第四、五、六节09-11-19.ppt

1、1,第四节 切削力,2,2.4.1切削力与切削功率,切削力的来源,将切削合力F分解为三个互相垂直的分力Fc 、Ff 、Fp Fc 主切削力，与切削速度方向一致 Ff 进给力，与进给方向平行，车外圆时称为轴向力 Fp 背向力(切深抗力)，与进给方向垂直，又称径向力,克服被切削材料的弹性、塑性变形抗力 克服刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力,切削力的分解,3,2.4.1切削力与切削功率,切削力的分解,4,2.4.1切削力与切削功率,切削力的作用分析,Fc ：计算刀具和机床强度,确定机床功率 Ff ：用于设计机床进给机构和确定进给功率 Fp ：计算工件挠度和刀具、机床零件的强度,5,2.4.1切削力与

2、切削功率,切削功率的计算 切削功率：消耗在切屑加工过程中的功率(Pc) 可以分解成切削功率(Fcvc)和进给功率(Pf)之和,机床电机功率：,m 机床传动效率，一般取0.750.85,6,2.4.1切削力与切削功率,单位切削力 单位面积上的切削力, Fc= kc Ac KFc KFc为切削条件修正系数,7,2.4.2切削力的测量及切削力经验公式,切削力的测量 目前常用的测力仪有： 电阻式测力仪 压电式测力仪,8,2.4.2切削力的测量及切削力经验公式,用指数经验公式计算切削力,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

3、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。,9,2.4.2切削力的测量及切削力经验公式,例题： 在CA6140型车床上粗车68mm420mm的圆柱面。已知工件材料为45钢，b=0.637GPa;刀具材料牌号为YT15;刀具切削部分几何参数：0150 ，080 ， 080 ,s=00,r=600, r=100,刀尖半径r=0.5mm;切削用量：ap=3mm, f =0.56mm/r,vc=106.8m/min。 试求切削分力Fc、Fp、Ff及切削功率Pc。,10,例题：

4、 解： 查表2-3得：CFC=2795；xFC =1.0； yFC =0.75； zFC =-0.15,2.4.2切削力的测量及切削力经验公式,11,2.4.2切削力的测量及切削力经验公式,例题： 用CA6140车外圆，已知主轴转速n=1440rpm,工件直径d=25mm,机床电机功率Pm=7.8kw,机床传动效率为0.85，试估算切削力。,12,2.4.3影响切削力的主要因素,工件材料的影响,工件材料的硬度和强度越高，虽切削变形会减小，但剪切屈服强度增高，产生的切削力越大 工件材料强度相同时，塑性和韧性越高，切削变形越大，切削与刀具间摩擦增加，切削力越大,13,2.4.3影响切削力的主要因素

5、,切削用量的影响 背吃刀量ap 和进给量f 对切削力的影响,14,2.4.3影响切削力的主要因素,切削用量的影响 背吃刀量ap 和进给量f 对切削力的影响,由此可见，从减小切削力和节省动力消耗的观点出发，在切除相同余量的条件下，增大 f 比增大ap 更为有利,标准切削试验:刀具材料P10,工件材料45钢b=650Mpa，车刀几何参数为go =10、kr =45、 ls =0,即，ap增大一倍，FC也增大一倍；而f 增大一倍，FC只能增大68%80。,15,2.4.3影响切削力的主要因素,在积屑瘤增长阶段 随v 积屑瘤高度 变形程度，F 在积屑瘤减小阶段 随v 变形程度， F,切削速度对切削力的

6、影响,切削用量的影响,在无积屑瘤阶段 随v 温度升高，摩 擦系数变形程度 F,切削速度的影响,16,2.4.3影响切削力的主要因素,刀具几何参数的影响,前角0 的影响,图214 前角对切削力的影响,Fc,17,2.4.3影响切削力的主要因素,刀具几何参数的影响,主偏角kr 的影响,Fp随r 增大而减小， Ff随r 增大而增大,图215 主偏角对切削力的影响,18,2.4.3影响切削力的主要因素,刀具几何参数的影响,刃倾角s 的影响 s对Fc影响很小; s对Fp、 Ff影响较大,图216 刃倾角对切削力的影响,19,2.4.3影响切削力的主要因素,刀具几何参数的影响,刀尖圆弧半径 的影响： r增

