金属切削原理.ppt

1、第1章 金属切削原理,1.1 切削加工的运动分析及切削要素 1.2 金属切削刀具 1.3 切削过程中的物理现象 1.4 工件材料的切削加工性 1.5 切削液,机 械 制 造 基 础,本章的学习要求,(1)掌握切削运动、加工表面、切削用量及切削层参数概念和分析方法； (2)掌握刀具标注角度和工作角度的概念、合理选择刀具角度，常用刀具材料的性质与选用； (3)掌握切削过程中的物理现象及其对加工过程的影响； (4) 掌握切削液的作用，合理选用切削液。 重点和难点：刀具角度和切削过程中的物理现象,切 削 加 工 基 础 知 识,切 削 运 动 及 切 削 要 素,1.1 切削加工的运动分析及切削要素,

2、 回转体表面：是以直线为母线作旋转运动所形成的表面； 成型方法：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等。,1.1.1 零件表面的形成,平面：是以直线为母线作直线运动形成的表面； 成型方法：铣削、刨削、平面磨削等。, 曲面：是以曲线为母线作旋转或平移所形成的表面； 成型方法：铣削、成形磨削、数控铣削、电火花加工、激光加工等。,1.1.2 切削运动,l 分类： 1）主运动：切除切屑所需的基本运动。 3个特点：速度最快；消耗功率最大；唯一性。,l 概念：刀具与工件间的相对运动，以切除多余的金属,2）进给运动：使金属层不断投入被切削的运动。 3个特点：速度较慢；消耗功率较小；可以为一个或多个。,4

3、）其它运动：吃刀运动 分度运动,切 削 运 动 及 切 削 要 素,3) 合成切削运动,常见机床的切削运动,切 削 运 动 及 切 削 要 素,正在加工的工件表面，根据其所处的状态分为：已加工表面：已经加工完成的表面。加工表面（过渡表面）：切削刀具正在进行切削加工的表面。待加工表面：即将进入切削加工的表面。,l 加工表面,切 削 运 动 及 切 削 要 素,切 削 运 动 及 切 削 要 素,1.1.3 切削要素,l切削用量三要素： 切削速度vc:主运动的线速度(mm/min) 圆周运动：Vc=dwn 直线往复：Vc=2Lnr,进给量：刀具相对工件沿进给方向移动的距离。 1）（周期）进给量f(

4、mm/r)：主运动一个循环 2）进给速度vf(mm/min)：单位时间内 3）每齿进给量af(mm/z)：刀具每个刀齿,切 削 运 动 及 切 削 要 素,背吃刀量（切削深度）ap(mm):已加工表面与待加工表面间的距离。 补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度。,切削层：主运动一个周期，相邻两加工表面（切削刃）之间的材料截面。,l 切削层参数,切削层公称厚度hD（老标准ac）： hD=f sinKr 切削层公称宽度bD（老标准aw）: bD=ap/sinKr 切削层公称截面积AD： AD=ap f=bD hD 残留面积AD 残留面积高度 ： H=f/( ctgKr+ct

5、gKr) r=0 H=f 2 / 8r r0,切 削 运 动 及 切 削 要 素,切 削 运 动 及 切 削 要 素,r=0 时，在ABD和ACD中 BD=H ctgKr DC=H ctgKr BD+DC=f H(ctgKr+ctgKr)=f 残留面积高度：H=f/( ctgKr+ctgKr),切 削 运 动 及 切 削 要 素,r0 时 H=BD=BE-DE,移项后两边平方,并忽略H2(H r)：,残留面积高度： H=f2/8r,金 属 切 削 刀 具,l刀具结构及其几何形状,1.2 金属切削刀具1.2.1 刀具切削部分的基本定义,刀具分类：按工种：车刀、铣刀、刨刀、滚刀等。 按功能：车刀、

6、切断刀、螺纹刀、偏刀、尖刀、镗孔刀、成形刀等。 结构形式：整体式、焊接式、机械安装式（压板压紧）,前刀面Ar 主切削刃S 主后面Aa 刀尖 副后面Aa 副切削刃S,l 切削部分组成,l 刀具的静止参考系（PrPsPo系正交平面参照系）,（1）静止参照系的假设条件： 假定运动条件：进给量f=0 假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高； 刀杆方向与进给方向垂直。,（2）辅助平面： 切削平面Ps：过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。 基面Pr：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。 正交平面Po（主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平 和基面相垂直的平面。,金 属 切 削 刀 具,前角的作用：前角

