《机械制造工程原理》第2章.ppt

第二章金属切削原理,本章主要介绍切削过程中基本规律的四个课题：切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损及刀具寿命。由于切削时产生的变形、力、温度、磨损均会影响加工零件的质量、生产效率、成本，因此本章中较为详细地介绍了它们的成因、对切削过程的作用和影响。由于切削变形是切削过程机理的基础，因此本章重点是：掌握切削变形基础知识，了解切削力、切削温度、刀具磨损对切削的作用，并深入了解切削用量和刀具角度等参数对切削规律的影响及计算方法。,主要内容,2.1金属切削的变形过程2.2切屑的种类及卷屑、断屑机理2.3前刀面上的摩擦与积屑瘤2.4影响切削变形的因素2.5切削力2.6切削热和切削温度2.7刀具磨损、破损和使用寿命2.8切削用量的优化选择2.9刀具几何参数的选择2.10工件材料的切削加工性,2.1金属切削的变形过程2.1.1研究金属切削的变形过程的意义及方法,1.研究金属切削的变形过程的意义金属切削的变形过程是指通过切削运动，使刀具从工件上切除多余的金属形成切屑，从而得到已加工表面的过程。在这一过程将出现的各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损、工件已加工表面质量、以及鳞刺、积屑瘤、卷屑与断屑、强迫振动与自激振动等，这些现象与切削变形过程有关。而对金属切削变形过程的研究，就是要揭示切削变形过程产生各种现象的原因、变化规律、以及与加工质量的关系。因次，研究金属切削的变形过程对促进切削加工技术的发展和进步、保证零件加工质量、降低生产成本和提高生产效率，都具有十分主要的意义。,2.研究金属切削的变形过程的方法,对金属切削变形过程的研究，从单因数试验进入多因数综合试验，从静态观测进入动态观测，从宏观研究进入微观研究。从六十年代末开始利用透射电子显微镜对切屑形态的静态观察，到利用扫描电子显微镜对切屑形成的过程直接进行动态观察。实验方法有：侧面方格变形观察法、高速摄影法、快速落刀法、电子显微镜观察法、X光衍射法、光弹和光塑试验法、声谱和红外分析法等。,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,2.1.2金属切削过程的变形,2.1.3金属切削变形过程的基本特征,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）产生剪切变形并转变为切屑的过程。切屑形成的典型模型：挤压滑移挤裂切离,切削变形实验设备与录像装置,金属切削过程的变形,2.1.4金属切削过程中的三个变形区,1.第一变形区在滑移面附近的区域，产生剪切滑移变形。2.第二变形区在前刀面附近的区域。产生挤压、摩擦变形。3.第三变形区在刃口附近的区域。产生挤压、摩擦变形。,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3-5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。,金属切削过程三个变形区变形,挤压、摩擦变形,剪切滑移变形,挤压、摩擦变形,2.1.5第一变形区的剪切变形（变形系数、剪应变和剪切角）,1.第一变形区的剪切变形剪切变形过程为：弹性变形塑性变形晶粒的滑移（纤维化）剪切滑移变形2.切削变形程度的度量方法1）变形系数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。,切削变形程度的度量方法1）变形系数厚度变形系数hh=hch/hDhchhDh1长度变形系数ll=lc/lchlclchl1当切削层变为切屑后，切削宽度变化很小，根据体积不变原理有：bDhDlc=bchchlchh=l=1,=h=hch/hD=cos（-O）/sin当,变形系数与剪切角的关系,2）剪应变(相对滑移系数),图剪应变(相对滑移系数),主要反映第变形区的变形，还包含了第变形区的影响。,变形系数不等于剪应变。在一般情况下0=030（1.5），变形系数与剪应变成正比。当=1时，hD=hch而并不等于零。切屑仍有变形。当O=-1530时，变形系数为同一数值时，前角O愈小，剪应变愈大。当1.2时，不能用变形系数表示变形程度。,剪应变与变形系数的关系:,图关系,=cos（-O）/sin,=,3）剪切角,剪切角:剪切面与切削速度方向之间的夹角。其大小可表示切削变形的程度。,实践证明：剪切角的大小和切削力的大小有直接关系。对于同一材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，如角较大，剪切面积变小，即变形程度较小，切削比较省力。故：研究哪些因素对剪切角有影响、怎么影响很有必要？,F:切屑形成力，或作用在刀具上的总切削力:摩擦角。