金属切削的基础知识课件

第二章金属切削的基本知识,一、切削运动切削运动是指在切削过程中刀具与工件之间的相对运动，它包括主运动和进给运动。1.主运动：是指机床或人力提供的主要运动，它是把工件上多余金属层切下来的基本运动，是切下切屑最基本的运动。在切削运动中，主运动的速度最高，消耗的功率也最大。2.进给运动：是指由机床或人力提供的运动，使金属层不断投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。由于金属切削加工方式的不同，这两种运动的表现形式也不相同。如下图所示为几种主要切削加工的运动形式。,第一节切削运动与切削要素,第一节切削运动和切削要素,切削运动实例,第一节切削运动和切削要素,几点说明：1）主运动通常只有一个，进给运动可以是个；2）主运动和进给运动可有刀具单独实现，但工件单独实现很困难；3）切削运动一般都是简单的运动；4）主运动和进给运动可同时也可交替进行；5）一般主运动速度比较高，大部分切削功率消耗于主运动。,第一节切削运动和切削要素,待加工表面需要切去金属的表面。已加工表面切削后得到的表面。过渡表面正在被切削的表面。过渡表面亦称为切削表面或加工表面。,二、切削要素切削要素包括切削用量和切削层横截面要素。1.切削用量切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量三个要素。（1）切削速度vc：在单位时间内，刀具(或工件)沿主运动方向的相对位移的瞬时速度,单位是m/s。旋转运动：往复运动：,c,（2）进给量f：主运动在每行程(或每转)内,工件与刀具之间沿进给运动方向的相对位移量,单位mm/r。,刀具移动的速度vf与进给量f的关系:vf=fn/60(mm/s)其中：fmm/rnr/min,（3）背吃刀量(吃刀深度)ap：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度。加工表面与已加工表面的垂直距离。,返回,车削、镗孔、扩孔、铰孔:ap=(dw-dm)/2dw-待加工表面直径dm-已加工表面直径钻削：ap=dm/2dm-已加工表面直径,选择切削用量的基本顺序是：首先，尽量选择较大的背吃刀量；其次，在工艺装备和技术条件允许的情况下选择最大的进给量；最后，再根据刀具耐用度确定合理的切削速度。选择原则：,机床进给系统功率和刚度、刀具和工件所能承受的切削力的限制、表面粗糙度,主要考虑工件表面粗糙度,2.切削层横截面要素切削层是指刀具与工件相对移动一个进给量时，相邻两个过渡表面之间的部分。切削层横截面要素包括切削宽度、切削厚度和切削面积三个要素。(1)切削宽度（aw）：指刀具切削刃与工件的接触长度，单位是mm。若车刀主偏角kr,则（2）切削厚度（ac）:指刀具或工件每移动一个进给量时，刀具切削刃相邻的两个位置之间的距离，单位是mm。车外圆：（3）切削面积（Ac）:指切削层横截面的面积，单位是。,第二节切削对加工表面的影响,切削形成：弹性变形,塑性变形,挤裂,切离,切屑,切削过程：三个变形区（1）第一变形区（2）第二变形区：（3）第三变形区：,切屑种类：,1）带状切屑外形连绵不断，与前刀面接触的面很光滑，背面呈毛茸状。用较大前角、较高的切削速度和较小的进给量切削塑性材料时，容易得到带状切屑。,2）崩碎切屑切削铸铁等脆性材料时，切削层产生弹性变后，一般不经过塑性变形就突然崩碎，形成不规则的碎块状屑片，称为崩碎切屑。,切屑形状随着切削条件不同而变化。例如，加大前角、提高切削速度或减小进给量可将节状切屑变成带状切屑。因此，生产上常根据具体情况采取不同措施得到所需的切屑，以保证切削顺利进行。,3）节状切屑切屑的背面呈锯齿形，底面有时出现裂纹。采用较低的切削速度和较大的进给量切削中等硬度的钢件时，容易得到节状切屑。