切削过程及控制

1、第三节 切 削过程及控制在金属切削过程 (cutting process) 中，始终存在着刀具切削工件和 工件材料抵抗切削的矛盾， 从而产生一系列物理现象， 如切削变形、 切削力、 切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。一、切屑的形成过程及切屑类型1、切屑的形成过程 实验表明，切屑 (chips) 的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用， 迫使其产生弹性变形， 当剪切应力达到金属材料屈服强度时， 产生塑性变形。 随 着刀具前刀面相对工件的继续推挤， 与切削刃接触的材料发生断裂而使切削层材 料变为切屑。切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四

2、 个阶段。变形系数E?切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，用E h表示，E h = ach/ac ；?而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用E l表示，E l=lc/lch 。? 变形系数越大 ,切屑越厚越短 ,切削变形越大。2、切屑的类型? 带状切屑 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。形 成 条件 ： 用 大 前 角 的 刀 具 、较 高 的 切 削 速度 和 较 小的 进 给量 切削塑性材料 优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。缺点：切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施?挤裂（节状）切屑外形特

3、征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。形成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小 度的钢材料特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙,粗加工中等硬崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经 过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑。当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩 刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。3、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1）什么是积屑瘤在一定速度范围下， 切削塑性金属材料形成带状切屑时 , 常在刀具前刀面靠近切 削刃的部位粘结一些工件

4、材料 , 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤 （the built-up edge） ，或称刀瘤。2）积屑瘤的形成原因 当切屑沿刀具的前刀面流出时， 在一定的温度与压力作用下， 与前刀面接触的切 屑底层受到很大的摩擦阻力， 致使这一层金属的流出速度减慢， 形成一层很薄的 “滞流层”。 当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时， 就会 有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。3）积屑瘤对起削过程的影响? 积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护 切削刃的作用。? 使实际前角增大，切削轻快。因此，粗加工时可利用积屑瘤。? 积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且

5、在不断地产生和脱落，使切削层公 称厚度不断变化，影响尺寸精度。? 此外，还会导致切削力的变化，引起振动，? 并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导 致刀具磨损。在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。4）抑制或消除积屑瘤的措施? 采用低速或高速切削， 由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的， 以切 削45钢为例，在低速vcv3m/min和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系 数都较小，故不易形成积屑瘤；? 采用高润滑性的切削液， 使摩擦和粘结减少；? 适当减少进给量、增大刀具前角、减小切削变形；? 适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向。二、切削力

6、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，称为切削力。1. 切削力的来源切削力(cutting force)来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力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Fz(Fc):总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80%-90%Fc消耗的功率最多，约占总功率的90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。进给力Fx (Ff):总切削力在进给方向的分力，进给力也作

7、功，但只占总功的1%-5%是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数背向力Fy ( Fp)：总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。3个切削分力与总切削力F有如下关系：Ff23 切削功率?计算切削功率(cutting power)PC是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。? 主运动消耗的切削功率 Pc= Fc u c/60 x 10-3(kW? 机床电机功率 PE =Pc /n m(n m= 0.75

8、 0. 85 )。4. 影响切削力的因素1) .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。2) .切削用量进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加。切削速度u c :?切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；?切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；?在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力 下降。一般切削速度超过90m/min时，

9、切削力无明显变化。?在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小， 所以切削速度u c对切削力Fc无明显的影响。?在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高 生产效率，又能减小切削力。3) .刀具几何参数?前角的影响：丫 of 一切削变形切削力J。(塑性材料)?主偏角的影响：Kr T - Fp ； , Ff f4) .刀具磨损5) .切削液6) .刀具材料刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力 的变化。三、切削热和切削温度1. 切削热的产生与传导金属切削过程的三个变形区就是产生切削热 (cutt ing heat) 的三

10、个热源：1) 切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来源；2) 切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；3) 工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。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(cutting temperatures) 上升。用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削钢料时， 切削热传出的比例是：切屑 传出的热约为50%-86%工件传出的热约为40%-10%刀具传出的热约为9%- 3% 周围介质传出的热约为1%2. 切削温度对切削加工过程的影响1) .对刀具材料的影响高速钢刀具材料的耐热性为600C左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀

11、具材 料耐热性好，在高温8001000r时，强度反而更高，韧性更好。因此适当提高 切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。2) .对工件尺寸精度的影响车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，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，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。3. 影响切削温度的因素1) . 工件材料 材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多； 导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。切削脆性材料时， 由于塑性变形很小， 崩碎切屑与前刀面的摩擦也小， 产生的切 削热较少。热处理状态

12、不同，切削温度也不相同。2) . 切削用量 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。3) . 刀具几何参数1) 前角丫 of塑性变形和摩擦切削温度J (图)。但前角不能太大，否则 刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。2) 主偏角k r T-切削刃工作接触长度切削宽度 bDj，散热条件变差，故 切削温度T4) . 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。5) . 切削液利用切削液的润滑功能降低摩擦系数， 减少切削热的产生， 也可利用它的冷却功 用吸收大量的切削热，所以采用切

