机械设计基础之金属切削过程及控制(ppt 47页).ppt

1、第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,3.1 切削过程及切屑类型 3.2 切削力 3.3 切削热、切削温度、切削液 3.4 刀具磨损及刀具耐用度 3.5 切削用量的合理选择 3.6 磨削加工与砂轮,第 十四 讲,3.1 切削过程及切屑类型,3.1.1.切屑形成过程及切削变形区的划分,塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。图3-1所示的金属切削过程中，大致划分为三个变形区,图3-1,第三章金属切削过程及控制,第 十四 讲,3.1.2.积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,1积屑瘤的形成及其影响 在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀

2、面处粘着一块剖面呈三角状的硬块，它的硬度很高，通常是工件材料硬度的23倍，这块粘附在前刀面上的金属硬块称为积屑瘤。如图3-2所示,图3-2,第三章金属切削过程及控制,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,2积屑瘤对切削过程的影响 （1）使刀具前角变大 （2）使切削厚度变化 （3）使加工表面粗糙度增大 （4）对刀具寿命的影响 3防止积屑瘤产生的措施 （1）正确选择切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。 （2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。 （3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。 （4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向,第 十四 讲

3、,3.1.3.切屑的类型及控制,第三章金属切削过程及控制,1切屑的类型及其分类 图3-3 切屑类型 a) 带状切屑 b) 挤裂切屑 c )单元切屑 d )崩碎切屑,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,2、切屑的控制 根据ISO标准规定，并由我国生产工程学会切削专业委员会推荐的切削分类方法如上图，评判较理想的屑形，应符合：不影响操作者安全、不损伤加工表面、不影响机床正常工作、切屑易于清理等。研究发现，切屑的形状与它的流向和卷曲有关。 I)切屑的流向 直角非自由切削,斜角切削时,II) 切削的卷曲,一、切削的折断 断屑原理,运用力学弯曲变形梁产生的拉应变计算，可得切屑折断条件为,断屑后的屑形,

4、1）采用断屑槽 常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆弧形和全圆弧形。断屑槽位于前刀面上的形式有平行、外斜、内斜三种。外斜式常形成C形屑和6字形屑，能在较宽的切削用量范围内实现断屑,2）改变刀具角度 增大刀具主偏角，切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角可以控制切屑的流向，为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑；为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。 （3）调整切削用量,第 十四 讲,3.2. 切削力,3.2.1. 切削力的来源、切削合力及分解,第三章金属切削过程及控制,1切削力的来源 （1）切削层金属、切屑

5、和工件表面金属的弹、塑性变形所产 生的抗力； （2）刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。 2切削力合力及分解 为便于测量、计算和实际应用，常将合力Fr分解成三个互相垂直的分力。 Fz主切削力或切向力。它与切削速度v的方向一致。是确定机床的电机功率，计算车刀强度等所必需的。生产中所说的切削力一般都是指主切削力,第 十四 讲,Fy切深抗力。它是加工表面法线方向上的分力，对加工精度和已加工表面质量影响较大。 Fx进给力或轴向力。 该力是检验进给机构强 度，计算车刀进给功率 所必需的数据,图3-4 切削合力与分力,第三章金属切削过程及控制,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,3切削力的几何合成 Fr

6、= + 随着刀具材料、刀具几何角度、切削用量及工件材料等加工 情况的不同，这三个分力之间的比例可在较大范围内变化， 其中Fy约为（0.150.7）Fz， Fx约为（0.10.6）Fz,第 十四 讲,3.2.2.切削功率,第三章金属切削过程及控制,定义：消耗在切削过程中的功率称为切削功率。用Pm表示。 作用：计算切削功率主要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。 切削加工中： 主运动消耗的切削功率为Fzvc10-3（KW）； 进给运动消耗的功率为 10-3（KW）； Fy分力方向没有位移，不消耗功率， 因此总切削功率为Fz和Fx所消耗功率之和， 机床电机功率

7、PE应满足： PE Pm/m,第 十四 讲,3.2.3.影响切削力的因素,第三章金属切削过程及控制,1切削用量的影响 （1）背吃刀量和进给量的影响。背吃刀量和进给量对切削力 的影响程度不同。 （2）切削速度的影响 2工件材料的影响 材料强度、硬度越高，材料塑性、韧性越高，切削力会增大。 3刀具几何参数的影响 前角的影响 刀具几何参数中，前角对切削力的影响最大。前角加大，切削力减小。加工脆性材料，前角的变化对切削力影响不显著。 主偏角的影响 随着主偏角的变化，影响切削分力Fx、Fy变化从而改变它们之间的比值,第 十四 讲,3）刃倾角的影响 刃倾角对切削力Fy、FX的影响很大。FY随着刃倾角减小而

