，薄切屑的变形量大。进给量f增大，切削厚度增加，使变形系数减小,五、影响切削变形的主要因素,1.5.2切削力,金属切削时，刀具切入工件使被切金属层发生变形成为切屑所需要的力称为切削力。,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,F弹、塑,F摩1,F摩2,1.5金属的切削过程,1.5.2切削力,变形力和摩擦力形成了作用在刀具上的合力F。为了便于测量、计算和反映实际作用的需要，常将合力F分解为互相垂直的Fc、Ff和Fp三个分力，如图所示。,切削力Fc（主切削力Fz）：在主运动方向上的分力，它切于加工表面,并与基面垂直。Fc用于计算刀具强度，设计机床零件,确定机床功率等。进给力Ff（进给抗力Fx）：在进给运动方向上的分力，它处于基面内与进给方向平行。Ff用于设计机床进给机构和确定进给功率等。背向力Fp（切深抗力Fy）：在垂直于工作平面上分力，它处于基面内并垂直于进给方向。Fp用来计算工艺系统刚度等。它也是使工件在切削过程中产生振动的力。,工件材料,背吃刀量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,强度、硬度高塑性、韧性高加工硬化倾向大,切削力大,影响切削力的因素,前角0增大，切削力减小,主偏角r对主切削力影响不大，对背向力和进给力影响显著（rFp，Ff）,刀具几何角度影响,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，对背向力和进给力影响显著（sFp，Ff）,刃倾角s的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长增加，摩擦加剧；但刃倾角s增大，使法剖面中刃口圆弧半径减小，刀刃锋利，切削变削小。所以Fc变化很小。,刀具几何角度影响,刀尖圆弧半径r对主切削力影响不大，对背向力和进给力影响显著（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；负倒棱的影响：使切削变形增大，切削力增大后刀面磨损：使切削力增大，对背向力Fp的影响最为显著；,切削热也是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程有多方面影响。切削热传散到工件上，会引起工件的热变形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高温则会恶化已加工表面质量。传散到刀具上的切削热是引起刀具磨损和破损的重要原因。切削热还通过使刀具磨损对切削加工生产率和成本发生影响。,1.5.3切削热和切削温度,切削过程中切削区的变形和摩擦所消耗的能量转化产生的热称为切削热,1.5金属的切削过程,一、切削热的来源与传出,切削热来源,切削过程变形和摩擦所做的功，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Q=QP+Q+Q,式中，QP,Q,Q分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量,加工方法和切削速度不同，由切屑、工件、刀具和周围介质传出的切削热百分比就不同。干车削时，50%86%的切削热由切屑带走，10%40%传入工件，3%9%传入刀具，1%传入周围介质;钻削时约28%的切削热由切屑带走，15%传入钻头，52%传入工件，5%传入周围介质。,二、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。,切削温度一般指切削区域的平均温度。它由切削热的产生与传出的平衡条件决定。切削温度在切屑、工件、刀具上的分布是不均匀的,三、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,通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。通常在车床上利用测温装置求出切削用量对切削温度的影响关系。,切削量对温度影响,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,基本不变,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,三、影响切削温度的因素,前角对切削温度的影响工件材料：45钢刀具材料：高速钢ap=1.5mm，f=0.2mmr-1，c=20mmin-1,51,第一节金属切削的基础知识,刀具角度前角切削力产生热量切削温度散热体积切削温度如图,52,第一节金属切削的基础知识,主偏角r刀屑接触长度散热面积切削温度,主偏角对切削温度的影响ap=2mm，r=20mm,刀具严重磨损，会缩短刀具使用时间、恶化加工表面质量、增加刀具材料损耗、增大切削力、增大切削温度、产生振动。