第一章 金属加工的基础知识.ppt

第一章金属切削基本知识1,第一章金属切削基本知识目录,第一节切削加工的运动的分析与切削要素一、切削运动二、切削加工过程中的工件表面三、切削要素第二节金属切削刀具一、刀具的构成二、刀具切削部分的基本定义三、刀具角度四、刀具角度的换算五、刀具角度标注实例六、刀具工作角度七、刀具材料1、刀具材料的基本要求2、常用刀具材料,第一章金属切削基本知识2,第一章金属切削基本知识目录,第三节切削过程中的物理现象一、金属切削层的切削变形二、影响切削变形的主要因素三、切削力和切削功率四、切削热和切削温度五、刀具磨损及刀具寿命,第一章金属切削基本知识3,第一章金属切削基本知识,金属切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。金属切削加工必须具备的两个基本条件：切削运动和刀具。,第一章金属切削基本知识4,工件表面的成形方法,工件表面的成形原理：任何表面都可以看成是一条线（母线）沿着另一条线（导线）的运动轨迹。,第一章金属切削基本知识5,注意：,平面、直线形成的表面和圆柱面的导线、母线可以互换，有些表面如圆锥面、螺旋面等不能互换。有些表面发生线完全相同，只因母线的原始位置不同，可以形成不同的表面。同一表面母线和导线不同，可以有不同的成形方法。根据这些工件表面的成形原理，人们发明了车、铣、钻、镗、磨等机床。,第一章金属切削基本知识7,工件表面的成形方法,发生线的成形方法成形法轨迹法展成法相切法,第一章金属切削基本知识8,工件表面的成形运动,表面成形运动是保证得到工件要求的表面形状的运动。图2-1-6工件的旋转运动产生母线，刀具的直线运动产生导线。图2-1-7工件的旋转运动产生导线，刀具的纵向进给和横向进给的合成的直线运动产生母线。,第一章金属切削基本知识9,第一节切削运动与切削要素,一、切削运动1主运动2进给运动3合成切削运动,第一章金属切削基本知识10,1主运动,主运动：刀具与工件之间主要的相对运动，它使工件材料由被切削层转变为切屑，形成工件的新表面。(1)主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。(2)切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,第一章金属切削基本知识11,2进给运动,进给运动：刀具与工件之间附加的相对运动，它使工件被切削层不断投入切削，形成已加工表面。进给运动主体：刀具或工件进给运动方式：间歇或连续(1)进给运动方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。(2)进给速度vf：切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,第一章金属切削基本知识12,3合成切削运动,合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。,第一章金属切削基本知识13,二、切削加工过程中的工件表面,切削过程中工件上有三个变化着的表面(1)待加工表面：工件上待切除的表面。(2)已加工表面：工件上经刀具切削后产生的新表面。(3)过渡表面(或切削表面)：工件上正在切削的表面。图11,第一章金属切削基本知识14,图11,第一章金属切削基本知识15,三、切削要素,切削要素：切削过程的切削用量要素和切削层参数。图l2及切削层参数动画。,第一章金属切削基本知识16,图l2/切削层参数动画,第一章金属切削基本知识17,1切削用量要素,(1)切削速度vc(2)进给量f(3)背吃刀量ap,第一章金属切削基本知识18,(1)切削速度,外圆车削的切削速度vc：(11)式中vc切削速度，单位为mmindw工件待加工表面的直径，单位为mm；n工件的转速，单位为rmm，,第一章金属切削基本知识19,(2)进给量,进给量f：刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。主运动是回转运动时，进给量指每转相对位移量，(mmr)；主运动是直线运动时，进给量指每双行程或单行程的相对位移量，（mm双行程或mm单行程）；多齿旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，（mmz或mm齿），它与进给量f的关系为：f=zfz（1-2）,第一章金属切削基本知识20,进给速度计算公式,车削时进给速度vf计算公式vf=fn(13)式中vf进给速度，单位为mmmin；f进给量，单位为mmr；n一主运动转速，单位为rmin。铣削时进给速度为vf=fn=zfzn(14)合成切削速度ve表达为ve=vc+vf(15),第一章金属切削基本知识21,(3)背吃刀量,背吃刀量ap在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸。外圆车削apdw-dm(16)式中ap背吃刀量，单位mmdw工件待加工表面直径，单位mm。dm工件已加工表面直径，单位mm。,第一章金属切削基本知识22,切削用量三要素与材料切除率,vc、f、ap外圆车削的切削用量三要素。切削用量三要素影响切削效率的高低，三要素的乘积，为材料切除率。材料切除率用Qz（mm3/min）表示：Qz=1000vcfap(17),第一章金属切削基本知识23,2.切削层参数,切削层：在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作所切除的工件材料层。