8、增大；FX随着刃倾角减小而减小。刃倾角对Fz的影响不大。 4刀具磨损的影响 刀具后刀面磨损带中间部分的平均宽度以VB表示。磨损面上后角为0度时，VB愈大，摩擦愈强烈，因此切削力也愈大。VB对背向力Fp的影响最为显著。 5切削液的影响 切削液具有润滑作用，使切削力降低。切削液的润滑作用越好，切削力的降低愈显著。在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为突出,第三章金属切削过程及控制,第 十四 讲,3.3 切削热、切削温度、切削液,3.3.1.切削热的产生和传导,第三章金属切削过程及控制,1.切削热的产生。切削时共有三个发热区域，与三个变形区相对应。 2.切削热的传出。切削区域的热量由切屑、工件、刀

9、具及周围的介质传散出去。 3.3.2.切削温度及其影响因素 1.切削温度：一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。 2.影响切削温度的主要因素 (1)切削用量的影响 切削速度对切削温度的影响最大，进给量的影响次之，切削深度的影响最小,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,2)工件材料对切削温度的影响 (3)刀具几何参数的影响 前角增大时，变形和摩擦减少，产生的热量少，切削温度低；适当减小的主偏角，既能使切削温度降低较大幅度，又能提高刀具强度，对提高刀具耐用度起到一定的作用，但是工艺系统应有足够的刚性。 (4)刀具磨损对切削温度的影响 (5)切削液对切削温度的影响,第 十四 讲,3.3.3. 切

10、削液的作用及其选择,第三章金属切削过程及控制,1切削液的作用 (1)切削液的冷却作用；(2)切削液的润滑作用； (3)切削液的清洗作用；(4)切削液的防锈作用。 2. 切削液的类型及选用 (1)常用切削液种类 a)水溶性切削液 有良好的冷却作用和清洗作用。 主要包括水溶液和乳化液、离子型切削液等。广泛应用于普通磨削和粗加工中。乳化液是由95%98%的水加入适量的乳化油（矿物油、乳化剂及其他添加剂配制而成）形成的乳白色或半透明切削液。乳化液中加入一定量的油性添加剂、防锈添加剂和极压添加剂，可配成防锈乳化液或极压乳化液，低浓度乳化液主要起冷却作用，适用于磨削、粗加工；高浓度乳化液主要起润滑作用，适

11、用于精加工及复杂工序,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,b)非水溶性切削液 主要包括切削油、极压切削油及其固体润滑剂等。切削油有各种矿物油、动植物油和加入矿物油与动植物油的混合油，主要起润滑作用。生产中常使用矿物油。极压切削油是在切削油中加入硫、氯、磷等极压添加剂而组成的，它在高温下不破坏润滑膜，具有较好的润滑、冷却效果，特别在精加工、关键工序和难加工材料切削时效果更佳。 (2)切削液的选用 金属切削过程中，要根据加工性质、工件材料、刀具材料和加工方法等来合理选择切削液。 粗加工时以冷却为主，精加工时以润滑为主；使用硬质合金刀具一般不用切削液,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,钻孔

12、、攻丝、拉削等加工属于半封闭、封闭状态的排屑方式，其摩擦严重，易用乳化液或极压切削油。成形刀具、齿轮刀具由于要求保持形状及尺寸精度，因此要采用润滑性能好的极压切削油或高浓度极压切削油。 磨削加工时一般常用乳化液和离子型切削液。 加工高强度钢、高温合金等难加工材料时，选用极压切削油或极压乳化液较好,第 十四 讲,3.4刀具磨损和耐用度,第三章金属切削过程及控制,3.4.1 刀具磨损形态及其原因 1刀具磨损形态 刀具正常磨损时，按其发生的部位不同，可分为前刀面磨损、后刀面磨损及前、后刀面磨损三种形式. （1）前刀面磨损。切削塑性材料时，当切削速度较高，切削厚度较大时较容易产生前刀面的磨损。前刀面磨