7、 切屑变形切削力刃口强度前刀面磨损 导热体积 刀具前角的选用：加工塑性材料选大前角 加工脆性材料、断续切削选小前角 加工硬材料选用负前角,刀具的标注角度是指静止状态下，在工程图上标注的刀具角度。（下面以车刀为例介绍刀具的标注角度） 1. 刀具标注前角0：在正交平面内测量的，前刀面与基面的夹角。 前角的标注：,l刀具标角度的定义,金 属 切 削 刀 具,在正交平面内测量的，后刀面与切削面的夹角。 后角的标注：,后角的作用：后角 后刀面与加工表面间的摩擦 后刀面磨损 刃口强度 导热体积 刀具后角的选用：粗加工选小后角 精加工选大后角 选大前角时选小后角以增大刃口强度,2.刀具标注注后角0：,金 属

8、 切 削 刀 具,主偏角的作用：主偏角 切削刃工作长度 刀尖强度 导热体积 径向分力 刀具主偏角的选用：一般为3075 加工细长工件采用9093 ,副偏角的作用：副偏角 副后面与工件已加工表面摩擦 刀尖强度 表面粗糙度 刀具副偏角的选用：一般为520 特殊要求可采用Kr=0 的修光刃,在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。 4. 副偏角Kr：在基面内测量的，副切削刃与进给反方向的夹角。 主偏角和副偏角的标注：,3. 主偏角Kr：,金 属 切 削 刀 具,刀具刃倾角的选用： 精加工取S 0 粗加工取S 0 加工细长工件采用S 0 ,刃倾角的作用： （1）影响排屑方向： S 0 排向待加工表面

9、 ； S 0 排向已加工表面； S =0 前刀面上卷曲,在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。 刃倾角的标注：,5. 刃倾角S：,（2）影响切入切出的稳定性 （3）影响背向分力大小,金 属 切 削 刀 具,1）粗加工塑性材料时，选择大前角0，小后角0，小主偏角Kr，较小或负的刃倾角s；加工脆性材料时可适当减小前角0；加工高硬度难加工材料时，采用负前角(00)。 2）精加工时，一般选择较大后角0，较小的前角0，非负的刃倾角（s0），加工细长轴时选择大主偏角Kr。,l刀具角度的选择原则：,金 属 切 削 刀 具,例题：,下图为外圆车削示意图，在图上标注：（1）主运动、进给运动和背吃刀量；（2

10、）已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；（3）基面、主剖面和切削平面；（4）刀具角度015、06、Kr55、Kr45、s10 。,金 属 切 削 刀 具,金 属 切 削 刀 具,金 属 切 削 刀 具,金 属 切 削 刀 具,刀具工作角度,通常情况下 工作角与标注角近似相等。如普通车削、镗孔、铣削等。 当 较大时或安装误差较大时必须考虑其影响。如：车螺纹、铲背、钻孔等。 刀具的安装条件变化也引起了参考系的变化。,1. 刀具工作参考系（PrePsePoe） 刀具工作角度又称刀具切削角度：刀具实际切削条件下的实际角度。,工作参考系与静止参考系的差别：工作条件下，合成切削速度为主运动与进给运动的

11、合成速度；而静止条件下合成速度与切削速度是一致的。,金 属 切 削 刀 具,（3）刀杆中心线与进给方向不垂直时工作角度变化,（2）刀尖安装高低对工作角度的影响 车外圆刀尖安装偏高（低）：工作前角增大（小），工作后角减小（大）； 镗内孔刀尖安装偏高（低）：工作前角减小（大） ，工作后角增大（小） 。,对工作角度的影响,（1）进给对工作角度的影响 横向进给： 纵向进给： 0e=0+ 0e=0- 工作前角增大，工作后角减小。,金 属 切 削 刀 具,1.2.2 刀具材料,l刀具材料的基本性能 高硬度 高耐热性 足够的强度和韧性 高耐磨性 良好的工艺性 五个基本性能相互联系，又相互制约，应根据具体加工

12、条件，抓主要性能，兼顾其它。,金 属 切 削 刀 具,l 常用刀具材料的种类及应用,金 属 切 削 刀 具,1.3 切削过程中的物理现象1.3.1 切削过程,l 切屑的形成： 推挤作用 切割作用,崩碎切屑：不规则屑片，较低 vc，较大ap，f 加工脆性金属时产生。,l切屑的种类（不考虑刀具断屑等因素的影响） 带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大0，高vc，小ap，f 加工塑性金属时产生。,节状（挤裂）切屑：上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑，较低 vc，较大ap，f 加工中等硬度塑性金属时产生。,粒状（单元）切屑：菱形单元分离体，较低 vc，较大ap，f 加工硬度较高塑性较差金属时

13、产生。,金 属 切 削 过 程,l 切屑变形,（1）第I变形区（剪切区、塑性变形区）：从开始发生塑性变形到晶粒剪切滑移基本完成。 切屑收缩现象： 变形系数越大，切削变形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量越差。,金 属 切 削 过 程,滞流现象: 切削塑性金属时，由于切屑底层与刀具的挤压和摩擦，切屑底层金属流速减缓的现象。 积屑瘤：在一定温度、压力条件下，滞流层与前刀面之间的摩擦力大于切屑底层内部晶粒的间的亲和力，滞流层部分金属粘结在前刀面切屑刃附近，形成的一块硬的金属层（由于塑性变形，硬比度比工件材料高23倍）,（2）第II变形区（摩擦区）,金 属 切 削 过 程,形成