切削层参数：在基面中测量的切削层长度、宽度和面积。,第一章金属切削基本知识24,切削层三个参数,(1)切削层公称厚度hD：垂直于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。(2)切削层公称宽度bD：平行于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。(3)切削层公称横截面积AD：在切削层参数平面内度量的横截面积。,第一章金属切削基本知识25,切削用量要素与切削层参数的关系,hD=fsinkr(1-8)bD=ap/sinkr(1-9)AD=hDbD=apf(1-10)可见:hD、bD均与主偏角kr有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或ap、f有关。,第一章金属切削基本知识26,第二节刀具切削部分的几何参数,一、刀具的构成刀具是由工作部分和非工作部分构成。外圆车刀的几何参数具有普遍研究价值。图13,第一章金属切削基本知识27,图13/动画:车刀的构成,第一章金属切削基本知识28,二、刀具切削部分的基本定义,刀具切削部分是由三部分构成：刀面刀刃刀尖,第一章金属切削基本知识29,1.刀面,1.刀面(1)前面A：切屑流过的刀面。(2)主后面A：与被切削加工的表面(过渡表面)相对的刀面。(3)副后面A：与已切削加工的表面相对的刀面。,第一章金属切削基本知识30,2.刀刃,(1)主切削刃S前面与主后面在空间的交线。(2)副切削刃S前面与副后面在空间的交线。,第一章金属切削基本知识31,3.刀尖,刀尖:三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。,第一章金属切削基本知识32,三、刀具角度,刀具角度:为设计、制造、刃磨和测量刀具角度所使用的几何参数，是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。参考系：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系，可分为:静止参考系工作参考系,第一章金属切削基本知识33,1刀具静止参考系,刀具静止参考系:在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系。在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度最常用的刀具静止参考系是正交平面参考系，其它还有法平面参考系、假定工作平面参考系等。图14,第一章金属切削基本知识34,正交平面参考系的构成,正交平面参考系由三个相互垂直的平面构成：(1)基面pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。(2)切削平面ps通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。(3)正交平面po通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。,第一章金属切削基本知识35,刀具角度电影,第一章金属切削基本知识36,图14/动画,第一章金属切削基本知识37,2.正交平面参考系的建立,(1)确认刀具的主切削刃和副切削刃；(2)在切削刃上确定考查点；(3)确定考查点x处主切削运动速度方向；(4)建立正交平面参考系中的基面；(5)建立正交平面参考系中的切削平面；(5)建立正交平面参考系中的正交平面。,第一章金属切削基本知识38,3正交平面参考系刀具的标注角度,(1)基面中测量的刀具角度(2)切削平面中测量的刀具角度(3)正交平面中测量的刀具角度,第一章金属切削基本知识39,(1)基面中测量的刀具角度,1)主偏角kr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。2)副偏角kr副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。3)刀尖角r主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。r=180-(kr+kr)(111)4)刀尖情况,第一章金属切削基本知识40,图15,第一章金属切削基本知识41,刀尖情况,刀尖圆弧半径r改变刀尖的几何形状：r=0时为尖角过渡；ro时为圆角过渡；直线过渡时用k和b参数描述。图16,第一章金属切削基本知识42,图16,第一章金属切削基本知识43,(2)切削平面中测量的刀具角度,刃倾角s：主切削刃与基面之间的夹角注意：刃倾角s有正负之分：当主切削刃与基面平行时，s=0；当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时，s0；否则，s0。,第一章金属切削基本知识44,(3)正交平面中测量的刀具角度,1)前角0前面与基面之间的夹角。2)后角0后面与切削平面之间的夹角。3)楔角0前面与后面之间的夹角：090-(0+0)(112),第一章金属切削基本知识45,4其它刀具标注参考系,(1)法平面pn与法平面参考系(2)假定工作平面pf、背平面pp及其参考系,第一章金属切削基本知识46,(1)法平面参考系,通过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面，称为法平面pn。