7、大相当于r减小的影响,r对Fc影响很小； Fp随 r增大而增大 Ff随 r增大而减小,图228 刀尖圆弧半径r增大时切削刃曲线部分长度增大 Kr1=kr2，kr1=kr2， r2 r1，A2B2A1B1,20,2.4.3影响切削力的主要因素,刀具几何参数的影响,负倒棱br 的影响：,b1 与f 之比增大, 切削力随之增大。 当切钢b1/f 5或 切铸铁b1/f 3时， 切削力趋于稳定，接 近于负前角的状态。,图219 正前角负倒棱车刀的切屑流出情况,21,2.4.3影响切削力的主要因素,刀具磨损的影响,后刀面平均磨损带宽度VB越大，摩擦越强烈，切削力 也越大 VB对背向力Fp影响最显著,图21

8、5 车刀后刀面磨损量对切削力的影响,22,2.4.3影响切削力的主要因素,其他因素的影响,切削液的影响： 刀具材料的影响,切削液润滑作用越好，力减小越显著，低速时更突出,按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序， 切削力依次增大,23,第五节,切削热和切削温度,24,2.5.1 切削热的产生与传导,切削热产生于三个变形区， 切削过程中消耗的能量约 98%转换为热能，切削热 qPcFcv = C v z f y ap x,切削热通过切屑、工件、 刀具和周围介质向外传出,图230 切削热的产生和传导,25,2.5.2 切削温度的测量,测量切削温度的方法很多，有热电偶法、辐射热计法、热敏电阻法

9、等。目前常用的是热电偶法，它简单、可靠、使用方便 用热电偶法测量切削温度有自然热电偶和人工热电偶两种方法,26,2.5.2 切削温度的分布,红外胶片法测得切钢料的温度场， 分析归纳切削温度分布规律：,剪切区等温线与滑移线相近 OM线温度比OA线上温度高 剪切滑移相等的地方温度相等， 剪切变形是切削热的第一来源,前后刀面最高温度点不在刀刃上 切屑上最高温度比剪切区温度高 切屑底层温度比上层温度高 摩擦是切削热的又一来源,图232 二维切削中的温度分布,27,2.5.3 影响切削温度的主要因素,切削温度 一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度,影响的主要两个方面：切削热的产生与传出,切削用量的影响,

10、由实验得出切削温度经验公式如下 C v z f y ap x 式中系数及指数见表2-4,由表中数据看出： z在0.30.5之间，y在0.150.3，x在0.050.1 切削用量时切削温度 ，其中v 对影响最大，进给量 f 的影响比v 小，背吃刀量ap的影响很小。,28,2.5.3 影响切削温度的主要因素,刀具几何参数的影响,前角0 的影响 0 变形程度F q 但0 20时，因散热面积， 对的影响减小,主偏角r的影响 r ，切削宽度aw ，散热面积 ,29,2.5.3 影响切削温度的主要因素,刀具磨损的影响,工件材料的影响,切削液的影响 浇切削液对切削温度刀具磨损加工质量有明显效果。 热导率比热

11、容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著,后刀面磨损增大，切削温度升 高; VB达一定值影响加剧; v越高刀磨损对影响越显著,强度硬度、塑性和韧性越大，切削力越大，切削温度升高。导热率大，散热快，温度下降,30,第六节,刀具磨损和寿命,31,6.1 刀具磨损形态,（一）前刀面磨损 切塑性材料，v 和ap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ap较小切塑性材料时，主要发生这种磨损。,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）,图235 刀具的磨损形态,32,（三）边界磨损 切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面

12、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。,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。,图236 刀具磨损的测量位置,33,6.1 刀具磨损形态,月牙洼磨损,34,6.1 刀具磨损形态,涂层刀片材质崩碎,35,6.1 刀具磨损形态,刀片材质热裂纹,36,6.1 刀具磨损形态,刀片材质积屑,37,6.1 刀具磨损形态,刀刃断裂,38,39,6.2 刀具磨损原因,切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的。因此，形成刀具磨损的原因就非常复杂，它涉及到机

13、械、物理、化学和相变等的作用。现将其中主要的原因简述如下：,磨粒磨损 粘结磨损 扩散磨损 化学磨损,40,6.2 刀具磨损过程及磨钝标准,（一）刀具磨损过程 1. 初期磨损阶段 与刀具刃磨质量有关 2. 正常磨损阶段 VB与切削时间近似正比 斜率表示磨损强度 3. 急剧磨损阶段 切削力、温度急升，刀 具磨损加剧，之前换刀,图237 磨损的典型曲线,41,6.2 刀具磨损过程及磨钝标准,（二）刀具磨损标准 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。指刀具后刀面到面中间区段的平均磨损量 （VB）允许达到的最大值。,1. 小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝； 2. I