tg=：前刀面平均摩擦系数:作用角，合力F与切削速度方向的夹角,Fc:切削运动方向分力,剪切角（1）根据主应力方向与最大剪应力方向成45角原理确定的剪切角切屑形成力F，或作用在刀具上的总切削力的方向即为主应力方向，Fsh的方向为最大剪应力方向，由金属塑性变形理论可知，作用力与最大剪应力的方向的夹角约等于45O，两者之间夹角为+-0，则有：+-0=45即得：=/4+0（李和谢弗（LeeandShaffer）公式）从以上公式中可得出：剪切角与摩擦角有关：剪切角与前角0有关：0,定性分析:上述公式的计算结果和实验结果在定性分析上是一致的，只是在定量上有出入，其原因是在建立切削模型时进行了某些简化所导致。切削刃为假想的绝对锋利；剪切面为假想的一个平面；忽略被加工表面金属内部的杂质及缺陷对切削变形的影响；用简单的平面摩擦来表示切屑与刀具前刀面的摩擦情况。,2.2切屑的种类及卷屑、断屑机理2.2.1切屑的分类及形态,1.切屑的分类1）形态根据局部观察切屑表面是否连续或分离的状态分。2）形状根据整体观察切屑外观形状分。2.切屑的形态1）带状切屑:切屑卷曲呈带状，内表面光滑，外表面呈毛茸状。切削塑性材料，切削厚度较小，切削速度较高，前角较大。其切削过程较平稳，切削力波动较小，表面粗糙度较小。,带状切屑,2）节状切屑（挤裂切屑）:切屑呈节状，外表面局部开裂呈锯齿状，内表面有裂纹。切削塑性材料，切削厚度较大，切削速度较低，前角较小。其切削过程不平稳，切削力有波动，表面粗糙度较大。,单元切屑,3）粒状切屑（单元切削）当整个剪切面上剪应力超过了材料的强度极限，则整个单元被切离。切屑呈颗粒状，形成单元切屑。切削塑性材料，切削厚度较大，切削速度很低，前角较小或负前角，或加工较硬的材料。其切削过程不平稳，切削力波动较大，表面粗糙度较大。,挤裂切屑,4）崩碎切屑切屑呈碎块状。切削铸铁或脆性材料，由于材料塑性小，抗拉强度低，切削层在刀具前刀面的挤压下，未经塑性变形就被挤裂或挤断形成不规则的碎块状。工件材料越硬、越脆，前角越小，切削厚度越大，越易产生崩碎切屑。,崩碎切屑,2.2.2切屑的形状及卷屑、断屑机理,一.断屑原因与屑形原因:1)切屑在流出过程中受阻碍物相碰,使切屑弯曲后产生的弯曲应力超过材料强度极限而折断;2)切屑流出过程中靠自身重量而摔断;,图4-1呈带状流出的切屑,2.卷屑机理1）自然卷屑利用前刀面上形成的积屑瘤使切屑自然卷曲。2）卷屑槽卷屑强迫卷屑,在前刀面上磨出适当的卷屑槽或安装附加的卷屑台,当切屑流经前刀面时,与卷屑槽或卷屑台相碰而使它卷曲。常用卷屑槽形式：直线形、直线圆弧形、圆弧形卷屑槽3.断屑机理1）使卷曲后的切屑与工件相碰，使切屑根部的拉应力越来越大，最终导致切屑完全折断。一般得到C形屑，发条状或宝塔切屑2）使卷曲后的切屑与后刀面相碰，使切屑根部的拉应力越来越大，最终导致切屑完全折断。形成C形屑3）切屑流出过程中靠自身重量而摔断,与工件相碰后，在此处部位拉应力越来越大，最终导致切屑完全折断,与后刀面相碰后，在此处部位拉应力越来越大，最终导致切屑完全折断,图4-2切屑受撞击折断的几种形式a）切屑与工件待加工表面撞击b）切屑与工件切削表面撞击c）切屑与车刀后面撞击d）切屑卷曲流出后甩断,图4-3断屑槽断屑及其参数,图4-4断屑槽形式a）折线型b）直线圆弧型c）全圆弧型,图4-5国产刀片断屑槽的断屑切削用量范围,图4-6Sandvik刀片断屑槽的断屑切削用量范围,2.3前刀面上的摩擦与积屑瘤,2.3.1前刀面上的摩擦1、为什么要研究前刀面的摩擦？2、特点: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。,前刀面上的摩擦,2.3.1前刀面上的摩擦1.前刀面上的摩擦形式1）峰点型接触（外摩擦形式）实际接触面积Ar只是名义接触面积Aa的一小部分。ArAaAr=Frn/s2）紧密型接触（内摩擦形式）实际接触面积Ar接近于名义接触面积AaAr=Aa,特点1：实际接触面积Ar只是名义接触面积Aa的一小部分。,Frn,Ar=Frn/sFrn：两接触面的载荷（法向力）。s：峰点材料的压缩屈服极限,特点2：摩擦力符合古典摩擦法则。即：f=Frnf=sAr=f/Frn=sAr/Frn=s/s=常数。s：冷焊结抗剪强度。s：峰点材料的压缩屈服极限,古典摩擦力（峰点型接触）作用原理两种观点：（1）凹凸学说（2）冷结学说：接触点发生冷结现象，相对滑动时必须将冷结点金属剪切。,图：峰点型接触示意图,fFrn且常数,2.前刀面上的摩擦力及峰点的冷焊,粘结区（紧密型接触的内摩擦区）：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OA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,滑动区（外摩擦区）：AB段，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。