第二章一、二、三‘、四、五节.ppt

机械加工技术,第二章金属切削的基本知识,切削运动和切削要素,切削变形及对加工表面的影响,切削力来源与分解,切削热与切削温度,切削液,第一节切削运动和切削要素,一、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。,车削、铣削、刨削、钻削、磨削、齿形加工,1、主运动,是指由机床或人力提供的主要运动，它促使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件。特点：速度最高、消耗的功率最大，是提供切削可能性的运动。,2、进给运动,是指由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可不断地或连续地切削，并得出具有所需几何特性的已加工表面。,3、主运动和进给运动机床中的分配,一般情况下，主运动只有一个，而进给运动可能有一个或几个。主运动和进给运动可以由刀具和工件分别完成，也可以由刀具单独完成；这两种运动可同时进行，也可以交替进行。,车削加工中的主运动和进给运动,工件的转动为主运动方向,工件,刀具的移动为进给运动方向,刀具,铣削加工的主运动和进给运动,刀具的旋转为主运动,工件的移运动为进给运动,钻削加工的主运动和进给运动,工件,钻头,钻头的转动为主运动,4、在加工过程中，工件上形成不断变化的三个表面,（1）待加工表面：工件上有待切除的表面（2）已加工表面：工件上经刀具切削后产生的表面（3）过渡表面：工件上由切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程，刀具或工件的下一转里被切除，或者由下一切削刃切除。,车削加工形成的三个不断变化的表面,已加工表面,待加工表面,过渡表面,车刀,工件,钻削加工形成的三个表面,待加工表面,已加工表面,过渡表面,二、切削要素,切削要素包括：切削用量切削层横截面要素,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。作用：对切削加工的生产率和加工质量有着显著的影响，应予以重视。,（1）切削速度,指切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。表示符号：VC单位：m/s,(米/秒),当主运动是旋转运动时，切削速度可按下式计算：,主转转速与切削速度成正比，与刀具直径成反比。为了提高生产效率，我们常常提高切削速度，（1）当刀具以选定，改变切削速度时主轴转速度也需要跟着相应的改变（2）主轴转数不变，刀具直径越大，切削速度越高。,从以上的各关系式中我们不难看出，为了使工件的加工达到一定好的加工效果，刀具、切削速度及主轴转速是切削过程的几个基本要素，也就是我们常说的切削三要素，他们之间的配合关系与工件的加工精度，刀具的使用寿命及机床的使用寿命都起着及其重要的作用。,（2）进给量,工件或刀具每转一周,刀具在进给方向上相对工件的位移量称为每转进给量,简称进给量,表示符号：f单位：mm/r或mm/行程。,进给速度,单位时间内刀具在进给运动方向上相对工件的位移量,称为进给速度,用表示,单位为mm/min表示符号：f单位：mm/min,f=fn(mm/min),当主运动为旋转运动时,进给量f与进给速度f之间的关系为:,（3）背吃刀量,指在通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量。表示符号用：ap，单位：mm。,如车外圆、镗孔、扩孔、铰孔时，计算式：ap=(dw-dm)/2dm工件已加工表面的直径，mmdw工件待加工表面的直径或刀具的最大直径，mm。,对于钻削加工时：ap=dm/2,选择切削用量的基本原则：,一、尽量选择较大的背吃刀量二、在工艺装备和技术条件允许的情况下选择最大的进给量三、根据刀具耐用度确定合理的切削速度,2、切削层横截面要素,切削层：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：切削层的轴向剖面。切削层横截面要素：切削宽度、切削厚度和切削面积三个要素。,（1）切削宽度,是指刀具切削刃与工件的接触长度。表示符号：aw;单位：mm。若车刀主偏角为kr，则aw为：,（2）切削厚度,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。表示符号：ac;单位：mm。当车削外圆时：ac=fsinkr,（3）切削面积,指切削层横截面的面积。表示符号：ac;单位：mm2。计算式：ac=fap=acaw,车削外圆时的切削层要素,车削外圆时的切削层要素,第二节切削对加工表面的影响,教学目的：通过本次课程了解切削对加工表面的粗糙度及表层材质的影响及减少其影响的措施。,教学内容：经切削加工后，零件的已加工表面存在着一些缺陷，这些缺陷主要是以下几种：1、几何形状误差2、在一定深度的表层内，金属的晶粒组织发生严重的畸变，理化性能可能发生变化。,加工变质层：在加工的过程中，产生的各种缺陷的表面层通常称为加工变质层。