14、SO标准规定以1/2 ap处的VB值作为刀具的磨钝标准； 在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。 粗车碳素钢0.60.8 粗车铸铁0.81.2 粗车合金钢0.40.5 精车碳钢0.10.3 系统刚性大、HSS ， VB值较大； 系统刚性小、Y合金，VB值较小 3. 自动化精加工刀具，以径向磨损量NB作为磨钝标准,42,6.2 刀具寿命,刀具使用寿命T： 刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间 刀具总使用寿命：刀具从开始使用到报废为止的总切削时间 刀具总使用寿命刀具使用寿命刃磨次数,43,6.2 刀具寿命,刀具使用寿命与切削速度的关系 工件、刀具材料和刀具几何形状确定后，

15、v 对T 影响最大。 通过实验得经验公式： v T m =C0 指数m 表示v 对 T 的影响程度的指数 m = 0.10.125。 m 越小，则v 对 T 的影响越大。 系数C0 ，与刀具、工件材料和切削条件有关。,44,切削液的功用及选用,切削液的作用：冷却作用 ；润滑作用 ；清洗与防锈作用 切削液的种类 : 水溶液 ；乳化液 ；切削油 切削液的合理选用: 应根据工件材料、刀具材料、加工方法和技术要求等具体情况进行选用。 切削液的使用方法: 切削液的合理使用非常重要，其浇注部位、充足的程度与浇注方法的差异，将直接影响到切削液的使用效果。 切削液应浇注在切削变形区，该区是发热的核心区；不应该

16、浇注在刀具或零件上。,45,切削液的种类和选用,46,浇注切削液的几种方法 a）浇注前刀面切削区 b）浇注切削刃的交角区 c）浇注后刀面区 d）周环浇注法,47,工件材料的切削加工性,切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度。 一、衡量指标：,刀具使用寿命:在相同切削条件下，刀具使用寿命高，切削加工性好。 切削力和切削温度:在相同切削条件下，切削力大或切削温度高，则切削加工性差。机床动力不足时，常用此指标。 加工表面质量:易获得好的加工表面质量，则切削加工性好。精加工时常用此指标。 断屑性能:在相同切削条件下，以所形成的切屑是否便于清除作为一项指标。对于自动机床、数控机床和自动化程度较高的生

17、产线上常用此指标。,48,工件材料的切削加工性,切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度。 一、衡量指标：,相对加工性:某种材料切削加工性的好坏，是相对另一种材料而言的。因此，切削加工性是具有相对性的。一般以切削正火状态45钢的v60作为基准，其它材料与其比较，用相对加工性指标 表示：,v60:某种材料其刀具使用寿命为60min时的切削速度 (v60) j:切削45钢，刀具使用寿命为60min时的切削速度,Kv 1，该材料比45钢容易切削, 有色金属Kv 3； Kv 1，该材料比45钢难切削，例高锰钢、钛合金 Kv 0.65，均属难加工材料。,49,工件材料的切削加工性,二、常用材料的切削加

18、工性,1.碳素钢 低碳钢(0.8%)：性硬而脆，切削时刀具易磨损，故其切削加工 性不好。 可通过球化退火来改善其切削加工性。,50,工件材料的切削加工性,二、常用材料的切削加工性,2.合金结构钢:合金结构钢的切削加工性一般低于含碳量相近的碳素结构钢。,3.普通铸铁：与具有相同基体组织的碳素钢相比，切削加工性好,4.铝、镁等非铁合金 硬度较低，且导热性好，故具有良好的切削加工性。,51,工件材料的切削加工性,三、改善工件材料切削加工性的途径,采用热处理改善材料切削加工性,低碳钢塑性高正火 热轧中碳钢组织不均匀正火 马氏体不锈钢调质 高碳钢、工具钢硬度偏高球化退火 高硬度铸铁退火,调整材料的化学成分,钢中添加硫、磷、铅、钙等易切钢 铸铁中的所含元素对碳的石墨化影响其切削加工性,52,工件材料的切削加工性,四