,摩擦力(冷焊结破坏时的抗剪力)冷结学说内摩擦区摩擦力（OA）：Fr=sAr+PsAa外摩擦区摩擦力（AB）：Fr=sAr,3.摩擦系数1）峰点型接触时的摩擦系数11=Fr/Frn=sAr/Frn=s/s（其中Ar=Frn/s）2）紧密型接触时的摩擦系数22=Fr/Frn=sAa/Frn=s/（x）（其中Aa=Frn/（x）,4.前刀面上的摩擦特点（1）在前刀面上的前区OA段为紧密型接触的摩擦形式，摩擦系数为：OA=s/（x）它是一个变量，不服从古典摩擦法则。其摩擦力约占总摩擦力85%。,而在前刀面上的后区AB段为峰点型接触的摩擦形式，摩擦系数为AB=s/s，它是一个常数，服从古典摩擦法则。（2）摩擦系数：OA段逐渐增大，到A点增大到最大，且为常数,刀屑界面上的法应力和剪应力的分布,4.影响前刀面摩擦系数的主要因素,1）工件材料S2）切削厚度acs3）刀具前角0s4）切削速度VC30m/min：VCVC30m/min：VC,2.3.2积屑瘤的形成及对切削过程的影响,1.积屑瘤现象及其产生条件当切削塑性材料，切削速度在中低速，易形成带状切屑的情况下产生积屑瘤。取决于切削温度的高低。2.积屑瘤的成因滞流不流成刀瘤。刀-屑之间为紧密型接触的摩擦形式。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，产生加工硬化积屑瘤的生长过程：滞留粘接长大产生、增长、脱落、再产生、再增长、再脱落、。,1)积屑瘤包围着切削刃，可代替切削刃进行切削，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，增大切削厚度。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。5）加剧刀具磨损,3.积屑瘤对切削过程的影响,积屑瘤高度,Pr,4.积屑瘤与切削速度的关系,低速没有积屑瘤,高速没有积屑瘤,5.抑制积屑瘤的措施1)采用低速或高速切削2)减小进给量,增大刀具前角,提高刀具刃磨质量和合理选用切削液,使摩擦和粘结减少.3)合理调整个切削参数值,以防止形成中温区域.,2.4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,工件材料对切屑变形的影响S,刀具前角的影响0,切削厚度对切屑变形的影响hD,2.5切削力,2.5.1切削力的来源1.来之3个变形区产生的弹、塑性变形抗力2.来之刀具、切屑和工件表面间的摩擦阻力2.5.2切削合力、分力和切削功率1.切削合力与分力1）主切削力FC在主运动方向上的分力2）切深抗力FP在基面内，并与进给方向相垂直3）进给抗力Ff在基面内，并与进给方向相平行2.切削功率：消耗在切削过程中的功率。Pc=FcVc10-3(kw)机床电动机功率Pc/mm:机床传动效率，一般取0.750.85,FP=（0.150.7）FcFP=（0.10.6）Fc,Kr,2.5.3切削力的理论公式,根据材料力学的有关理论，以直角自由切削方式为模型，略去刀具后刀面上的切削力。FCFcos（0）hDbDcos（0）sincos（0）FCShDbD（1.4C）SfaP（1.4C）影响切削力的主要因素有：工件材料S、切削用量faP、刀具前角0,图单向电阻式测力仪的工作原理,2.5.4切削力的经验公式,切削力的经验公式是利用测力仪测得的切削力数据，经图解法、线性回归法进行处理后所得到的。,切削力的经验公式可分为指数公式和单位切削力公式。1.切削力的指数公式是以切削深度ap和进给量f为变量的幂函数，其形式如下：FC=CFcaPxFcfyFcVnFcKFCFp=CFpaPxFpfyFpVnFpKFPFf=CFfaPxFffyFfVnFfKFf单因素实验法是固定其它因素不变，只改变一个因素，分别测出FC，Fp，Ff后，进行数据处理而得到切削力的经验公式。,式中：FC主切削力Fp切深抗力Ff进给抗力CFc、CFp、CFf决定于被加工材料和切削条件的系数；xFc、yFc、nFc、xFp、yFp、nFp、xFf、yFf、nFf分别为三个分力公式中aP、f、V的指数KFC、KFP、KFf当实际加工条件与所求得的经验公式的条件不符合时，各种因素对切削力的修正系数的积（各指数和系数可查阅“金属切削手册”）,2.单位切削力公式目前国内外许多资料利用单位切削力Kc来计算切削力Fc和切削功率P,也是一个较简单的办法。定义：是指单位切削面积上的主切削力。单位：N/mm2即切削力与切削层面积之比。