第三章金属切削过程的基本规律

第三章金属切削过程的基本规律

本章主要介绍切削过程中基本规律的四个课题：切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损及刀具寿命。由于切削时产生的变形、力、温度、磨损均会影响加工零件的质量、生产效率、成本，因此本章较为详细地介绍了它们的成因以及对切削过程的作用和影响。由于切削变形是切削过程机理的基础，因此通过学习掌握切削变形基础知识，了解切削力、切削温度、刀具磨损对切削的作用以及切削用量和刀具角度等参数对切削规律的影响及计算方法。第一节切削变形和切屑形成过程切屑形成过程FABOM45°FABOM45°OMF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。切削层受到刀具前刀面的挤压而产生滑移的过程。刀具OA始滑移线M终滑移线切削时的三个变形区第一变形区：（基本变形区）OA~OM之间的区域，是切削过程中的主要变形区，是切削力和切削热的主要来源。主要特征：剪切面的滑移变形第二变形区：切屑底层与前刀面之间的摩擦变形区。主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。第三变形区：工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。造成工件表面的纤维化与加工硬化。该区域对工件表面的残余应力以及后刀面的磨损有很大的影响。宽度0.02～0.2mm始滑移线终滑移线第一变形区剪切面剪切角Φ剪切面与剪切角切削变形程度的表示♦切屑厚度压缩比Λ♦前角、剪切角与切削变形关系♦剪切角的计算第二节刀—屑间摩擦和积屑瘤刀—屑间摩擦粘结区：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。切屑的粘结层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，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。lfolfi摩擦特点两个摩擦区积屑瘤在一定的温度和压力下,切削塑性金属时,切屑底层的一部分切屑粘结在前刀面上,形成积屑瘤

积屑瘤特点：硬度是工件材料的2~3.5倍，可以代替刀具切削。周而复始的生长、脱落。

产生条件切削塑性材料。切削区的温度、压力和界面状况符合在刀面上发生冷焊的条件。

对切削过程的影响积屑瘤代替刀刃进行切削，保护了刀刃，增大了前角。积屑瘤形状不规则，频繁生长脱落，影响尺寸精度和表面质量。粗加工时可人为控制积屑瘤的生长，使积屑瘤能稳定存在。精加工时应抑制积屑瘤的产生。

积屑瘤防止措施♦低速切削（高速钢）或高速切削（硬质合金）♦适当增大前角♦减小进给量♦提高刀具的刃磨质量♦浇注切削液第三节已加工表面变形和加工硬化切削、挤压和摩擦作用下，已加工表面层得金属晶粒扭曲、挤压和破碎，使表面层硬度增高----------加工硬化用加工硬化程度N来评价H1---已加工表面显微硬度H---金属材料基体显微硬度材料塑性↗→加工硬化↗减少加工硬化的措施磨出锋利切削刃，rn由0.5mm减小到0.05mm,N降低40%增大前角或增大后角，使rn减小合理选用切削液，减小摩擦第四节切削力切削力的来源、总切削力及其分力★