变质层的厚度：可能是几微米到几百微米之间。,加工变质层对工件的影响,对零件的耐磨性、耐蚀性、疲劳强度、使用寿命等都有很大的影响。特别是高温、高速、重载条件下工作的零件其影响程度最为显著。,二、,由于切削条件和工件材料不同,切削过程中生成的切屑形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎4种类型。,1.带状切屑,带状切屑是连续不断且呈带状,内表面是光滑的,外表面是毛茸茸的，如左图所示。一般加工塑性金属材料时,当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时,往往得到这类切屑。,一、切屑的种类,2.节状切屑(挤裂切屑),切屑的外表面呈锯齿形,内表面有时有裂纹，如右图所示。这种切屑大多在加工较硬的塑性金属材料且所用的切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小的情况下产生。,3.粒状切屑(单元切屑),在切削塑性材料时,如果被剪切面上的应力超过零件材料的强度极限时,裂纹扩展到整个面上,切屑单元从被切材料上脱落,形成粒状切屑，如左图所示。,加工金属材料时,当切削厚度较大,切削速度较低、刀具前角较小时,易产生粒状切屑。,4.崩碎切屑,切削脆性材料时,崩碎切屑的形状不规则,加工表面是凹凸不平的，如右图所示。崩碎切屑发生在加工脆性材料时(如铸铁),零件材料越是硬脆,刀具前角越小,切削厚度越大时,越易产生这类切屑。,前三种切屑是加工塑性金属时常见的切屑类型,可以随切削条件变化而相互转化。,二、切削对表面粗糙度的影响,1、残余面积残余面积是在加工过程中，应切削而没有被切削除去的剩余部分的轴向剖面的面积。,残余面积,在车削加工中，残余面积的影响,在车削时，工件每转一转，刀具沿进给运动方向移动一个进给量f，也就是说刀尖在工件表面的运动轨迹是一条螺旋线，致使工件上始终有一个三角形区域残存在工件的表面上，当f越大，三角形区域越大，反之，f越小，三角形区域就越小。残余面积一般以残余高度即Ry的大小来表示。,2、积屑瘤,当摩擦阻力超过切屑内部分子间的结合力时，一部分金属停滞下来，常在刀具切削刃附近的前面上粘附上一块很硬的金属。这块金属称为积屑瘤。,积屑瘤的特点,1、积屑瘤不稳定，在切削时易脱落，粘附在工件的表面。2、当积屑瘤稳定时，代替刀刃进行切削，粗加工时对刀起保护作用。3、积屑瘤的成分不同于刀具，也不同于工件，硬度比较高。缺点:。,积屑瘤对工件的影响,1、积屑瘤的外形不规则，切削时将工件表面划出深浅和宽窄不一的沟纹，可造成过切削量。2、粘附在工件已加工表面形成鳞片状毛刺。以上原因均可增大表面粗糙度值。应引起我们的重视。,积屑瘤的防止方法,1、改变切削速度2、改变刀具表面的光滑程度3、改变工件的切削加工性能4、应用切削液5、应用刀具材料与工件材料的亲合力较小的刀具,3、振动波纹,由于振动或其它原因使工件和刀具之间产生附加的相对位移，导致工件已加工表面出现周期性的纵横向波纹，增大了表面粗糙度值。,振动或其它原因,振动的原因：工艺系统刚度不足、切削力不稳定。其它原因：产生的鳞刺、刀具的边界磨损、排屑不畅而划伤工件已加工表面。,三、表层材质的变化,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、硬化显著提高的现象。硬化层深度可以达到0.020.30mm。表层硬度约为原工件材料的1.22倍左右。,加工硬化产生的原因,工件在加工的过程中，在工件的表面产生很大的塑性变形且温度升高。塑性变形产生晶格扭曲，晶粒长大、破碎，阻碍了表层金属的进一步变形，使材料强化，硬度提高。温度的升高引起金属的相变，可能提高其硬度也可能降低其硬度。以上两项条件的综合作用的最终结果。,2.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。,残余应力产生原因,1、机械应力引起的塑性变形、2、热应力引起的塑性变形、3、相变引起的体积变化。以上三者的综合作用决定残余应力的性质、大小、分布。,总结,综上所述，要减小表面粗糙度值、加工硬化、残余应力等不良影响，就必须减小残余面积、积屑瘤、振动波纹、切削力、切削热等。可采取以下的方法：从刀具的材料、刀具角度、切削用量、工件材料、切削液等多方面着手，尽可能地减轻以上因素对工件已加工表面质量的不良影响。,第三节切削力,切削力：切削力是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，称力切削力。作用：对机床、夹具、刀具的设计和使用，都有十分重要的意义。,一、总切削力的来源,在切削过程中，被切层金属产生弹性变形和塑性变形，就有变形抗力作用在刀具上；切屑与刀具的摩擦，产生了摩擦阻力，这些力的综合作用就产生了总切削力。,二、总切削力的分解,为了实际生产或作为设计机床、夹具和刀具的依据，通常将切削力分解为具有既定方向的三个分力：切削力、进给力、背向力。,1.切削力,是指总切削力在主运动方向上的正投影所产生的分力。