KC=FC/AD=FC/aPfFC=KCaPf(注：手册中的Kc没考虑V的影响)实际利用Kc计算Fc的计算公式为：FC=KCaPfVnFcKFCKFC当实际加工条件与所求得的经验公式的条件不符合时，各种因素对切削力的修正系数的积，可查阅“金属切削手册”,硬质合金车刀外圆纵车、横车，镗孔时公式中系数Cf，指数xf、yf、nf和单位切削力Kc值,切削条件：硬质合金车刀0=10o、Kr=45o、s=0o、b=0、r=2mm、VB=0,外圆纵车、横车及镗孔,外圆纵车kr=0,外圆纵车、横车及镗孔,外圆纵车kr=0,切槽及切断,切削条件：硬质合金车刀0=10o、Kr=45o、s=0o、b=0、r=2mm、VB=0,进给量f,加工结构钢和铸铁时工件材料对切削力影响的修正系数,加工结构钢和铸铁时前角对切削力影响的修正系数,加工结构钢和铸铁时主偏角对切削力影响的修正系数,加工结构钢和铸铁时刃倾角s对切削力影响的修正系数,例题：用硬质合金P10(YT15)车刀外圆纵车车削热轧钢45钢(b=650Mpa),车刀几何角度为O=15O、Kr=75O、Kr=10o、s=0o，选用切削用量ap=2mm、f=0.3mm/r、Vc=100m/min。试计算切削力Fc与切削功率Pc解法1：Fc=CFcaPxFcfyFcVnFcKFc由表中查得：CFc=2795xFc=1yFc=0.75nFc=-0.15KOFc=0.95KkrFc=0.92Fc=279520.30.75(1/1000.15)0.950.92N=991NPc=FcVc10-3=991(100/60)10-3KW=1.65KW解法2：查手册Kc=3777FC=KCaPfVcnFcKFC=377720.3(1/1000.15)0.950.92N=992N切削功率Pc=FcVc10-3(kw)=991100/6010-3=1.65kw,2.5.5影响切削力的因素,1.工件材料主要是通过工件材料的物理机械性能影响切削力。工件材料的强度和硬度越高，其屈服强度越高，使剪切面上的剪应力S增大，导致塑性变形的抗力增大，从而使切削力增大。（虽然变形系数略有减少）工件材料的塑性和韧性对切削力也有一定的影响。当强度和硬度相近的材料，其塑性和韧性越大，切削变形越大，切削力也越大。,2.切削用量的影响,1）切削深度和进给量的影响切削深度ap和进给量f决定了切削面积的大小。AD=hDbD=apf因此切削深度ap和进给量f的增大都会导致切削力增大。但两者的影响程度不同。切削深度ap对变形系数没有影响，而进给量f增大时，变形系数有所下降。从切削力的经验公式中也能反映出切削深度ap与进给量f对切削力的影响程度。FC=CFcaP1f0.84因此，切削深度ap对切削力的影响要比进给量f的影响大。,图3-10背吃刀量ap和进给量f对切削力的影响,由ap-f形成的切削面积形状,ap的影响:apFC切削厚度未变f的影响:fFCf切削厚度FC,2）切削速度的影响切削速度对切削力的影响主要是受到积屑瘤的生成和切削温度的高低所致。当切削塑性材料并生成积屑瘤时（中、低速时），随着切削速度从小到大，积屑瘤由产生，增大到消失，从而使刀具的前角由增大到减小，导致切削力从减小到增大。,图切削速度对积屑瘤、切削力的影响加工条件：工件45钢、硬质合金刀具、ap=4.5mm、f=0.67mm/r,切削速度对切削力的影响,VCHb0FCVCHb0FCVCSFC3.刀具几何参数的影响1）前角0的影响0FC2）主偏角r的影响主偏角r对FP影响较大，对Fc和Ff影响较小3）刀尖圆弧半径r的影响刀尖圆弧半径r对FP和Ff影响较大，对Fc影响较小。刀尖圆弧半径r增大，使主偏角r减小。rrFc、FP、Ff,主偏角r对FP和Ff影响较大，对Fc影响较小。FP=FDcosr；Ff=FDsinr；hD=fsinrrFc、FP、Ff；rhD当r75O时，刀尖圆弧刃参加工作长度增加，Fc,r,4）刃倾角S的影响刃倾角S的变化将改变切削合力的方向，从而影响各切削分力的大小。刃倾角S对主切削力Fc的影响很小，对切深抗力FP影响最大。SFP，Ff5）负倒棱的影响为提高刀具刃口区的强度（硬质合金刀具），常在靠近刀刃前刀面上一定宽度的负倒棱（01=030）。虽然提高了刀具的使用寿命，但降低了刀刃的锋利程度，使切削变形增大，导致切削力增大。负倒棱是通过它的宽度b对进给量f的比值（b/f）来影响切削力的。当b/f增大时，Fc、FP、Ff都将增大。其中对Ff影响最大，FP次之，Fc最小。b/fFf，FP，Fc,b/fFf，FP，Fc,4.刀具磨损的影响,主要反映为后刀面磨损对切削力的影响。当刀具的后刀面磨损后，则形成一个后角为零、高度为一定宽度（VB值）的小棱面，使作用在后刀面上的法应力FN和摩擦力F增大，从而导致切削力增大。VBFN，FFc、FP、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；,2.6切削热和切削温度,2.6.1切削热的产生与传出1.切削热的产生在切削变形过程中的三个变形区形成了三个发热区，由这三个变形区内产生的变形功和摩擦功几乎全部转变成切削热。2.切削热的传出1）通过工件传出2）通过切屑传出3）通过刀具传出4）通过周围介质传出车削外圆时：50%85%热量由切屑带走，10%40%由车刀传出，4%9%传给工件，1%由空气带走。