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切削力来源总切削力及其分力FcFFpFf·pFfFf·pFf·pfvFc主切削力Ff进给抗力背向力FpF总切削力主切削力Fc:主运动方向上的分力，校验和选择电动机功率、校验和设计机床主运动机构、刀具和夹具强度和刚度。背向力Fp:垂直于进给方向的分力，影响加工系统的刚度。进给力Ff:进给方向的分力，校验进给机构的强度。Ff·pfvFc主切削力Ff进给抗力背向力FpF总切削力切削力实验公式（经验公式）建立实验公式的基本原理公式中的系数及指数可以查有关技术手册得到（表3-1）（表3-2）单位切削力单位切削层横面积所产生的主切削力称单位切削力kc切削功率影响切削力的主要因素及其修正系数kF值切削用量的影响背吃刀量和进给量ap↗→切削面积↗→Fc↗（成正比）切削面积↗→Fc↗（成正比）切削厚度↗→切削变形↘→Fc↘f↗→→Fc↗（不成正比）背吃刀量和进给量通过切削层面积影响切削力切削速度切削速度通过积屑瘤影响切削力vc↗→前角↗→切削变形↘→切削力↘vc↗→前角↘→切削变形↗→切削力↗vc↗→切削温度↗→摩擦系数↘→切削变形↘→切削力↘积屑瘤衰减期无积屑瘤期积屑瘤生长期工件材料的影响硬度、强度↗→变形所需力↗→切削力↗切削变形↗→切削力↗加工硬化↗→切削力↗塑性、韧性↗→→切削力↗刀具几何角度的影响前角↗→剪切角Φ↗→切削变形↘→切削力↘前角主偏角主偏角↗→切削厚度↗→切削变形↘→切削力↘主偏角→改变FD方向→影响切削分力的比值背向力Fp↘进给力Ff↗主偏角↗→刃倾角刃倾角↗→斜角切削→切削变形↘→切削力↘刃倾角为较大负值时，背向力增大，对工艺系统刚度影响较大其它因素的影响刀具磨损刀具磨损↗→摩擦↗→切削力↗切削液切削液→摩擦↘→切削力↘刀具材料不同刀具材料与工件材料间的摩擦系数不同，切削力也不同陶瓷刀具的切削力比硬质合金刀具低10%左右浇注切削液比干切削，切削力20%左右表3-2为硬质合金车刀加工碳钢和铸铁时，工件材料的机械性能、前角和主偏角对切削力的影响系数。切削力计算举例例：硬质合金P10（YT15）车刀车削热轧45钢（σb=0.650GPa）车刀几何角度为ro=15°，Kr=75°，λs=0°，选用切削用量ap=2mm，f=0.3mm/r，vc=100m/min。试计算切削力Fc与切削功率Pc解：查表3-1、表3-2第五节切削热与切削温度切削热的来源于传散三个变形区的弹性变形和塑性变形产生的热量切屑与刀具、工件与刀具摩擦产生的热量切削热的来源切削热的传散加工方法切屑工件刀具周围介质车削50~86%40%~10%9~3%1%钻削28%14.5%52.5%5%切削热的传散比例切削温度的测定原理和切削温度分布切削温度的测定自然热电偶法自然热电偶法测定的温度是切削区域的平均温度人工热电偶法人工热电偶法可以测定工件或刀具上具体的指定点的温度红外线测温法刀屑接触面温度高，是因摩擦严重、热量不易传散所致。温度最高是由于接触压力大摩擦热不断积聚所致。影响切削温度的因素切削速度↗→刀-屑间摩擦↗→切削温度↗切削用量切削负荷↗→切削温度↗参加工作切削刃↗→散热↗→切削温度↘背吃刀量↗→→切削温度↗切削负荷↗→切削温度↗切削变形↘→切削温度↘进给量↗→→切削温度↗对切削温度的影响顺序：切削速度＞进给量＞背吃刀量工件材料硬度、强度↗→切削力↗→切削温度↗导热性↘→切削热传散↘→切削温度↗合金钢＞高碳钢＞低碳钢加工不锈钢温度比45#钢高40%加工脆性材料切削变形和摩擦小，切削温度低刀具几何参数刀尖圆弧半径↗切削变形↘→切削力↘→切削温度↘刀头体积↘→热传散↘→切削温度↗前角↗→前角要适当15°对降低切削温度较有效切削变形↘→切削力↘→切削温度↘刀头体积↘→热传散↘→切削温度↗主偏角↗→主偏角要适当负刃倾角↗负刀棱↗热传散↗→切削温度↘合理选用和有效浇注切削液可大幅降低切削温度第六节刀具磨损和刀具寿命刀具的磨损和破损刀具的磨损形式和磨损标准前面上月牙洼磨损切削塑性金属，切削厚度大，切削速度高时产生。后面磨损较小切削厚度和较低切削速度下切削塑性金属及切削脆性材料时产生。刀具磨损标准正常磨损时：VB=0.3mm不正常磨损时（崩刃、剥落、沟痕）：VB=0.6mm产生月牙洼时：KT=（0.05+0.3f）mm由于多数情况下都可能产生VB磨损量，且VB值容易测量，因此，一般通过VB值来研究磨损规律和作为判别磨损依据。刀具的破损形式和原因崩碎由于切削刃强度低、受冲击所致。崩刃由于刀具材料脆，刀尖和刀刃强度低，且切削负荷大，中间切入或切出所致。热裂由于切削温度不均匀、不连续切削、切削液浇注不均等所致。塌陷在高温下（高速钢超过600°；硬质合金超过1000°）切削刃强度降低，失去切削能力所致。刀具磨损过程曲线正常磨损阶段：随着切削时间增长，磨损逐渐增大。急剧磨损阶段：刀具磨损大，温度高磨损剧增。刀具磨损标准初期磨损阶段：刀具表面上残留的粗糙不平的刃磨痕迹很快被磨掉。刀具磨损原因磨料磨损工件和切屑中的硬质点（如碳化物）以及不断脱落的积屑瘤碎片划擦刀面产生磨损。切屑与刀具在压力和摩擦条件下冷焊粘结，然后相互被拉开，产生表面破坏伤痕。相变磨损切削温度超过相变温度，使刀具硬度降低产生急剧磨损粘结磨损工件材料和刀具在高温下（900~1000℃）相互扩散造成的磨损。扩散磨损氧化磨损刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后，在高温下（700~800℃）与空气中的氧作用产生松脆氧化物，造成刀具磨损。刀具寿命刀具寿命T：刀具经刃磨后，从开始切削到磨损量达到磨损标准所经过的切削时间。刀具总寿命：刀具经多次刃磨后，继续使用达到完全报废所经过的切削时间。常采用达到磨损标准VB=0.3mm时的刀具寿命。影响刀具寿命的因素由于刀具磨损与切削温度息息相关，所以影响切削温度的因素也影响刀具寿命，且影响规律相近。切削用量对刀具寿命影响顺序：vc＞f＞ap刀具寿命的确定原则最高生产率刀具寿命Tp:要求达到单位时间内加工零件最多来制定的刀具寿命最低生产成本刀具寿命Tc:根据零件加工工序所需生产成本最低来制定的刀具寿命最大利润刀具寿命Tpr:获得单位时间内最大利润来制定的刀具寿命TP＜Tpr＜Tc一般常采用最低成本刀具寿命，但在生产急需时也采用最高生产率刀具寿命制定刀具寿命实例制造刃磨容易、成本低的刀具寿命低些。高速钢车刀、刨刀、镗刀：60min硬质合金焊接车刀：30~60min高速钢钻头：80~120min制造较复杂的刀具寿命高些。硬质合金面铣刀：120~180min齿轮刀具：200~300min换刀时间短、自动化程度高的刀具寿命低些。可转位车刀：15~45min数控刀具：15~30min装刀、换刀和对刀较复杂的刀具寿命高些。仿形车刀：120~180min多轴铣床硬质合金面铣刀：400~800min组合机床、自动生产线刀具按半班次或一班次时间来定。立方氮化硼车刀：120~150min金刚石车刀：600~1200min