法平面参考系由pr、pn、ps组成。,第一章金属切削基本知识47,(2)假定工作平面、背平面及其参考系,假定工作平面pf：通过切削刃上选定点并垂直于该点基面且平行于假定进给运动方向的平面。背平面pp：通过切削刃上选定点并垂直于该点基面和假定工作平面的平面。假定工作平面-背平面参考系：由pr、pf、pp，组成的参考系。,第一章金属切削基本知识48,图17,第一章金属切削基本知识49,四、刀具角度的换算,在ISO标准中，刀具标注角度参考系可以有多种，各参考系之间的刀具角度均可相互换算。在生产实践中，常需要进行不同参考系下的标注角度值换算。换算时可查具体手册的相关公式。,第一章金属切削基本知识50,五.刀具角度标注实例,切断加工所用的切断刀，有一条主切削刃、两个刀尖、两条副切削刃。该刀具应有八个独立标注角度。图18。,第一章金属切削基本知识51,图18,第一章金属切削基本知识52,六、刀具工作角度,在实际切削条件下（考虑刀具安装、切削速度等），刀具角度的参考系会发生变化，需要引入一个工作参考系来进行描述。刀具工作角度：刀具在工作参考系中确定的角度。,第一章金属切削基本知识53,1刀具工作参考系的建立,(1)工作基面pre：通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。(2)工作切削平面pse：通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。(3)工作正交平面poe：通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。,第一章金属切削基本知识54,2刀具工作角度的分析,(1)纵向进给运动对工作前、后角的影响(2)刀具安装位置对刀具工作角度的影响(3)刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响,第一章金属切削基本知识55,(1)纵向进给运动对工作前、后角的影响,纵向进给车外圆时，合成切削运动产生的加工轨迹是阿基米德螺旋线，从而使工作前角oe增大、工作后角oe减小。图1-9,第一章金属切削基本知识56,图1-9/动画,第一章金属切削基本知识57,车削梯形螺纹角度变化的影响,车削梯形螺纹时，为保证左、右螺纹加工表面质量一致，刀具安装时应调整一个安装角。图110,第一章金属切削基本知识58,图110,第一章金属切削基本知识59,(2)刀具安装位置对刀具工作角度的影响,若切削刃高于工件中心且刃倾角s0：，工作前角oe增大，而工作后角oe减小。若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。加工内表面时，情况与加工外表面相反。图111,第一章金属切削基本知识60,图111,第一章金属切削基本知识61,(3)刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响,当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。图l12。,第一章金属切削基本知识62,图l12,第一章金属切削基本知识63,第三节刀具材料,刀具切削部分的刀具材料是决定刀具切削性能优劣的关键因素之一。材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。,第一章金属切削基本知识64,一、刀具材料的基本要求,对刀具材料有如下要求：(1)高的硬度和耐磨性。(2)足够的强度和韧性。(3)高的耐热性与化学稳定性。(4)良好的工艺性和经济性。图l13各类刀具材料的使用范围。,第一章金属切削基本知识65,图l13,第一章金属切削基本知识66,二、常用刀具材料,常用的刀具材料有:工具钢；硬质合金；陶瓷和超硬刀具材料。机械加工使用最多的是高速钢和硬质合金，推广使用陶瓷和超硬刀具材料。,第一章金属切削基本知识67,1高速钢,高速钢是富含钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。硬度可达6266HRC，抗弯强度约3.3GPa，热稳定性、耐磨性、耐热性好。切削温度达500650C。适合制造结构和刃型复杂的刀具。如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。,第一章金属切削基本知识68,(1)高速钢的分类,按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。按制造工艺可分为：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成分可分为：钨系和钼系。,第一章金属切削基本知识69,(2)常用高速钢的牌号与性能,高速钢是一种综合性能良好的刀具材料。高速钢的使用约占刀具材料总量的60%70%。1)通用型高速钢。2)高性能高速钢。3)粉末冶金高速钢。,第一章金属切削基本知识70,1)通用型高速钢,W18Cr4V(1841)：由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不匀等原因，国内外已很少采用。W6Mo5Cr4V2(6542)以Mo代W，钢中碳化物分布均匀，提高了热塑性、抗弯强度与韧性，改善了刃磨工艺性好。W9Mo3Cr4V(9341)是对6542的改进的钨钼系高速钢，特别适合我国资源情况。