（无冷却液）钻削时：25%30%由切屑带走，15%20%由钻头传出，50%传给工件，5%由周围介质传出。磨削时：10%由磨屑带走，5%由砂轮传出，80%传给工件，5%由周围介质传出。,图3-14热电偶法测温简图a）自然热电偶法b）人工热电偶法1-顶尖2-铜塞3-主轴4-切屑5-绝缘层6-工件7-刀具,2.6.2刀具上切削温度的分布规律,1.切削温度的测量方法自然热电偶法，人工热电偶法，辐射测温法。,切削温度的经验公式,切削温度的实验公式是由标准切削实验得来的。实验条件如下：C620-1改装无级调速车床，工件与刀片材料切削对为YT1545钢，切削速度vc=60m/min200m/min，进给量f=0.4mm/r0.6mm/r，背吃刀量ap=0.5mm3.0mm。,2.刀具上切削温度的分布由于刀具上各点与三个变形区的距离各不相同，三个变形区产生的热量也不相同，因此刀具上不同点处所获得的热量和传出的热量也不会相同。结果导致各刀面上的温度分布不均匀。利用人工热电偶法测得温度，并通过热力学得公式推算出刀具、切屑和工件上切削温度的分布情况。切削塑性材料时，最高切削温度是在距刀尖一定距离的前刀面上。切削脆性材料时，最高切削温度是在距刀尖一定距离的后刀面上。,2.6.3影响切削温度的因素,1.切削用量的影响1）切削速度的影响切削速度对切削温度的影响十分显著。切削速度提高时，单位时间内的金属切除率将增多，消耗的变形功和摩擦功增多，转变的切削热增加，从而导致切削温度上升。由于提高切削速度会使切削变形降低，单位切削力和单位切削功率有所下降，切削热有所降低，导致切削温度的变化与切削速度不成正比例关系。VCZWPCVCSVc=CvVC0.260.41,2）进给量的影响增大进给量f，使切削厚度hD增大，金属切除率增加，消耗的变形功增大，导致切削热增加，使切削温度上升。fhDZWPC此外：fhDf=Cff0.143）切削深度的影响由于切削深度增大后，使切削刃参加切削的工作长度增大了，散热条件得到了改善，从刀具上传出的热量增多，因此对切削温度的影响较小。ap=Capap0.04,2.刀具几何参数的影响,1）前角的影响0FC但018-25o后:0楔角散热体积减少温度减少不明显2）主偏角的影响r切削刃工作接触长度3）负倒棱的影响bb热容量Q传影响很小，可忽略。4）刀尖圆弧半径的影响当r=01.5时，不影响切削温度。rr热容量Q传,3.刀具磨损的影响刀具磨损后，刀刃变钝，使切削变形和摩擦增大，导致切削温度升高。VBFrNFcVB摩擦力4.工件材料的影响工件材料的强度、硬度、塑性以及导热性等因素的影响(1)强度、硬度FQ工件导热系数直接影响切削热的导出（2）合金钢强度、硬度、导热系数45#合金钢45#(3)切削脆性金属FrNF,刀具失效的形式分为刀具磨损和刀具破损。刀具磨损为正常磨损，而刀具破损为非正常磨损。刀具磨损的特点是：刀具前刀面和后刀面的接触压力大，温度高，摩擦力大，存在机械、热、和化学的综合作用。研究刀具的磨损和破损的机理及规律，对正确设计和合理使用刀具，对提高生产率和保证加工质量，对合理选择切削用量都具有重要的意义。2.7.1刀具磨损的形态刀具磨损是指刀具在正常的切削过程中，由于物理的和化学的作用，使刀具原有的几何形状遭到破坏，导致刀具的切削性能逐渐下降，最后完全丧失切削能力。刀具磨损的形态可分为三种：前刀面磨损、后刀面磨损和前后刀面同时磨损,2.7刀具磨损、破损和使用寿命,1.前刀面磨损（月牙洼磨损）,当切削速度较高、切削厚度较大的情况下加工塑性材料时，因切屑底层与刀具前刀面在高温和高压的条件下产生剧烈摩擦，使刀具前刀面距切削刃一定距离处磨出一个月牙洼形状的凹坑。即为前刀面磨损。随着刀具使用时间的推移，使月牙洼的深度和宽度逐渐增大，导致切削刃的强度降低，直至出现崩刃现象。月牙洼的磨损量以其KT表示。在前刀面上形成月牙洼后，将使刀具的工作前角增大。适当减小进给量f（f），充分的冷却和润滑，选择耐磨性和耐热性较高的刀具材料，都能减少月牙洼的磨损深度。,前刀面磨损（月牙洼磨损）,影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量,2.后刀面磨损当切削速度较低、切削厚度较小的情况下，加工塑性材料以及加工脆性材料时，由于切屑底层与刀具前刀面的摩擦较小，一般不易产生月牙洼磨损，而是在后刀面上靠近切削刃的地方磨出一个后角为零的小棱面。即为后刀面磨损。后刀面的磨损是不均匀的。根据切削刃的工作长度可将后刀面磨损带分为三个区域。C区靠近刀尖部分。以VC表示最大磨损宽度。B区切削刃的中间部分。以VB表示平均磨损宽度。N区切削刃靠近工件已加工表面。以VN表示最大磨损宽度。在C区由于强度和散热条件较差而导致磨损剧烈。在B区磨损较均匀。在N区由于加工硬化层或毛坯表面硬层的影响导致较大的磨损。,后刀面磨损,3.前后刀面同时磨损在切削塑性材料时，往往会发生前后刀面同时磨损现象。