,(1)带状切屑,(2)节状切屑,(3)粒状切屑,(4)崩碎切屑,切屑的种类,粗糙,较粗糙,较光洁,表面质量Ra,波动大、振动,波动更大,有波动,平稳波动小,切削力,脆性材料铸铁、黄铜,同,中等硬度(中碳钢),塑性好,工件材料,再大,较大,小,f、ap,再减小,小,大,o,再降低,较低,高,Vc,崩碎切屑,粒状切屑,节状切屑,带状切屑,金属切削过程及伴生的物理现象,一、切削对表面轮廓及表面粗糙度值得影响切削对表面轮廓及表面粗糙度值得影响主要有以下几个方面：1.残余面积2.积屑瘤,（1）积屑瘤的形成切削塑性材料时，由于切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，使切屑底层的流动速度低于上层的流动速度，形成滞流层。当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子间结合力时，滞流层的部分新鲜金属就会粘附在刀刃附近，形成楔形的积屑瘤,（2）对加工的影响1）积屑瘤影响：保护刀具，提高刀具的寿命；加工表面质量下降。2）控制积屑瘤措施：控制高或低的切削速度；减小进给量、背吃刀量；使用高效切削液研磨刀具前面；增大刀具前角；加工前对工件采取适当热处理。,3.振动波纹产生的原因：工艺系统刚性不足、切削力不稳定产生的后果：加工表面出现周期性的纵横向波纹，增大表面粗糙度；严重时，会引起崩刀打刀，加速刀具的磨损。二、表层材质变化1.加工硬化加工硬化是指在切削过程中，工件已加工表面受刀刃和后面的挤压和摩擦而产生塑性变形，使表层组织发生变化，硬度显著提高的现象。硬化层深度可达到0.020.03mm,表层硬度约为工件材料的1.22倍。,对加工硬化的影响因素：刀具几何参数、切削条件、工件材料。2.残余应力残余应力是指在没有外力作用的条件下，物体内部保持平衡而存留的应力。产生表层残余应力的原因：机械应力引起的塑性变形、热应力引起的塑性变形和相变引起的体积变化。三者综合决定残余应力的性质、大小和分布。综上所述，要解决此类问题可以从刀具材料、刀具角度、切削用量、工件材料、切削液等多方面着手。,第三节切削力,切削时将刀具切入工件，使工件发生变形而成为切屑所需要的力，成为切削力。一、总切削力的来源1、克服被加工材料对弹性变形的抗力；2、克服被加工材料对塑性变形的抗力；3、克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。,1.在切削过程中，被切削金属产生弹性变形和塑性变形，作用在前、后刀面上的变形抗力Fnr和Fna；2.切屑与前刀面相摩擦产生的摩擦力Ffr和已加工表面与后刀面产生的摩擦力Ffa。综上所述的变形抗力和摩擦阻力就是总切削力的来源。,二、总切削力的分解切削力的分解三个分力：切削力Fz:总切削力作用于主运动方向，是计算机床主运动机构强度与刀杆、刀片强度及设计机床夹具、选择切削用量等的主要依据，也是消耗功率最多的切削力。进给力Fx:总切削力作用在进给方向，是设计和校验进给机构强度的主要依据。背向力Fy:纵车外圆时，总切削力在垂直进给方向上的分力；背向力Fy不消耗功率，但它作用在工艺系统刚性最差的方向上，易使工件在水平面内变形，影响工件精度，并易引起振动。Fy是校验机床刚度和精度的必要依据。总切削力：Fr,三、影响总切削力的因素在切削过程中，凡对切削过程中的变形和摩擦有影响的因素，都将对总切削力产生影响，其中主要因素是以下四种：1、工件材料工件材料的强度、硬度越高，切削时变形抗力越大，总切削力也越大；如材料强度、硬度一致时，塑性、韧性较大，其总切削力较大。2、刀具角度刀具角度中，对总切削力影响较大的是前角（）和主偏角（）。3、切削用量切削用量中的进给量和背吃刀量越大，切削又宽又厚，切削力亦随之增大。4、切削液合理使用切削液可以减小材料的变形抗力和摩擦阻力。,第四节切削热,切削热是指在切削过程中，由变形抗力和摩擦阻力所消耗的能量而转变成的热量。一、切削热的产生切削热主要产生的变形区（如右图），切削热的主要来源是被切削层金属的弹性变形与塑性变形、切屑底层与前刀面的摩擦和工件已加工表面与刀具后面的挤压和摩擦。