13、损量的大小，用月牙洼的宽度KB和深度KT来表示。 （2）后刀面磨损。加工脆性材料时，由于形成崩碎切屑，一般出现后刀面的磨损；切削塑性材料时，当切削速度较低，切削厚度较薄时较容易产生后刀面的磨损,第 十四 讲,前刀面磨损 后刀面磨损,第三章金属切削过程及控制,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,由于在大多数情况下，后刀面都有磨损，而且磨损量VB的大小对加工精度和表面质量的影响较大，测量也比较方便。故一般常以后刀面磨损带的平均宽度VB来衡量刀具的磨损程度。 2刀具磨损的原因 （1）磨料磨损；（2）粘结磨损；（3）相变磨损； （4）扩散磨损；（5）化学磨损。 从以上磨损的原因可以看出，对刀具磨损

14、起主导作用的是切削温度，在低温时，以磨料磨损为主，在较高的温度下，以粘结、扩散和化学磨损为主,第 十四 讲,3.4.2. 刀具磨损过程及磨钝标准 1刀具磨损过程,课件内容说明（正文24号字,第三章金属切削过程及控制,第 十四 讲,2刀具的磨钝标准 刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。通常按后刀面磨损宽度来制定磨钝标准。国际标准化组织（ISO）统一规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准。如右图所示,第三章金属切削过程及控制,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,3.4.3. 刀具耐用度 1刀具耐用度的定义 所谓刀具耐用度（又称刀具寿命）

15、 是指刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止实际用于切削的时间，以T表示，单位为分钟。 一把新刀从开始投入切削到报废为止总的实际切削时间，称为刀具总寿命。因此刀具总寿命等于这把刀的刃磨次数（包括新刀开刃）乘以刀具耐用度。 2刀具耐用度的经验公式 由于切削速度对切削温度影响最大， 因而对刀具磨损影响最大，因此切 削速度是影响刀具耐用度的最主要 因素。它们的关系是用实验方法求 得的,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,3.切削用量对刀具耐用度的影响程度 切削速度v对刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，背吃刀量最小。 在保证一定刀具耐用度的条件下，为提高生产率，应首先选取大的背吃刀量，

16、然后选取较大的进给量，最后选择合理的切削速度。 3.4.4.刀具耐用度的选择 1最大生产率耐用度Tp 2最低成本耐用度Tc 比较Tp与Tc，可知TpTc， 当刀具成本Ct越低，则Tc越接近Tp,第 十四 讲,第三章金属切削过程及控制,一般常根据最低成本来确定刀具耐用度 当任务紧迫或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才采用最大生产率耐用度。 另外，简单的刀具如车刀、钻头等，耐用度选的低些；结构复杂和精度高的刀具，如拉刀、齿轮刀具等，耐用度选得高些； 装卡、调整比较复杂的刀具，如多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及自动机及自动线上的刀具，耐用度应选的高一些，一般为通用机床上同类刀具的24

17、倍； 生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便能在换班时间内换刀,第 十五 讲,3.5 切削用量的合理选择,3.5.1. 制定切削用量时考虑的因素,第三章金属切削过程及控制,1.生产率 机床的切削效率可以用单位时间内切除的材料体积Q(mm/mm)表示：Q=af v 。可知，Q同切削用量三要素a、f、v均有着线性关系，它们对机床切削效率影响的权重是完全相同的。仅从提高生产效率看，切削用量三要素a、f、 v中任一要素提高一倍，机床切削效率都能提高一倍。 2.机床功率 由公式PmFz V100060, 可知切削功率Pm同切削速度V、切削力Fz有线性关系。但是a、f、v对切削力的影响却是不同的

18、，同等条件下， 背吃刀量a对切削力Fz 的影响比进给量f的要大。因此，在一定范围的机床功率条件下，为了保证生产率，尽可能选取大的进给量f,第 十五 讲,第三章金属切削过程及控制,3.刀具寿命 由刀具的寿命计算公式，我们知道a、f、v对刀具的寿命影响是依次增强的，所以在刀具寿命一定的前提下，兼顾生产率的要求，应该尽可能的选取大的背吃刀量a。 4.表面粗糙度 进给量f的大小直接影响表面粗糙度，而背吃刀量的大小对其没有直接的影响。 结论： 首先选取尽可能大的背吃刀量a，其次选取尽可能大的进给量f，最后按照刀具耐用度和机床功率的限制确定合理的切削速度v,第 十五 讲,第三章金属切削过程及控制,3.5.