刀具的磨损形态，是随着切削条件改变而转化。在大多数切削条件下都会出现后刀面磨损，而后刀面磨损将直接影响工件加工表面质量的好坏。因此常以VB值来表示刀具的磨损程度。,2.7.2刀具磨损机理,为了减小和控制刀具的磨损，必须了解和研究刀具磨损的原因和机理。刀具磨损具有以下特点：刀具与切屑和工件之间的接触表面为新鲜表面。接触表面压力大，接触变形大。接触表面温度高，500800。刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果。1.磨粒磨损（磨料磨损、耕犁磨损、擦伤磨损）主要是由于工件材料中的微小硬质点（碳化物、氮化物、氧化物）以及积屑瘤的碎片在切削过程中，不断对刀具的前后刀面擦伤并刻划出沟纹，产生磨粒磨损。工件材料中的硬质点越多，材质越不均匀，刀具与工件的硬度比越低，刀具刀面的粗糙度越差，这种磨损就越严重。磨粒磨损是中低速切削时刀具磨损的主要原因。如拉刀、铰刀和丝锥等。,2.冷焊磨损（粘结磨损）切削塑性材料时，在高温和高压的条件下，刀具与工件材料粘结（冷焊）在一起，由于摩擦副的相对运动导致冷焊结破碎，使刀具材料受剪切而被工件（切屑）带走，从而产生冷焊磨损。影响冷焊磨损的主要因素有：刀具与工件材料之间的亲合力大小，刀具与工件接触面之间的温度和压力的高低高速钢刀具在中等切削速度下，硬质合金刀具在中等偏低切削速度下都易产生冷焊磨损。3.扩散磨损切削金属材料时，工件与刀具材料在接触过程中，在高温的作用下，使摩擦表面双方的化学元素在固态下相互扩散，从而改变了各自材料的化学成分和结构，使刀具表面材料变脆而加剧了刀具的磨损。,如用硬质合金刀具切削钢件时，当切削温度达到800时，硬质合金中的钴元素扩散到工件材料中，碳化钨WC被分解为W和C后扩散到切屑和工件表面，使刀具出现脱碳、脱钨现象。而钴的减少会使硬质相的粘结强度降低。同时工件中的铁和碳则扩散到硬质合金中，形成低硬度、高脆性的复合碳化物。最终导致刀具的强度和硬度下降。扩散磨损常与磨粒磨损、冷焊磨损同时产生。影响扩散磨损的因素有：切削温度、刀具的耐热性、刀具材料的化学成分等。4.氧化磨损（化学磨损）当切削温度达到700800时，空气中的氧在切屑形成的高温区内与刀具材料中的某些成分（Co、WC、TiC）发生氧化作用，产生较软的氧化物（Co3O4、CoO、WO3、TiO2），这些氧化物被切屑或工件擦伤而形成氧化磨损。使造成刀具边界磨损的作用原因之一。,5.热电磨损由于工件和刀具的材料不同，切削时在切削区内将一定的热电势。这种热电势有促进工件和刀具表面材料元素扩散的作用，从而加剧了刀具的磨损。这种在热电势作用下产生的扩散磨损称为热电磨损。6.相变磨损当切削温度达到或超过刀具材料金相组织变化临界点时，使刀具表层材料产生金相组织变化，导致刀具表面的硬度和耐磨性降低，造成刀具的磨损。合金工具钢、高速工具钢在高速切削时易出现此类磨损。,当切削温度达到700800时，空气中的氧在切屑形成的高温区内与刀具材料中的某些成分（Co、WC、TiC）发生氧化作用，产生较软的氧化物,2.7.3刀具磨损过程及其磨钝标准,1.刀具磨损过程以切削时间和后刀面磨损量两个参数为坐标绘制磨损曲线图，将刀具磨损过程分为三个阶段。1）初期磨损阶段这一阶段由于新刃磨的刀面存在粗糙不平等表面缺陷，后刀面与工件之间为峰点型接触，刀面与工件之间的接触面积较小，压强较大，刀具与工件之间的接触变形大，因此在极短的时间内磨损很快。初期磨损量的大小取决于刀具刀面的刃磨质量的好坏。,2）正常磨损阶段这是一个较长时间内的缓慢磨损阶段。刀具经初期磨损后，后刀面上磨出一个狭长的小棱面，其粗糙的表面逐渐磨平，刀面与工件之间的接触面积逐渐增大，压强减小，因此在较长的时间内磨损量均匀地缓慢地增加。正常磨损阶段是刀具工作地有效阶段。3）剧烈磨损阶段当刀具磨损量达到一定值时，切削刃钝化加剧，使切削力增大，切削温度增高，从而导致刀具的切削性能急剧下降，刀具的磨损发生了质的变化而进入剧烈磨损阶段。当刀具进入此阶段后继续使用，会导致刀具出现破损而无法刃磨。因此刀具在进入剧烈磨损阶段之前就必须刃磨或换刀。,2.刀具的磨钝标准,刀具的磨钝标准：根据不同的加工情况规定刀具应具有的一个最大允许磨损值。国际标准规定以切削深度的1/2处所测得的刀具后刀面磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。（我国的旧标准是以刀具后刀面磨损带中间部分的平均磨损量VB作为刀具的磨钝标准。）,制订刀具磨钝标准时应考虑以下因素,工艺系统刚性工艺系统刚性较差时，应选择较小的VB值，以减小径向力。工件材料切削难加工材料时，应选择较小的VB值，以减小切削温度。工件的加工精度和表面质量工件的加工精度和表面质量要求较高时，应选择较小的VB值。加工条件精加工时，应选择较小的VB值。自动化生产时，要根据工件的加工精度来制订刀具磨钝标准。工件尺寸加工大型工件时，为避免频繁换刀，应选择较大的VB值。