,第一章金属切削基本知识71,2)高性能高速钢,高性能高速钢：在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，提高常温硬度、耐磨性及热稳定性。用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42、501。,第一章金属切削基本知识72,3)粉末冶金高速钢,粉末冶金高速钢：具有细小均匀的结晶组织，物理力学性能、刃磨性、耐磨性良好、淬火变形小。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。,第一章金属切削基本知识73,2.硬质合金,硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。硬质合金刀具常温硬度高，化学稳定性好，热稳定性、耐磨性、耐热性好。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5l0倍。,第一章金属切削基本知识74,(1)钨钴类硬质合金,代号为YG。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG类硬质合金相对YT(P)类来说，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。,第一章金属切削基本知识75,(2)钨钛钴类硬质合金,代号为YT。以WC为基体，添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适于粗加工，反之用于精加工。合金中TiC含量提高，硬度、耐磨性和耐热性提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降。,第一章金属切削基本知识76,(3)钨钛钽(铌)类硬质合金,代号为YW。在YT类硬质合金中加入TaC或NbC，提高了抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。,第一章金属切削基本知识77,(4)新型硬质合金,细晶粒、超细晶粒硬质合金，细晶粒合金平均粒度在1.5m左右，超细晶粒合金平均粒度在0.2lm之间。组织的细化，使粘结面积增加，提高了整体综合强度和硬度，减少了中低速切削时的崩刀现象。,第一章金属切削基本知识78,3涂层刀具材料,在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既提高了刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3及其复合材料等。,第一章金属切削基本知识79,涂层材料,(1)TiC涂层硬度高，耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。(2)TiN涂层在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。(3)TiCTiN复合涂层第一层涂TiC，第二层涂TiN，减少表面层与工件间的摩擦。(4)TiCAl2O3复合涂层第一层涂TiC，第二层涂Al2O3，可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiCAl2O3-TiN三复合涂层。,第一章金属切削基本知识80,4其它刀具材料,(1)陶瓷刀具材料(2)金刚石刀具材料(3)立方氮化硼,第一章金属切削基本知识81,(1)陶瓷刀具材料,陶瓷刀具材料是以氧化铝或氮化硅为基体添加少量金属，经高温烧结成的刀具材料。优点：硬度高，耐磨性好，高温切削性能优良，化学稳定性和抗氧化性良好，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强，切削速度比硬质合金刀具高25倍。缺点：脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制，可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。,第一章金属切削基本知识82,(2)金刚石刀具材料,金刚石硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等材料，也可用于加工石材、压缩木材、玻璃等高硬度的非金属材料和有色金属。缺点：热稳定性差、强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。,第一章金属切削基本知识83,(3)立方氮化硼,立方氮化硼(CBN)由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，耐高温，化学惰性大，与铁系金属在高温下不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。,第一章金属切削基本知识84,选用刀具材料的注意点,加工一般材料：选用普通高速钢及硬质合金；加工难加工材料：选用新牌号合金或高性能高速钢；加工高硬度材料或精密加工：选用超硬材料。,第一章金属切削基本知识85,第三节切削过程中的物理现象,金属切削过程：通过切削运动、刀具从工件表面切除多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。金属切削过程中存在的物理现象：切屑变形、切削力、切削热、刀具磨损等。