因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和成本的一个重要因素。,1.5.4刀具磨损与刀具耐用度,在切削过程中，刀具在高温高压下与切屑及工件在接触区里产生强烈的摩擦，使锋利的切削部分逐渐磨损而失去正常的切削能力，这种现象称为刀具的磨损。,1.5金属的切削过程,一、刀具磨损形式,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,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产生的磨损。,KT,前、后刀面磨损,后刀面磨损,形式：切削刃及其下方的后刀面上形成的宽度不匀、深浅不一的磨损棱面形成条件：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,形成条件：加工塑性金属，中等切削速度及中等切削厚度形式：月牙洼与刀刃之间的棱边和楔角逐渐减小影响：切削刃强度下降，多数情况下伴随着崩刃的发生,VB,非正常磨损,刀具在切削过程中突然发生损坏或过早损坏的现象。,破损：切削刃或刀面产生裂纹、崩刃或碎裂。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。,硬质点（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削速度下刀具磨损的主要原因,粘结磨损加剧,扩散磨损高温下发生（800-1000）氧化磨损高温情况下（700-800），在切削刃工作边界发生相变磨损-切削温度达到相变温度,二、刀具磨损原因,三、刀具磨损过程和刀具磨钝标准,3个阶段,第一章机械加工基础知识,五、刀具磨损和刀具寿命2.刀具磨损过程,1.3切削过程及控制,硬质合金车刀主后刀面磨损量VB与切削时间之间的关系(磨损曲线),（段）初期磨损阶段在开始切削的短时间内，磨损较快。这是由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的。（段）正常磨损阶段随着切削时间增长，磨损量以较均匀的速度加大。这是由于刀具表面磨平后，接触面增大，压强减小所致。（段）急剧磨损阶段磨损量达到一定数值后，磨损急损加速、继而刀具损坏。这是由于切削时间过长，磨损严重，切削温度剧增，刀具强度，硬度降低所致。,刀具磨损三个阶段,刀具磨损限度,规定一个允许磨损量的最大值,磨钝标准：常取后刀面磨损量的平均值VB,粗加工时，一般将磨钝标准定在正常磨损阶段的后期临近剧烈磨损阶段以前,半精加工与精加工的磨钝标准一般低于粗加工的,在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为：（1）在后刀面B区内均匀磨损VB0.3mm；（2）在后刀面B区内非均匀磨损VBmax0.6mm；（3）月牙洼深度标准：KT0.06+0.3f,(f为mm/r)；（4）精加工时根据需达到的表面粗糙度等级确定。,四、刀具耐用度,刀具耐用度,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。,刀具耐用度T的定义为：刀具由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具的磨钝标准所经过的总切削时间（单位min）。,刀具寿命反映了刀具磨损的快慢程度。刀具寿命是一个具有多种用途的重要参数，如用来确定换刀时间；衡量工件材料切削加工性和刀具材料切削性能优劣；判定刀具几何参数及切削用量的选择是否合理等，都可用它来表示和说明。,式中CT、m、n、p为与工件、刀具材料等有关的常数。,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：,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,切削时间与后刀面磨损之间的关系,双对数坐标中刀具耐用度与切削速度的关系,切削用量切削速度影响最大，背吃刀量影响最小刀具几何角度的影响前角o增大，耐用度提高；前角o太大，耐用度T反而下降主偏角r减小，刀具耐用度T增大。副偏角减小，刀具耐用度T增大。刀尖圆弧半径增大，使平均主偏角r减小，刀具耐用度T增大。,五、刀具耐用度的影响因素,工件材料材料的强度、硬度越高，刀具耐用度T越低。材料的导热系数越小，刀具耐用T降低。刀具材料耐磨性越好，高温硬度高，刀具耐用度高。对于难加工材料、重型切削，大冲击等情况下，刀具磨损以破损为主，韧性越高，抗弯强度越高，耐用度越高。,五、刀具耐用度的影响因素,二、切屑的流向,3.2.1切屑的控制,3.2切削过程基本规律的应用,当s为负值时，切屑向已加工表面流出；当s为正值时，切屑向待加工表面流出；当刃倾角s=0时，切屑垂直于切削刃流出。,三、切屑的卷曲,3.2.1切屑的控制,为使切削过程正常进行和保证已