,2.7.4刀具使用寿命及其经验公式,1.刀具使用寿命（刀具耐用度）刀具使用寿命：刃磨好的刀具从开始参加切削直到刀具磨损量达到规定的磨钝标准为止的纯切削时间。用T表示。以分钟为单位。也可以用被加工零件的数量或用相应的切削路程来定义刀具使用寿命。刀具使用寿命是刀具使用过程中的作用数据。在同样的切削条件下，用不同材料的刀具切削相同材料的工件，以刀具使用寿命来比较不同刀具材料的切削性能；也可以用相同材料的刀具切削不同材料的工件，以刀具使用寿命来比较不同工件材料的切削加工性能；也可以用刀具使用寿命来判断刀具几何参数是否合理。工件和刀具的材料对刀具使用寿命的影响最大，其次为切削用量和刀具几何参数。,2.切削速度与刀具使用寿命的关系,选定磨钝标准后，固定其它因素不变，只改变切削速度做刀具的磨损实验，得出各切削速度下得刀具使用寿命。然后求出泰勒公式：VC=ATm(1)A:与刀具材料、工件材料、切削条件有关的系数。指数m的大小反映了刀具使用寿命对切削速度变化得敏感性。（m=tg）m值越小，直线越平坦，表明刀具使用寿命对切削速度的影响越大，说明刀具的切削性能越差。指数m由切削实验求出，如在车削碳钢和灰铸铁时m值为：高速钢车刀：m=0.11硬质合金焊接车刀：m=0.2硬质合金可转位车刀：m=0.25-0.3陶瓷刀具：m=0.4由（1）可知：当用硬质合金可转位车刀加工45#钢，当Vc=100m/min时，T=60min。而Vc=150m/min时，T=12min,3.进给量和切削深度与刀具使用寿命的关系用上述方法分别改变进给量或切削深度，同样可以求得f-T和ap-T关系式。即：f=BTn；ap=CTp综合以上三个公式，可以得到刀具使用寿命的三因素公式：T=Ct（VC1/map1/pf1/n）（广义泰勒公式）或：VC=Ct（Tmapm/pfm/n）实际使用时公式的形式：KVT:各主要因素对切削速度Vc的修正系数,Vc计算公式中的系数、指数值,加工材料修正系数KMV,主偏角修正系数KKrV,刀具材料修正系数KrV,例题：用P10（YT15）车刀纵车45钢外圆，材料的抗拉强度为b=0.637GPa，选用的切削用量ap=3mm、f=0.35mm/r、使用车刀几何角度为o=10o、o=8o、Kr=75o求：1）刀具耐用度T=60min时，V60应为多少？2）刀具耐用度T=15min时，V15应为多少？解：根据公式：查表,又如：用硬质合金外圆车刀切削b=750MPa的碳钢，当f0.75mm/r时，经验公式为：T=CT（VC5f2.25ap0.75）由上式可知，1/m1/n1/p。因此表明影响刀具使用寿命的三项因素中，切削速度影响最大，其次是进给量，切削深度影响最小。所以选择切削用量的顺序是：首先尽量选择较大的切削深度，然后根据加工条件和加工要求选择允许的最大的进给量，最后再根据刀具使用寿命或机床功率允许范围选择最大的切削速度。,2.7.5刀具合理使用寿命的选择,由于刀具使用寿命与生产率、生产成本和加工利润率密切相关。所以在选择刀具使用寿命时应从三个方面来考虑。即以生产率最高、生产成本最低和生产利润率最大为目标来合理选择刀具使用寿命。1.保证生产率最高的刀具使用寿命tw=kTm+ktctTm1+totVcp=ATpm2.保证生产成本最低的刀具使用寿命Vcc=ATcm3.保证生产利润率最大的刀具使用寿命单件工序的利润率:Pr=（S-C）/twS:单件工序所收的费用;C:单件工序的加工成本;tw:单件工序工时把C、tw代入得：TpTprTcVcpVcprVcc,切削时间,换刀时间,工序时间,辅助时间,完成一个工序所需要时间tw:tw=tm+tc+tottm:切削时间(机动时间)tc:工序换刀时间tot:辅助时间(如:装卸,测量时间)Vc=A/Tm,=KTm,令换刀一次所需要时间为:tct则:换刀时间tc=tct(tm/T)=tct(KTm/T)=KtctTm-1,tw=kTm+ktctTm-1+tot,tw=kTm+ktctTm-1+tot,dtw/dT=mkTm-1+(m-1)ktctTm-2=0,Tp:刀具最大生产率使用寿命tct:换刀一次所需要时间Vcp:与TP相对应的最大生产率切削速度,图1-1切削层和车外圆切削时间的计算,h:加工余量,切削成本,换刀成本刃磨刀具消耗费用,辅助时间消耗费用,工序成本,M:该工序单位时间内的机床折旧费及所分担的全厂开支Ct:刃磨一次刀具消耗的费用,制定刀具寿命实例：1）对制造刃磨容易、成本较低的刀具寿命低些，如高速钢、刨刀，镗刀60min、硬质合金焊接车刀30-60min；高速钢钻头80-120min2）制造较复杂的刀具，刀具寿命高些，如硬质合金面铣刀120-180min；齿轮刀具200-300min；3）换刀时间短，自动化程度高，刀具寿命低些，如可转位车刀，陶瓷车刀15-45min；数控刀具15-30min。