13、削液是降低切削温度的重要措施。4. 切削液1 )、切削液的作用( 1 ) . 切削液的冷却作用切削液(cutting fluid) 的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低 切削温度，提高刀具寿命；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续 切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。( 2) . 切削液的润滑作用使用切削液后， 切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜， 成为流体润滑摩擦， 此时摩擦系数很小；实际情况是属于边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑， 但小于干摩擦。(3)切削液的清洗作用2.常用的切削液分类：1) 水溶液：主要成分是水，并加入少量的防锈剂等添加剂。具有良好的冷却

14、作用，可以大大降低切削温度，但润滑性能较差。2) 乳化液：将乳化油用水稀释而成，具有良好的流动性和冷却作用，并有一 定的润滑作用。低浓度的乳化液用于粗车、磨削；高浓度的乳化液用于精车、精 铣、精镗、拉削等。3) 切削油：主要用矿物油，少数采用动植物油或混合油。润滑作用良好，而冷却作用小，多用以减小摩擦和减小工件表面粗糙度。常用于精加工工序，如精刨、珩磨和超精加工等常使用煤油作切削液，而攻螺纹、精车丝杠可用菜油之类 的植物油等。四、刀具磨损和刀具寿命在切削过程中，刀具切削部分由于磨损或局部破损而逐渐发生变化，最终失 去切削性能。刀具磨损(tool wear)到一定程度后，切削力明显增大，切削温度

15、 上升，甚至产生振动，影响工件的加工精度和表面质量。因此刀具磨损到一定程 度后，必须重磨或更换新刀。1. 刀具磨损形态图1-29 刀具磨损形态(1) 后刀面磨损当切削脆性材料或以较小的背吃刀量切削塑性材料时，由于刀具主后刀面 与工件过渡表面间存在着强烈的摩擦，在后刀面毗邻切削刃的 部位磨损成小棱面。后刀面磨损量以后刀面上磨损宽度值VB表示，如图1-29a所示。(2) 前刀面磨损在切削速度较高、背吃刀量较大且不用切削液的情况下加工塑性材料时，切屑将在前刀面磨出月牙洼。前刀面的磨损量以月牙洼的最大深度KT表示,如图1-29b所示。(3) 前后刀面同时磨损在常规条件下加工塑性金属时， 常出现如图1-

16、29C所示的前后刀面同时磨损的形态。2. 刀具磨损过程在一定切削条件下，不论何种磨损的形态，其磨损量都将随时间的延长而增 大。如图1-30所示为硬质合金车刀主后刀面磨损量 VBW切削时间之间的关系，即 磨损曲线。由图1-30可知。上世一匸匸DA14冋图1-30刀具磨损过程磊归尺阳】吐刀具磨损过程可分为三个阶段：AB段一初期磨损阶段，刀刃锋尖迅速被磨掉，即磨成一个窄面。BC段一正常磨损阶段，磨损量随切削时间的延长而近似成比例增加，而磨损 速度随时间延长减慢。刀具的使用不应超过这一有效工作阶段的范围。CD段急剧磨损阶段，刀具变钝，切削力增大，切削温度急剧上升，磨损加快，出现振动、噪声，已加工表面质

17、量明显恶化，刀具在使用中应避免进入该段。 经验表明，在刀具正常磨损阶段的后期、急剧磨损阶段之前，换刀重磨为最好。这样既可保证加工质量又能充分利用刀具材料。3. 影响刀具磨损的因素增大切削用量时切削温度随之增高，将加速刀具磨损。在切削用量中，切削 速度对刀具磨损的影响最大，进给量f次之，背吃刀量aP最小。此外，刀具材料、刀具几何形状、工件材料以及是否使用切削液等，也都会 影响刀具的磨损。譬如，耐热性好的刀具材料，就不易磨损；适当加大刀具前角, 由于减小了切削力，可减少刀具的磨损。4、刀具耐用度1). 刀具耐用度的定义? 刀具耐用度(现称刀具寿命)是指一把刃磨好的新刀从投入使用直至达 到磨钝标准所

18、经历的实际切削时间。? 刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几 何参数是否合理的重要参数。2). 刀具耐用度的选择原则? 复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单 刃的刀具高。? 对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态， 刀具耐用度可选得低些。? 对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀 具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。? 精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。? 大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。5. 影响刀具寿命的因素? 刀具寿命：刀具从开始投入使用到完全报废的总切削时间? 刀具几何参数?刀具材料?工件材料?切削用量五、切削用量的选择 所谓“合理”的切削用量是指充分利用切削性能和机床动力性能 ( 功率、扭 矩) ，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。(1) 选择背吃刀量 ap 背吃刀量应根据工件的加工余量来确定。 粗加工时除留下精加工的余量外，尽可能用一次走刀切除全部加工余量，以 使走刀次数最少； 在毛坯粗大必须切除较多余量时， 应考虑机床 - 刀具-工件系统 刚性和机床有效功率，选取较大的背吃刀量； 切