金属切削基本理论是对切削层金属怎样转变成切屑这一生产过程的理论总结。,第一章金属切削基本知识86,一、金属切削层的切削变形,变形理论包括的内容：1切削变形的力学本质2切屑的形成过程3切屑的类型4前面上的挤压、摩擦与积屑瘤5已加工表面的形成过程6切削变形程度的表示方法,第一章金属切削基本知识87,1切削变形的力学本质,切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程。刀具切削时与挤压实验很相似，只是切削时，由于DB线下方金属材料的阻碍，切削层不能沿CB方向滑移。图2l,第一章金属切削基本知识88,(图2l)/动画,第一章金属切削基本知识89,切削变形模型的三个变形区,根据实验时的切削层变形图片可绘制切削变形模型，其变形大致可分为三个变形区。(1)第一变形区。(2)第二变形区。(3)第三变形区。图22,第一章金属切削基本知识90,图22/动画,第一章金属切削基本知识91,(1)第一变形区,塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区(I)。OA与OM之间距离很小仅为0.02-0.2mm，可用OM滑移线来代替第一变形区，并称OM为剪切面，用p表示。剪切面加与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角，用表示，大约为40-50。,第一章金属切削基本知识92,(2)第二变形区,切屑沿刀具前面排出时会受到前面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前面处的金属发生“纤维化”的二次变形。这部分区域称为第二变形区（II)。,第一章金属切削基本知识93,(3)第三变形区,在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为第三变形区(III)。刀具刃口钝圆半径使切削厚度很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响巳加工表面质量。,第一章金属切削基本知识94,切削变形电影,第一章金属切削基本知识95,2切屑的形成过程,切屑的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，产生弹性变形和塑性变形的切削变形过程。第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。图23,第一章金属切削基本知识96,图23,第一章金属切削基本知识97,金属沿滑移面的剪切变形图24,第一章金属切削基本知识98,3切屑的类型,在切削层金属转变为切屑的过程中，会形成多种多样的切屑形态。切屑的四大种类(图25)。(1)带状切屑。(2)挤裂(节状)切屑。(3)单元(粒状)切屑。(4)崩碎切屑。,第一章金属切削基本知识99,车削电影,第一章金属切削基本知识100,(1)带状切屑,特点：刀屑接触面光滑，外表面是毛葺状。产生条件：加工塑性金属，且切削厚度较小，切削速度较高、刀具前角较大时。优点：切削过程干稳，切削力波动范围小，已加工表面粗糙度小。缺点：容易缠绕刀具或工件，影响加工过程。图25a,第一章金属切削基本知识101,(2)挤裂(节状)切屑,特点：切屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。产生条件：在低速、大进给时产生。图25b,第一章金属切削基本知识102,(3)单元(粒状)切屑,产生条件：在挤裂(节状)切屑产生的前提下，进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角。图25c。,第一章金属切削基本知识103,(4)崩碎切屑,产生条件：切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒状的切屑，工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑。缺点：产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，使已加工表面粗糙。图25d,第一章金属切削基本知识104,切屑类型电影,第一章金属切削基本知识105,图25,第一章金属切削基本知识106,4前面上的挤压、摩擦与积屑瘤,切削层金属经第一变形区后变成切屑沿刀具前面流出。由于受到前面的挤压和摩擦作用，刀屑界面之间由摩擦产生的热量使切削区附近温度升高。越靠近前面的切屑底层纤维化现象越严重，切屑的流动会出现滞流层，产生积屑瘤。,第一章金属切削基本知识107,(1)作用在切屑上的力,图2-6刀具与切屑之间的作用力分析。,第一章金属切削基本知识108,(2)前面上的摩擦,在切削塑性金属的过程中，当切屑沿刀具前面流过时，处于高压高温状态，切屑的底部与前面发生粘结现象。实测可得刀屑间摩擦情况及前面正应力与切应力的分布曲线。刀屑接触面间二个摩擦区域：粘结区和滑动区。图27,第一章金属切削基本知识109,图27,第一章金属切削基本知识110,粘结区和滑动区的摩擦特性,在粘结区，切屑与前面之间是内摩擦就是金属内部的剪切滑移。内摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。在滑动区内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。