4）装刀，换刀和对刀较复杂的刀具，其寿命高些，如仿形车刀具120-180min、组合钻床高速钢钻头200-300min、多轴铣床硬质合金面铣刀400-800min。5）为使整机、整条自动线连续工作，尽可能在停工或换班时调整刀具，故刀具寿命应按班次时间制定，例如：组合机床、自动生产线等刀具寿命按半班次，一班次时间来制定。6）立方氮化錋车刀120-150min，金刚石车刀600-1200min,2.7.6刀具破损,1.刀具破损的主要形式1）塑性破损刀具的塑性变形和切削刃的卷曲。以合金工具钢和高速工具钢刀具为主。表现为切削刃的卷曲或刀尖的塑性变形。2）脆性破损以硬质合金和超硬材料刀具为主。切削刃微崩；切削刃或刀尖的崩碎；刀片或刀具折断；刀具表面剥落；刀片的热裂；切削刃或刀尖的塑性变形等。,2.刀具破损的防止1）合理选择刀具材料如：断续切削刀具，必须具有较高的冲击韧度，热疲劳抗力。2）合理选择刀具几何参数增加刀刃强度。3）合理选择切削用量硬质合金较脆，避免切削速度较低时切削力过大而崩刃，也要防止速度高，产生热裂纹。4）保证工艺系统有较好的刚性以减少振动5）保证刀具的制造质量及合理操作,塑性变形,热裂,切削因热、疲劳而产生的一种热裂纹,切削刃崩碎,剥落,第三章金属切削过程的基本规律,在前后刀面上剥下的一层碎片。常见陶瓷刀具,规定刀具切削时间，离线检测,2.7.7刀具磨损、破损检测与监控,通过切削力（切削功率）变化幅值，判断刀具的磨损程度；当切削力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”,切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍,刀具磨损、破损检测与监控,2.8切削用量的优化选择,2.8.1优化选择切削用量的原则1.优化选择切削用量的意义及其原则切削用量的优化选择，关系到合理使用机床和刀具，充分发挥各自的性能和功能，对保证工件的加工质量，提高生产率，降低生产成本都具有重要的意义。刀具使用寿命与切削用量、生产率和生产成本密切相关。优化选择切削用量就是选择切削用量三要素的最佳组合。而寻求切削用量的最佳组合还需要一些附加条件。当刀具使用寿命一定时，有保证生产率最高的切削用量优选原则；有保证生产成本最低的切削用量优选原则；有保证加工利润率最大的切削用量优选原则。,2.生产率的概念,切削加工生产率可以用某工序单位时间内加工的工件数量W表示：W=1/tm=（1000Vcfap）/（lwdw）其中：A0=1000/lwdw为常数项则有：W=A0Vcfap也可以用金属切除率Zw表示生产率（当VavVc）Zw=1000apfVav1000apfVc从以上两个公式中都表明了切削用量三要素与生产率保持线性关系。即提高切削速度、增大进给量和切削深度都能提高生产率。由于受到保持刀具合理使用寿命不变条件的限制，因此，优化选择切削用量就成为如何选择切削用量三要素最佳组合的问题。,3.切削用量与生产率的关系,切削用量与刀具使用寿命的关系为：T=Ct（VC1/mf1/nap1/p）广义泰勒公式或：VC=Ct（Tmfm/napm/p）为保持刀具的合理使用寿命不变，在增大切削深度或进给量时，必须要相应地降低切削速度。在保证刀具使用寿命一定的条件下，为提高生产率，合理选择切削用量的基本原则是：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：首先根据加工的性质选择尽可能大的切削深度，然后根据机床功率和刚度允许的条件下，并同时满足工件已加工表面粗糙度要求的前提下选择尽可能大的进给量，最后再根据公式VC=Ct（Tmfm/napm/p）计算出最佳的切削速度。,2.8.2切削用量三要素的选定(步骤及顺序),1.切削深度的选定(先确定)选择合理的切削深度必须考虑加工的性质。即考虑粗加工、半精加工和精加工三种情况。即：尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分2次走刀，第一次走刀的切削深度取单边余量的2/33/4。2.进给量的选定（其次）选择合理的进给量要考虑机床的有效功率、机床进给机构的强度、工艺系统的刚度、工件已加工表面粗糙度的要求等因素。粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表）精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）,3.切削速度的选定（最后）当切削深度和进给量选定后，再根据公式计算法或查表法选定出合理的切削速度。,式中P机床电机功率（KW）；机床传动效率；Fc主切削力（N）。,由：,4.校验机床功率(仅对粗加工),，可导出：,（3-20）,2.9刀具几何参数的选择,刀具的合理几何参数：在保证工件加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长，生产效率高