（用Fc表示）意义：它消耗的功率最多，是计算机床动力、设备强度和刚度、刀具强度的基本依据。,2.进给力,是指总切削力在进给运动方向上的正投影上的分力。（用Fi表示）意义：它是设计和校验走刀机构的主要依据。,3.背向力,是指总切削力在垂直于进给运动方向上的分力。（用Fp表示）意义：是设计和校验工艺系统刚度和精度的基本数据。它作用在工艺系统刚度最薄弱的方向上，容易引起振动和形状误差。,切削力的分解,三、影响总切削力的因素,1.工件材料2.刀具角度3.切削用量4.切削液,三、影响总切削力的因素,由以上分析可知：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，其中主要是工件材料的力学性能、刀具的几何角度、切削用量和切削液等因素。,四、切削分力和功率的估算,1.切削分力的估算在生产实践中，一般只采用下列公式来估算切削分力的大小：车削钢料时：FC=2000aPf车削铸铁时：FC=1000aPf,FC切削力，N;ap背吃刀量，mm;f进给量，mm/r.,四、切削分力和功率的估算,通常情况下，取FP=0.4Fc，Ff=0.25Fc。,2.切削功率的估算,切削功率是各切削分力所消耗的功率的总和。但在一般情况下，背向力不做功，进给力所消耗的功率很小，故切削功率常以下式计算：,Pm-切削功率，KW;VC-切削速度，m/s。,2.切削功率的估算,机床电机的功率PE为：式中：m机床传动效率，一般取0.750.85。,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的热能。,一、切削热的产生,切削热主要产生于三个变形区：1.切削层剪切滑移变形区的弹性变形和塑性变形产生的热2.切屑塑性滑动变形区的切屑底层与刀具前面的剧烈摩擦产生的热3.工件弹性挤压变形区的已加工表面与刀具后面挤压和摩擦产生的热,切削时的变形区,二、切削热的传散,1.大部分的切削热由切屑传散2.工件和刀具传散3.周围介质传散在传散的过程中，传散热量的比例随工件材料、刀具材料、切削用量、刀具角度及切削方式等加工条件的不同而各异。,在一般情况下，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。,中等切削速度，无切削液车削钢件时切削热的传递比例,切屑为5086、工件为1040、刀具为39、空气为1。,切削热传散产生的影响,切削热传散给切屑和周围介质,对切削加工没影响。,切削热传散给刀具,使刀具切削性能降低、磨损加快、使用寿命缩短。,切削热传散给机床和夹具,会对工件加工精度产生不良影响。,切削热传散给工件,会使工件变形、表面烧伤,影响工件的加工精度和表面质量。,减少切削热对加工质量的不良影响的措施,1.减小工件金属的变形抗力和摩擦阻力，降低功率消耗和减少切削热2.加速切削热的传散，以降低切削温度,三、切削温度,1.切削温度的概念是指刀具表面与切屑及工件接触处的平均温度。,切削区部位的温度,1.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2.切削脆性金属时，靠近刀尖后面上的温度最高,切削温度的判断,切削温度可以测量得到，但实际生产中，常常凭经验目测切屑的颜色来判断切削温度。不同的切屑颜色其温度高低也不一样。银白色：200C左右深蓝色：600C左右即切屑颜色越深，切削温度就越高。,2.影响切削温度的因素,影响因素,工件材料,刀具角度,切削液,切削用量,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。工件材料的强度、硬度高，切削力大，切削过程中消耗的能量就多，转换成的热量也愈多，故切削温度高。材料的导热系数小，导热性就差，由工件和切屑传散的热量就少，切削温度就越高。,2.切削用量,增大切削用量，必然使单位时间内金属的切除量增多，消耗的能量就多，切削温度势必升高。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。此外，刀具磨钝后继续切削，会增大变形抗力和摩擦阻力，将使切削温度迅速升高。,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,一、切削液的作用,1.冷却作用,切削液能将切削热迅速地从切削区带走，使切削温度降低，从而提高加工质量和延长刀具寿命。切削液的流动性、导热系数、热容和汽化热等参数越大，冷却性就越好。,2.润滑作用,切削液能渗到刀具、切屑及工件之间，形成不完全的润滑膜，以减少金属表面的直接接触、降低摩擦系数、减少切屑变形、抑制积屑瘤的生长、减小已加工表面的表面粗糙度值并提高刀具的耐用度。,3.清洗和排屑作用,切削液以将切屑、金属粉尘和砂轮上脱落的磨粒等及时地从工件、切削工具上冲走，以免其堵塞并划伤已加工表面。注意：这一作用对磨削加工和深孔加工等工序尤其重要。,4.防锈作用,为了防止机床、刀具、工件等不受周围介质的腐蚀，除切削液本身具有的防锈性能外，还要适当加入一些防锈添加剂，以确保切削液的防锈功能。,二、切削液的种类,常用的切削液分为：水溶液