刀屑界面之间的摩擦系数为内摩擦系数1与外摩擦系数2的和。=1+2,第一章金属切削基本知识111,(3)积屑瘤,积屑瘤：在中低速切削塑性金属材料时，常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料，形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。积屑瘤现象，是滞流层金属不断堆积的结果。图28,第一章金属切削基本知识112,积屑瘤电影,第一章金属切削基本知识113,图28,第一章金属切削基本知识114,积屑瘤对切削过程的影响（优点）,优点：积屑瘤它可替代刀具完成切削工作，有利于减少刀具磨损，提高刀具寿命，同时使刀具工作前角增大，有利于减小切削力和切削变形。在粗加工时，可充分利用积屑瘤。,第一章金属切削基本知识115,积屑瘤对切削过程的影响（缺点）,缺点：积屑瘤不稳定，易破裂、脱落，会导致刀具的粘结磨损、切削力的变化和产生振动。积屑瘤脱落后粘附在已加工表面上，影响已加工表面质量。积屑瘤轮廊形状不规则，影响零件加工的尺寸精度以及表面粗糙度。在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。图29,第一章金属切削基本知识116,图29,第一章金属切削基本知识117,抑制或消除积屑瘤的措施,1)适当提高工件材料的硬度，提高刀具的刃磨质量，适当减少进给量，增大刀具前角，采用高润滑性的切削液。2)采用低速或高速切削，避开中速切削。3)合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。,第一章金属切削基本知识118,二、影响切削变形的主要因素,1工件材料的力学性能2切削用量3刀具几何参数,第一章金属切削基本知识119,1工件材料的力学性能,在工件材料的物理力学性能中，材料塑性对切削变形的影响最大。塑性越小，强度越高，摩擦系数越小。值减小时剪切角增大，变形系数减小。图213三种抗拉强度不同的钢料，其变形系数的对比曲线,第一章金属切削基本知识120,图213,第一章金属切削基本知识121,2切削用量-切削速度,(1)切削速度切削塑性金属时切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。图214切削铸铁等脆性金属时，一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐地减小。,第一章金属切削基本知识122,图214,第一章金属切削基本知识123,切削用量-进给量,(2)进给量f当进给量f增大时，切削层厚度hD增大，切屑的平均变形减小，变形系数减小。图215。,第一章金属切削基本知识124,图215,第一章金属切削基本知识125,3.刀具几何参数-前角,(1)前角o增大前角，剪切角增大，变形系数越小。增大前角，刀屑间平均摩擦系数增大，增大切削变形。综合来看，增大前角，会减小切削变形。图216,第一章金属切削基本知识126,图216,第一章金属切削基本知识127,刀具几何参数-刀尖圆弧半径,(2)刀尖圆弧半径r，刀尖圆弧半径越大，变形系数f越大，切削变形越大。刀尖圆弧半径越大，平均切削厚度减小，切屑的平均变形增大；切削刃曲线部分各点的主偏角不等，因而各点的前角不等，越接近刀尖处的点，前角越小，切削变形越大；切削刃曲线部分各点切下的切屑，流出方向各异，产生相互干涉，引发了切屑的附加变形，使切削变形越大。（图2-17）,第一章金属切削基本知识128,图2-17,第一章金属切削基本知识129,三、切削力和切削功率,切削力是金属切削过程的重要物理现象，是设计和使用工艺装备以及在生产中实施质量监控不可缺少的要素。切削力直接影响切削功率、切削热、刀具磨损及刀具寿命，因而影响加工质量和生产率。,第一章金属切削基本知识130,1切削力的来源与分解,(1)切削力的来源切削力：切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力。切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和摩擦阻力。这些力的总和构成了作用在刀具上的合力F。要顺利进行切削，切削力必须克服上述抗力。图218,第一章金属切削基本知识131,图218,第一章金属切削基本知识132,(2)切削力的分解,通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力Fc，进给力Ff、背向力Fp。切削力Fc总切削力在主运动方向的分力。背向力Fp总切削力在垂直于工作平面方向的分力。进给力Ff总切削力在进给方向的分力。图219/动画,第一章金属切削基本知识133,图219/动画,第一章金属切削基本知识134,三个分力的讨论,在三个分力中切削力Fc最大，进给力Ff次之，背向力Fp最小且不消耗功率。FfFDsinKrFpFDcosKr主偏角Kr的大小影响Fp和Ff的配置。当工艺系统刚性较差时，应尽可能使用大的主偏角刀具进行切削。,第一章金属切削基本知识135,2切削功率,主运动消耗的切削功率Pc(kW)：式中Fc切削力，单位为N；vc切削速度，单位为m/min。机床电动机功率PEPEPc/m式中m机床传动效率，m0.750.85。,第一章金属切削基本知识136,3切削力的实验公式,常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一类是按单位切削力进行计算。