14、条件：中低速切削塑性金属 冷焊现象：挤压与摩擦产生高温高压，同时摩擦带走杂质，刀具表面与切屑表面新鲜金属粒子间的亲合力和摩擦力之和大于切屑材料内部粒子间的亲合力，就会从切屑上撕下一小块金属粘接在前刀面上，形成积屑瘤。 特性：无有小大脱落 周期性 对切削过程的影响：保护刀刃；使工作前角增大，切削刀减小；切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度。,（2）第II变形区（摩擦区）,金 属 切 削 过 程,变形强化（加工硬化） 成因：1）挤压塑性变形 2）表面相变 对加工过程的影响： 影响后续加工 影响加工表面质量 产生残余应力 消除变形强化的措施： 通过热处理降低材料塑性； 采用切削液； 加工后通过热处

15、理消除变形强化。,（3）第III变形区（挤压区）,金 属 切 削 过 程,1.3.2 切削力和切削功率,l 切削力的来源与分解 （1）切削力的来源：变形抗力和摩擦阻 切削力是所有切削力的合力，为空间交变力。 （2）切削力的几何分力（车削外圆为例） 主切削力Fc（主运动方向上的正投影（分力） 进给力Ff（进给方向上的正投影（分力） 背向力Fp（垂直于工作平面上的分力）,金 属 切 削 过 程,1.3.2 削力和切削功率,l 切削力估算与切削功率 （1）Fc=kcAD=kcapf 其中；kc为单位切削力，同一材料，在一定切削条件下kc是不变的，可测定 （2）切削功率Pc=FcVc,金 属 切 削

16、过 程,l 影响切削力的因素：,（1）工件材料：材料成分、组织和力削性能是影响切削力的主要因素。强度、硬度、塑性、韧性越大切削力越大； （2）切削用量：影响最大的是ap ，其次是f，切削速度c最小，Fc与c是1：1，f影响7080%， c 影响积屑瘤的存在，有积屑瘤时F明显减小。 （3）刀具几何角度：0增大，刃口锋利、切削变形小，摩擦小，切削力减小；o增大、摩擦减小，切削力减小；Kr增大Fp减小；正s，Fp减小Ff增大。 （4）其它因素：切削液使用润滑条件好，切削力减小，刀具磨损后切削力剧增。,金 属 切 削 过 程,1.3.3 切削热和切削温度,l 切削热的来源与传散 （1）切削热来源于：切

17、削层材料弹、塑性变形变形热刀具前、后刀面的摩擦摩擦热 三个切削变形区是三个主要热源区 （2）切削热的传散：通过刀具、切屑、工件和周围介质（如：空气、切削液等）散热。,l切削温度及其影响因素 切削温度取决于切削热的产生与传热的综合因素，切削温度太高，工件产生热变形，加工精度下降，刀具寿命降低。 影响切削温度的因素：切削用量、工件材料、刀具几何角度、其它条件 切削量中影响最大的是切削速度c ，其次是f， ap影响最小,金 属 切 削 过 程,1.3.4 刀具磨损与刀具寿命,l刀具磨损过程 初期磨损阶段：刀具表面粗糙度大、单位面积压力高，磨损快。 正常磨损阶段 急剧磨损阶段：磨损后切削温度升高，磨损

18、量急剧增加。,金 属 切 削 过 程,1.3.4 刀具磨损与刀具寿命,l 刀具磨损形式 （1）后面磨损：切削脆性材料，切削塑性材料hD0.5mm用月牙洼最大深度KT表示。 （3）前后面同时磨损：切削塑性材料hD在0.10.5mm之间大多数情况下前、后刀具都有磨损，后刀面磨损对加工质量影响最大，测量方便，通常以VB来表示刀具磨损程度。,金 属 切 削 过 程,l刀具磨损的原因：,1. 机械摩擦磨损：磨粒磨损、粘结磨损 2. 热效应磨损：相变磨损-高速钢刀具 氧化磨损、扩散磨损-硬质合金刀具,l 刀具寿命及其影响因素 磨钝标准：通常指刀具后刀面允许的最大磨损量。 刀具寿命T：刀具开始切削到达到磨钝标准中切削时间。 影响刀具寿命的因素：切削用量；工件材料；刀具材料及几何角度；其它因素。 切削量中影响最大的是切削速度c ，其次是f，ap影响最小。,金 属 切 削 过 程,l切削用量的选择原则：,1） 粗加工时，为提高机械加工效率，首先选择较大的切削深度，其次是较大的进给量，最后选择中低切削速度，以保证刀具寿命。 2） 精