机械制造技术基础-3切削原理.ppt

1,第3章切削原理,本章要点,切屑的形成过程,切削力及其影响因素,切削热与切削温度,积屑瘤、残余应力和加工硬化,刀具磨损与刀具寿命,切削用量的选择,高速加工技术,2,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,3.1切屑的形成过程ProcessofChipForming,3,3.1.1金属切削过程的变形,没有副刃参加切削，且s=0。,4,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,5,图3-3切屑根部金相照片,3.1.1金属切削过程的变形,6,3.1.1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,7,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。,3.1.1金属切削过程的变形,8,3.1.2切屑类型与变形系数,9,3.1.2切屑类型与变形系数,图3-6切屑形态照片,10,3.1.2切屑类型与变形系数,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）,11,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。,3.1.2切屑类型与变形系数,厚度变形系数,（3-1）,长度变形系数,（3-2）,12,3.1.2切屑类型与变形系数,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）,13,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。,3.1.3切屑与前刀面的摩擦变形,图3-11切屑与前刀面的摩擦,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：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。,14,3.1.4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。,15,3.1.5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：,16,3.1.5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）,17,3.1.6磨削机理,磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为6085）磨粒及切削刃随机分布磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）,18,3.1.6磨削机理,弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有,图3-14磨屑形成过程a）平面示意图b）截面示意图,19,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,3.2切削力CuttingForce,20,3.2.1切削力的来源与分解,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,21,3.2.2切削力经验公式,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。,22,3.2.2切削力经验公式,（3-7）,式中Fc主切削力（N）；v主运动速度（m/s）。,（3-8）,23,3.2.2切削力经验公式,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,24,3.2.3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3-16）,25,4.2.3影响切削力因素,前角0增大，切削力减小（图3-17）,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3-18）,刀具几何角度影响,26,4.2.3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；,27,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,28,3.3.1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,29,3.3.2切削温度及分布,TJUniversity,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。,30,3.3.3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,（3-12）,31,3.3.3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,32,3.3.3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3-22）。,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。,33,3.3.4磨削热与磨削温度,磨削热,磨削区温度砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。磨粒磨削点温度磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。工件平均温度磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。,磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。,34,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,35,3.4.1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,36,3.4.2残余应力,残余应力概念,未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。,残余张应力：易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度残余压应力：有利于提高零件疲劳强度残余应力分布不均：会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度,37,3.4.2残余应力,热塑变形效应：表层张应力，里层压应力里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力实际应力状态是上述各因素影响的综合结果,残余应力产生原因,控制切削过程：尽可能减小残余应力时效处理：最大限度减小残余应力残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法,38,3.4.3加工硬化,加工硬化概念,已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象,加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化,硬化程度,（3-13）,式中H硬化层显微硬度（HV）；H0基体层显微硬度（HV）。,硬化层深度,指硬化层深入基体的距离hd（m）,39,3.4.3加工硬化,减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等进行适当的热处理,40,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,41,3.5.1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,42,3.5.1刀具磨损,非正常磨损,破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）,43,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,3.5.1刀具磨损,刀具磨损原因,44,3.5.2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：,45,3.5.2刀具寿命,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,46,3.5.3刀具寿命确定,式中to、tm、ta、tc分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；T为刀具寿命。令f，ap为常数，有：,使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：,将上式代入式（4-14），对T求导，并令其为0，可得到最大生产率刀具寿命为：,（3-16）,（3-17）,又：,47,（3-18）,式中C0工序成本；Cm机时费；Ct刀具费用；tm，ta，tc，T含义同前。,使工序成本最小的刀具寿命。仍以车削为例，工序成本为：,（3-19）,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为（图3-28）,3.5.3刀具寿命确定,48,规定刀具切削时间，离线检测,3.5.4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,49,3.5.4刀具磨损、破损检测与监控,50,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,51,3.6.1选择切削用量的传统方法,1.确定切削深度ap,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.确定进给量f,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.确定切削速度v,根据规定的刀具耐用度确定切削速度v（计算或查表）,4.校验机床功率(仅对粗加工),（3-20）,式中P机床电机功率（KW）；机床传动效率；Fc主切削力（N）。,由：,，可导出：,52,优化问题的数学模型,求设计变量：X=x1,x2,xnT，使目标函数f(X)min，并满足约束条件：gi(X)0（i=1,2,m）,3.6.2切削用量的优化,设计变量：切削过程可以控制的输入变量，即切削用量。ap通常已由工艺过程确定，故一般取v和f为设计变量。目标函数：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。,1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短,53,2）以最小生产成本为优化目标使工序成本为最小,3）以最大利润为优化目标使单位成本金属去除率最大,3.6.2切削用量的优化,54,约束条件：指设计变量的取值范围,1）机床结构参数限制,2）加工表面粗糙度限制,（3-25）,式中Ra表面粗糙度（m）；r刀尖圆弧半径（mm）。,3）机床功率的限制,（3-26）,式中各符号含义同前。,3.6.2切削用量的优化,55,3.6.3切削用量优化方法,即函数求极值的方法。不能考虑约束条件，只适于处理简单问题。,（3-27）,可利用设置惩罚函数，将约束优化问题转化为无约束优化问题处理。惩罚函数的表达式：,56,寻优过程示意图（采用田川法+局部寻优）,3.6.3切削用量优化方法,57,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,58,1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。,尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000r/min。,3.7.1高速加工概述,高速加工定义,59,3.7.1高速加工概述,60,高速加工的切削速度范围,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-32,车削：700-7000m/min铣削：300-6000m/min钻削：200-1100m/min磨削：50-300m/s,高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同,3.7.1高速加工概述,61,加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义,高速加工的特点,3.7.1高速加工概述,62,航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000m/min汽车工业：,高速加工的应用,3.7.1高速加工概述,63,3.7.1高速加工概述,64,3.7.1高速加工概述,65,3.7.1高速加工概述,66,高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。与高速加工密切相关的技术主要有：高速加工刀具与磨具制造技术；高速主轴单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速加工在线检测与控制技术；其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。,3.7.1高速加工概述,67,3.7.2高速加工刀具,68,金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方式以10928键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。,3.7.2高速加工刀具,69,天然金刚石,天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。天然金刚石耐热性为700-800，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。,3.7.2高速加工刀具,70,聚晶金刚石,人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000。聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。,3.7.2高速加工刀具,71,聚晶金刚石应用实例,3.7.2高速加工刀具,72,较高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。,PCBN切削性能,聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年问世,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）,3.7.2高速加工刀具,73,良好的化学稳定性1200-1300与铁系材料不发生化学反应；2000才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。良好的导热性CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。较低的摩擦系数CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。,3.7.2高速加工刀具,74,加工HRC45以上的硬质材料例如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。,PCBN刀具应用,金属软化效应用PCBN切削淬硬钢，工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图3-38），金属软化，硬度下降，加工易于进行。,3.7.2高速加工刀具,75,PCBN刀具应用实例,3.7.2高速加工刀具,76,3.7.3高速加工机床,陶瓷轴承高速主轴结构,77,采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似；采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4；与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力；陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度；陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失；陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；轴承转速特征值（=轴