在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。表21车削时的切削分力及切削功率的指数公式,第一章金属切削基本知识137,4影响切削力的因素-工件材料,(1)工件材料工件材料影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。,第一章金属切削基本知识138,(2)切削用量的影响,1)进给量f和背吃刀量ap，进给量和背吃刀量增加，使切削力Fc增加，但影响程度是不同。进给量f增大时，切削力有所增加，背吃刀量ap增大时，切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。在实际生产中，增大进给量与增大背吃刀量相比，前者既减小了切削力又减小了切削功率。,第一章金属切削基本知识139,2)切削速度,在切削塑性金属材料时，切削速度vc对切削力Fc的影响规律，由积屑瘤的变化周期及刀屑界面上的摩擦系数的变化情况决定。在切削脆性金属工件材料时，切削速度vc对切削力Fc无明显的影响。在生产实践中，尽可能采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。,第一章金属切削基本知识140,3)刀具几何参数-前角,一般加工塑性大的材料，增大前角则总切削力明显减小；加工脆性材料时，增大前角对减小总切削力的作用不显著。增大前角o，可以减小切削变形，减小变形抗力，切削力减小。,第一章金属切削基本知识141,刀具几何参数-负倒棱,负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例。负前角的绝对值越大，切削变形程度越大，切削力越大。,第一章金属切削基本知识142,刀具几何参数-主偏角,主偏角增大，切削厚度hD增大，切削变形减小，使切削力减小；但当主偏角进一步增加至6090时，刀尖圆弧半径r在切削刃上占切削宽度的比例增加，切削力逐渐增大。一般kr=6075时能减小切削力Fc和背向力Fp。,第一章金属切削基本知识143,刀具几何参数-刀尖圆弧半径,刀尖圆弧半径r增大，则切削刃圆弧部分的长度增长，切削变形增大，使切削力增大。r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff减小。,第一章金属切削基本知识144,4)刀具磨损,刀具后面磨损后，作用在后面上的法向力Fna和摩擦力Ffa都增大，故切削力Fc、背向力Fp增大。,第一章金属切削基本知识145,5)刀具材料及切削液,刀具材料与工件材料之间的亲合力和摩擦系数等因素决定影响切削力的大小。若两者之间的摩擦系数小，则切削力小。切削液可减小刀具、工件与切屑接触面间的摩擦，能有利于减小切削力。,第一章金属切削基本知识146,四、切削热和切削温度,金属切削过程中的切削热，使工艺系统产生热变形，影响刀具的磨损和寿命及工件的加工精度与表面质量。研究切削热和切削温度的产生及其变化规律，对控制金属切削过程意义重大。,第一章金属切削基本知识147,1.切削热的产生与传导-产生,热源：金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源。在切削过程中单位时间内所产生的热量，等于主运动单位时间内切削力所做的功：Q=Fcvc式中Q单位时间内产生的热量，单位为J；Fc主切削力，单位为N，vc切削速度，单位为mmin。,第一章金属切削基本知识148,切削热的产生与传导-传导,切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。影响切削热传导的主要因素是工件和刀具材料的热导率以及周围介质的状况。不同的加工方法其切削热由切屑、工件、刀具和介质传出的比例不同。图2-20,第一章金属切削基本知识149,图2-20,第一章金属切削基本知识150,2切削温度对切削加工过程的影响,切削温度：切削温度是指切削过程中切削区域的温度。切削热是通过切削温度影响切削加工过程的。,第一章金属切削基本知识151,(1)对工件材料物理力学性能的影响,金属切削时虽然切削温度很高，但对工件材料的物理力学性能影响并不大。在生产中对难加工材料可进行加热切削。,第一章金属切削基本知识152,(2)对刀具材料的影响,高速钢刀具材料的耐热性为600左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温8001000时，强度反而更高，韧性更好。适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。,第一章金属切削基本知识153,(3)对工件尺寸精度的影响,车削工件外圆时，工件受热膨胀，外圆直径发生变化，切削后冷却至室温，工件直径变小，就不能达到精度要求。刀杆受热伸长，切削时的实际背吃刀量增加。特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此要严格控制切削温度。,第一章金属切削基本知识154,(4)利用切削温度自动控制切削用量,切削加工时，存在一个最佳的切削温度范围，它使刀具磨损程度最低，加工精度稳定。可用切削温度作为控制信号，自动控制机床转速或进给量，以提高生产率和工件表面质量。,第一章金属切削基本知识155,3.切削温度的测定方法,热电偶法是常用的、简单可靠的测量方法，自然热电偶法人工热电偶法。