切削塑性金属时，切削热主要来源于剪切滑移变形区和塑性滑动变形区；切削脆性金属时，切削热主要来源于剪切滑移变形区和弹性挤压变形区。,二、切削热的传散在一般干切削的情况下，大部分的切削热由切屑传散出去，其次由工件和刀具传散，而周围介质传散出去的热量很少。但各种传散热量的比例，随着工件材料、刀具材料、切削用量、刀具角度及切削方式等切削条件的不同而异。切削热传散给切削及周围介质，对切削加工没有影响，且传散得越多越好。切削热传散给刀具切削部分，使刀具磨损加快，缩短刀具的使用寿命；切削热传散给工件，影响工件的加工精度和表面质量。为了减小切削热对工件加工质量的不良影响，可采取的两方面工艺措施：一是减小工件材料的变形抗力和摩擦阻力，降低功率消耗和减少切削热；二是要加速切削热的传散，以降低切削温度。,三、切削温度1.切削温度的概念切削温度是指刀具表面与切屑及工件接触处的平均温度。切削温度的高低，取决于产生热量的多少和传散热量的快慢。由于切削热分布不均匀，所以切削区各个部位的实际温度也不相同。切削塑性金属时，刀具前面靠近刀尖和主切削刃处温度最高；切削脆性金属时，靠近刀尖的后面上温度最高。切削温度可以测量得到，实际生产中可以凭经验目测切屑颜色来判断。如：银白色切屑温度最低，约为200；深蓝色切屑温度为600左右。切屑颜色越深，切削温度就越高。,2.影响切削温度的因素影响切削温度的主要因素有工件材料、切削用量、刀具角度及切削液等。（1）工件材料在工件材料的各种物理及力学性能中，对切削温度影响最大的是强度、硬度和导热系数。（2）切削用量在切削用量三要素中，切削速度对切削温度的影响最大，其次是进给量，背吃刀量影响最小。（3）刀具角度在刀具几何角度中，前角和主偏角对切削温度的影响较大。适当增大前角，切削层金属变形减小，可降低切削温度；减小主偏角，切削时主切削刃工作长度增加，改善散热条件，也可降低切削温度。（4）切削液在切削过程中，合理选用并正确加注切削液可改善刀具和工件的润滑条件及散热条件，并能带走一部分热量，可以有效地降低切削温度。,第五节切削液,切削液（cuttingfluid,coolant）是一种用在金属切削、磨加工过程中，用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体，切削液由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成，同时具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。一、切削液的作用1.冷却作用切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具（或砂轮）、切屑和工件间的对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。切削液的冷却性能和其导热系数、比热、汽化热以及粘度（或流动性）有关。水的导热系数和比热均高于油，因此水的冷却性能要优于油。,2.润滑作用金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用，可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工性能。在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒工件及磨粒磨屑之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小磨削力和摩擦热，提高砂轮耐用度以及工件表面质量。3.清洗和排屑作用在金属切削过程中，要求切削液有良好的清洗作用。除去生成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，防止机床和工件、刀具的沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。