第三章切削原理.ppt

1,第3章切削磨削原理,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章切削与磨削原理CuttingandGrindingTheory,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,5,一、切屑形成过程以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为：三个变形区第一变形区第二变形区第三变形区,6,图3-3切屑根部金相照片,3.1.1金属切削过程的变形,7,3.1.1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,8,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,9,（一）第一变形区,OA始滑移线OM终滑移线,变形的主要特征：剪切滑移变形加工硬化,一般速度范围内一区宽度为0.020.2mm，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面,（剪切滑移区）,10,（二）第二变形区,（三）第三变形区,切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。,（挤压摩擦区）,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。,刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离,（挤压摩擦回弹区）,11,3.1.2切屑类型与变形系数,12,3.1.2切屑类型与变形系数,图3-6切屑形态照片,13,3.1.2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）,14,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）,15,3.1.2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）,16,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。,17,刀-屑接触区的变形与摩擦,滞流层：接近前刀面的切屑底层晶粒拉长，形成与前刀面平行的纤维层，流速很慢，变形程度非常剧烈。,切塑性金属时前刀面上应力分布情况刀-屑接触区可分两部分：粘接区lf1:剪切滑移，内摩擦滑动区lf2:滑动摩擦，外摩擦一般内摩擦力约占总摩擦力的85%,18,3.1.4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。,19,刀-工接触区的变形与加工质量,刀刃钝圆半径rn后刀面磨损带VB弹性恢复区CD,变形特征：挤压、摩擦与回弹,20,金属进入第一变形区时，晶粒因压缩而变长，因剪切滑移而倾斜。金属层接近刀刃时，晶粒更为伸长，成为包围在刀刃周围的纤维层，最后在O点断裂。,已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产生加工硬化，表面残余应力，称之为加工变质层。,21,3.1.6磨削机理,磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为6085）磨粒及切削刃排列不规则，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）,22,3.1.6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,23,磨削过程大致分为三个阶段：1.滑擦阶段工件表层产生弹性变形和热应力,2.刻划阶段产生塑性变形沟痕隆起现象和热应力,3.切削阶段切削厚度、切应力和温度达一定值，材料明显滑移形成切屑。,24,磨削加工的特点,1.磨削过程复杂，单位磨削力很大磨粒形状及分布不合理，切削厚度小，挤压摩擦严重，单位能耗大。2.切深抗力大磨粒负前角，Fp/Fc23,系统弹性变形，最后进行几次光磨。,25,5.可加工高硬度材料除加工一般材料外，可加工淬硬钢、耐热钢、硬质合金等，但不宜精加工韧性较大的有色金属。6.加工工艺范围广泛可加工外圆面、内孔、平面、螺纹、齿形等成形面，不仅用于精加工，也可用于粗加工、毛坯去皮加工。,3.磨削速度高、磨削温度高3550m/s,挤压摩擦严重，单位能耗大，砂轮导热性差,瞬时高温可达8001000，要用切削液。4.砂轮有自锐性部分地恢复砂轮的切削能力，仍需对砂轮进行修整。,26,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,3.2切削力CuttingForce,27,3.2.1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,28,3.2.2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。,29,3.2.2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）,30,3.2.2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,31,3.2.3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）,32,4.2.3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,33,4.2.3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；,34,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,35,3.3.1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,36,3.3.2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。,37,3.3.3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）,38,3.3.3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,39,3.3.3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。,40,3.3.4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。,41,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,42,3.4.1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,43,3.4.2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,44,3.4.2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,45,3.4.3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）,46,3.4.3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,47,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,48,刀具失效形式：磨损（正常工作时逐渐产生的损耗）破损（突发的破坏，随机的）,一、刀具的磨损形式,（一）前刀面磨损切塑性材料，v和ac较大时，在前刀面上形成月牙洼磨损，以最大深度KT表示,（二）后刀面磨损切铸铁或v和ac较小切塑性材料时，主要发生这种磨损。,49,后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；边界处磨损严重，以VN表示。,（三）边界磨损切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。,50,二、刀具磨损的原因,（一）磨料磨损切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对刀具表面刻划作用造成的机械磨损。低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。,（二）粘结磨损刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬度比小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。,51,（三）扩散磨损刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快；高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,（四）化学磨损一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起化学作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。化学磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削条件下。,（五）热电磨损切削区高温，在刀工间产生热电势加快扩散加剧刀具磨损。,52,3.5.1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）,53,3.5.2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：,54,3.5.2刀具寿命,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,55,3.5.3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：,56,（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,57,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,58,3.5.4刀具磨损、破损检测与监控,59,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,60,3.6.1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：,61,刀具几何参数的合理选择,62,63,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,64,2）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,65,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,66,3.6.3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：,67,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,作业,68,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造技术基础,69,1931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,70,3.7.1高速加工概述,71,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,72,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,73,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,74,3.7.1高速加工概述,75,3.7.1高速加工概述,76,3.7.1高速加工概述,77,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,78,高速切削的关键技术,79,3.7.2高速加工刀具,80,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,81,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,82,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,83,聚晶金刚石应用实例,3.7.2高速加工刀具,84,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3