,第一章金属切削基本知识156,自然热电偶法,自然热电偶法是利用工件材料和刀具材料化学成分的不同而构成热电偶的两极，并分别连接测量仪表，组成测量电路。,第一章金属切削基本知识157,人工热电偶法,人工热电偶法：是将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件需要测定温度的指定点上，冷端通过导线串联在电位差计或毫伏表上。根据仪表上的指示值和热电偶标定曲线，测得指定点的温度。,第一章金属切削基本知识158,4影响切削温度的因素,(1)工件材料(2)切削用量,第一章金属切削基本知识159,影响切削温度的因素-工件材料,(1)工件材料材料的强度、硬度及热导率对切削温度影响较大。-材料的强度、硬度越高，则加工硬化能力越强，切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多。-热导率越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。,第一章金属切削基本知识160,影响切削温度的因素-切削用量,(2)切削用量用自然热电偶法得到的实验公式为：实验测得的刀具前面切削区的平均温度，单位为；C切削温度系数，主要取决于加工方法和刀具材料；z、y、x切削速度、进给量、背吃刀量的影响指数。表23,第一章金属切削基本知识161,表23,第一章金属切削基本知识162,切削温度实验公式讨论,1)三个影响指数值均小于1，vc、ap和f对切削温度的影响均是非线性的；2)三个影响指数zyx，说明切削速度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。在生产实践中，vc、ap和f的确定，可先设法增大ap，其次增大f；在刀具材料与机床性能允许条件下，应尽可能提高vc，以进行高效率、高质量切削。,第一章金属切削基本知识163,(3)刀具几何参数,1)前角o前角切削温度前角切削温度(图2-21)2)主偏角kr主偏角增大，使切削刃工作接触长度减小，切削宽度bD减小，散热条件变差，故切削温度升高(图2-22)。,第一章金属切削基本知识164,图2-21,第一章金属切削基本知识165,图2-22,第一章金属切削基本知识166,(4)刀具磨损,刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。,第一章金属切削基本知识167,(5)切削液,切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，切削液的冷却功用吸收大量的切削热。采用切削液是降低切削温度的重要措施。,第一章金属切削基本知识168,五、刀具磨损及刀具寿命,刀具切除工件余量的同时，本身也逐渐被磨损。当磨损到一定程度时，如不及时重磨、换刀或刀片转位，刀具便丧失切削能力，从而恶化加工质量，产生不良后果。,第一章金属切削基本知识169,1刀具磨损的形式,刀具磨损的形式分为正常磨损和非正常磨损。(1)正常磨损正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。包括以下几种形式：1)前面磨损2)后面磨损3)前面和后面同时磨损图223为刀具磨损的正常形态,第一章金属切削基本知识170,1)前面磨损,前面磨损又称月牙洼磨损。月牙洼的最大深度用KT，宽度用KB表示。图223,第一章金属切削基本知识171,2)后面磨损,后面磨损：在后面上毗邻切削刃的地方被磨出小棱面。后面磨损可划分为三个区域：刀尖磨损C区，磨损量为VC；中间磨损B区，在切削刃的中间位置，磨损量为VB，局部出现最大磨损量VBmax。边界磨损N区，在切削刃与待加工表面相交处，最大磨损量VN。图223b,第一章金属切削基本知识172,3)前面和后面同时磨损,一般在以中等切削用量切削塑性金属材料时会出现这种形式的磨损。,第一章金属切削基本知识173,图223,第一章金属切削基本知识174,(2)非正常磨损,刀具的非正常磨损是指在切削过程中，刀具的磨损量尚未达到磨钝标准值就突然无法正常使用，即刀具发生破损。,第一章金属切削基本知识175,刀具破损的主要形式,1)脆性破损在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损，但刀具出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、折断、表层剥落、热裂纹等现象，使刀具不能继续工作。2)塑性破损切削时，刀具由于高温高压的作用，使刀具前、后面的材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力。,第一章金属切削基本知识176,防止刀具破损采取的措施,1)合理选择刀具材料的种类和牌号。2)合理选择刀具几何参数。3)保证刀具焊接和刃磨质量，避免各种缺陷。4)合理选择切削用量。5)提高工艺系统的刚性，减少振动。6)采用正确的操作方法，防止刀具承受突变载荷，不要断续使用切削液冷却脆性大的刀具材料。,第一章金属切削基本知识177,2刀具磨损的原因,刀具的正常磨损具有下列特点：1)刀具与切屑、工件之间接触的表面经常是新形成的表面；2)表面间接触压力非常大，常常超过工件材料的屈服强度；3)接触面的温度很高。,第一章金属切削基本知识178,刀具磨损的原因,刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种效应综合作用的结果。造成刀具磨损有以下几种原因：(1)磨料磨损。(2)粘结磨损。(3)扩