对于油基切削油，粘度越低，清洗能力越强，尤其是含有煤油、柴油等轻组份的切削油，渗透性和清洗性能就越好。含有表面活性剂的水基切削液，清洗效果较好，因为它能在表面上形成吸附,膜，阻止粒子和油泥等粘附在工件、刀具及砂轮上，同时它能渗入到粒子和油泥粘附的界面上，把它从界面上分离，随切削液带走，防止划伤已加工表面，保持界面清洁。4.防锈作用在金属切削过程中，工件要与环境介质及切削液组成分解或氧化变质而产生的油泥等腐蚀性介质接触而腐蚀，与切削液接触的机床部件表面也会因此而腐蚀。此外，在工件加工后或工序之间流转过程中暂时存放时，也要求切削液有一定的防锈能力，防止环境介质及残存切削液中的油泥等腐蚀性物质对金属产生侵蚀。特别是在我国南方地区潮湿多雨季节，更应注意工序间防锈措施。,二、切削液的种类切削液可分为水溶性和非水溶性两大类，其中水溶性切削液有水溶液、乳化液；非水溶性切削液有切削油。1.水溶液水溶液是以水为主要成分并加入防锈添加剂的切削液。水溶液的主要作用是冷却。新型的离子型水容液，切削时，由于静电摩擦产生的静电荷可与水溶液中离子反应而迅速消除，从而降低了切削温度，提高了刀具耐用度。2.乳化液乳化液是由水和油再加乳化剂均匀混合而成的，即用乳化油加7098的水稀释而成的乳白色或半透明状液体，它由切削油加乳化剂制成。乳化液具有良好的冷却和润滑性能。乳化液的稀释程度根据用途定。浓度低的乳化液冷却、清洗作用较强，适于粗加工和磨削时使用；浓度高的乳化液润滑作用较强，适于在精加工时使用。3.切削油,切削油主要是由矿物油加入动、植物油和油性或极压添加剂配制而成的混合油。A、以矿物油为基体加入油性添加剂的混和油，一般用于低速切削有色金属及磨削中；B、极压切削油，是在矿物油中添加极压添加剂制成，适用于重切削和难加工材料的切削。切削油的主要作用是润滑，它可大大减少切削时的摩擦热，降低工件的表面粗糙度值。加入添加剂后，油膜能耐高温、高压，润滑作用可显著增加。三、切削液的选用（1）粗加工粗加工时，切削用量大，产生的切削热量多，容易使刀具迅速磨损。此类加工一般采用冷却作用为主的切削液，如离子型切削液或35乳化液。,切削速度较低时，刀具以机械磨损为主，宜选用润滑性能为主的切削液；速度较高时，刀具主要是热磨损，应选用冷却为主的切削液。硬质合金刀具耐热性好，热裂敏感，可以不用切削液。如采用切削液，必须连续、充分浇注，以免冷热不均产生热裂纹而损伤刀具。（2）精加工精加工时，切削液的主要作用：提高工件表面加工质量和加工精度。加工一般钢件，在较低的速度（6.0m/min30m/min）情况下，宜选用极压切削油或1012极压乳化液，以减小刀具与工件之间的摩擦和粘结，抑制积屑瘤。精加工铜及其合金、铝及合金或铸铁时：宜选用粒子型切削液或1012乳化液，以1012极压乳化液，以降低加工表面粗糙度。,注意:A、加工铜材料时，不宜采用含硫切削液，因为硫对铜有腐蚀作用。B、加工铝时，也不适于采用含硫与氯的切削液，因为这两种元素宜与铝形成强度高于铝的化合物，反而增大刀具与切屑间的摩擦。也不宜采用水溶液，因高温时水会使铝产生针孔。(3)难加工材料的切削一般处于高温高压的边界润滑摩擦状态，应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。当用硬质合金刀具高速切削时，可选用冷却作用为主的低浓度乳化液。,四、切削液的加注方法1.浇注法使用方便，应用广泛，但冷却效果差，切削液消耗量较大。2.喷雾法将切削液经雾化后喷到切削区域，雾状液体在高温的切削区域很快被汽化，因而冷却效果显著，切削液消耗量较少。,3.高压法将切削液经高压泵压出，浇注到切削区域。当加工深孔或较难加工材料时，用此法较好。,常用的刀具材料（1）碳素工具钢（2）合金工具钢（3）高速钢（4）硬质合金：钨钴类（YG）钨钛钴类（YT）（5）涂层刀具和其他刀具材料：陶瓷、人造金刚石等,常用刀具材料性能