19、2.切削用量三要素的选用 1背吃刀量ap的选用 背吃刀量ap 根据加工余量确定。 粗加工时，一般是在保留半精加工和精加工余量的前提下，尽可能用一次进给切除全部加工余量，以使走刀次数最少。 半精加工时，通常取ap =0.52mm。 精加工时背吃刀量不宜过小，通常取ap =0.10.4mm。 2进给量f的选用 粗加工时，进给量f的选用主要受切削力的限制。在工艺系统刚性和机床进给机构强度允许的情况下，合理的进给量应是它们所能承受的最大进给量。 半精加工和精加工时，进给量f的选用主要受表面粗糙度和加工精度要求的限制。因此，进给量f一般选得较小,第 十五 讲,第三章金属切削过程及控制,3切削速度v的选用

20、 (1)用公式计算切削速度v (2)用查表法确定切削速度v (3) 在确定切削速度时，还应考虑以下几点： 精加工时，应尽量避开产生积屑瘤的速度区； 断续切削时，应适当降低切削速度。 在易产生振动的情况下，机床主轴转速应选择能进行稳定切削的转速区进行。 加工大件、细长件、薄皮件及带铸、锻外皮的工件时，应选较低的切削速度,第 十五 讲,3.6 磨削加工与砂轮,3.6.1. 砂轮特性,第三章金属切削过程及控制,砂轮是由磨料加结合剂用制造陶瓷的工艺方法制成的，它由磨料、结合剂、气孔三要素组成。 决定砂轮特性的五个要素分别是：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。 1磨料 氧化物系:棕刚玉A；白刚玉WA。 碳

21、化物系：黑碳化硅C；绿碳化硅GC。 高硬磨料系：人造金刚石D；立方氮化硼CBN。 2粒度 粒度表示磨料尺寸的大小。当颗粒尺寸较大时，常用粒度号表示其粒度，即以其能通过的筛网上每英寸长度上的孔数来表示粒度。粒度号越大，磨料越细。当磨料直径40m时，粒度以实际尺寸表示，称为微粉,第 十五 讲,第三章金属切削过程及控制,3结合剂 结合剂的作用是将磨料粘和在一起，使砂轮具有一定的强度、气孔、硬度、抗腐蚀和抗潮湿等性能。常用的结合剂有陶瓷结合剂、树脂结合剂、橡胶结合剂和金属结合剂。 4硬度 砂轮的硬度反映磨料与结合剂的粘接强度。砂轮硬，磨料不易脱落；砂轮软，磨料容易脱落。一般情况下，工件材料硬度较高时应

22、选用较软的砂轮；但若工件材料太软，则材料易使砂轮堵塞，故也要选用软些的砂轮；磨削薄壁件及导热性差的工件时，选用较软的砂轮；砂轮与工件的磨削接触面大时，砂轮硬度应选软些，使磨料容易脱落，以防止砂轮堵塞；砂轮粒度号大时，选用较软的砂轮，以防止砂轮堵塞；精磨与成形磨时，应选用硬些的砂轮，以利于保持砂轮的廓形。 5组织 砂轮组织表示磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨料,第 十五 讲,从左到右依次为：紧密、中等、疏松,第三章金属切削过程及控制,在砂轮总体积中所占比例越大，则气孔越小（少），砂轮组织越紧密；反之亦然。 砂轮组织级别分为紧密、中等、疏松三大类。紧密组织砂轮适用于重压下的磨削；中等组织砂

23、轮适用于一般磨削；疏松组织砂轮不易堵塞，适用于平面磨、内圆磨等磨削接触面大的磨削，以及磨削热敏性强的材料或薄壁工件,第 十五 讲,3.6.2.磨削过程及其机理,1.磨料切削刃的形状特征 每颗磨料都可以看作是一把微小的刀具。微小磨料的切削刃的几何形状是不确定的，而且切削刃的排列（凹凸、刃距）是随机分布的，磨削厚度非常薄，在几个微米以下；磨削速度高达10007000m/min，磨削点的瞬时温度可达1000以上，使去除相同体 积的材料所消耗的 能量达到车削时的 30倍。 2.磨料的磨削过程,第三章金属切削过程及控制,第 十五 讲,3.6.3. 磨削力和磨削用量,1磨削力 磨削力有以下主要特征： （1）单位磨削力值Kc 很大. （2）背向力Fy最大。 在正常磨削条件下， Fy/Fz的比值约为 2.02.5。 2磨削用量 （1）砂轮线速度 砂轮线速度