第三章金属切削过程及其控制(1-4).ppt

1、1,磨损是连续的、逐渐的发展过程,破损是随机的突发破坏,刀具失效形式,磨损,破损,正常工作时逐渐产生的损耗,突发的破坏，随机的,3.8 刀具磨损与刀具寿命,脆性破损 塑性破损,2,包括: 重点掌握刀具磨损形态、机理、磨损过程及磨钝标准等； 了解刀具的破损形式及原因。,刀具的磨损是本节重点学习内容,磨损后的物理现象,Fz、，振动产生，尺寸超差，表面质量恶化。,重磨（换刀），影响效率,3,3.8.1 刀具磨损的形态和磨损机理,刀具磨损的形态,刀具的磨损发生在与切屑和工件接触的前刀面和后刀面上。,（1）前面磨损,在前刀面切削温度最高的位置。,月牙洼。,发生的位置：,形状：,切削塑性材料，切削速度和切

2、削厚度较大，刀具的耐热性及耐磨性稍差,产生条件：,产生原因：,刀屑接触区受高温高压作用,新鲜表面接触、磨擦,化学反应,月牙洼磨损,影响：,月牙洼形成,t,KT,磨损扩展,刀具崩刃,磨损值表示：,月牙洼最大深度KT,图示,5,(2). 后刀面磨损,后刀面磨损发生在下列区域 ：,（1）刀尖部分（C区）,在后刀面与工件接触的很小的一块面积上，由于大的接触压力而产生弹性和塑性变形，使后刀面被磨出沟痕形成的宽窄不均的磨损。,图示,（2）主切削刃靠近工件待加工表面部分（N区）,（3）在后刀面磨损带的中间部位（B区）,6,产生条件：,切削脆性材料 以较小的ac （0.1mm) 切塑性 材料时,产生原因：,接

3、触区高压强烈摩擦,沿后刀面逐渐扩展摩擦严重Fz、烧刀、振动。,磨损值表示：,后刀面平均磨损带宽度VB,影响：,图示,7,(3) 边界磨损,主切削刃靠近工件待加工表面处的后刀面上,发生区域 ：,磨出较深的沟纹,副切削刃靠近刀尖处的后刀面上,图示,8,产生原因：,氧化的原因。,接触区刀刃附近区域压应力、剪应力很大，非接触区的应力为零形成应力梯度，产生大的剪应力。,加工硬化作用及副切削刃处的切削厚度ac0引起副切削刃打滑导致磨损加剧。,工件的硬皮作用导致边界磨损。,9,2. 刀具磨损机理,刀具正常磨损的原因,硬质点磨损,粘结磨损,扩散磨损,化学磨损,切削速度对刀具磨损强度的影响 1-硬质点磨损；2-

4、粘结磨损；3-扩散磨损；4-化学磨损,硬质点对刀具表面的划痕。 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因,（1） 硬质点磨损,10,粘结磨损加剧, 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小,（2） 粘结磨损（冷焊）,图示,在中等偏低切削速度下，切屑低层与工件表面发生新鲜表面接触，原子之间发生粘结 硬质合金、高速钢均会发生,11,（3） 扩散磨损 高温下发生,刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素在固态下互相扩散，使刀具材料成分改变造成磨损。,高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,扩散越快,图示,切削温度越高； 刀具工件材料亲合力越大；,扩散磨损加剧,12,一定

5、温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起化学作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。, 高温情况下，在切削刃工作边界发生,化学磨损是边界磨损原因之一； 主要发生在较高速切削条件下。,（4） 化学磨损,13,3.8.2 刀具磨损过程及磨钝标准,新刃磨的刀具表面微观上粗糙不平； 刀刃锋利刀具后刀面与工件实际接触面积单位切削力磨损,1. 刀具磨损过程,(1) . 初期磨损阶段,曲线斜率大，磨损很快。,特点：,原因：,14,磨损缓慢稳定均匀。,(2）. 正常磨损阶段,特点：,刀具粗糙表面已磨平 ,单位切削力,原因：,刀具后刀面与工件实际接触面积,磨损,15,继续切削 切削力、温度 刀具磨损扩展极其迅

6、速 Ra 刀具的切削能力很快就会完全丧失。,3）. 急剧磨损阶段,磨损增加很快刀具损坏,特点：,原因：,磨损量VB已达到一定的限度，刀具钝化。,16,2. 刀具的磨钝标准,在生产实际中，常常根据切削中发生的一些现象（如出现火花、振动、啸音，或加工表面粗糙度恶化等）来判断刀具是否已经磨钝。,规定以1/2背吃刀量 (ap)处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。,刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。,（1）直观判断法,（2）ISO标准,17,（3）自动化生产标准,自动化生产中的精加工刀具，则常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的磨钝标准，称为径向磨损量NB。,1

7、8,刀具磨钝标准选取原则：,1）工艺系统刚性差，,2）难加工材料，,3）加工精度高，,4）大型工件，,VB取小些；反之，取大些。,VB取小些。（防止温度升高）,VB取小些。,VB取大些（防中途换刀）。,19,3.8.3 刀具耐用度和刀具寿命,一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。,刀具总寿命,刀具总寿命刀具耐用度刃磨次数,1. 刀具耐用度和刀具寿命的定义,刀具耐用度 T,刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的切削时间。,20,2. 切削用量对刀具耐用度的影响,通过试验，可以得到切削用量与刀具寿命的关系：,式中CT 、m、g、h 为与工件、刀具材料等有

8、关的常数 。,令x =1/m，y =1/g，z =1/h，则,21,用硬质合金刀具切削碳钢（b= 0.763GP a）时，有：,故对T的影响程度：Vfap,应先选ap，后选 f，最后选V。,选用切削用量时：,刀具耐用度T定得过高，切削用量就要取得低，但切削效率下降，经济效益未必好； 刀具耐用度T定得过低，切削用量可以取得高，但换刀次数多，刀具消耗变大，调整刀具位置费工费时，经济效益也未必好。,22, 刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时，刀具耐用度应规定得高些。 多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥和铣刀，自动机床及自动线上的刀具，因为调整复杂，刀具耐用度应规定得高些。 某工序的生产成为生产线

9、上的瓶颈时，刀具耐用度应定得低些。某工序单位时间的生产成本较高时刀具耐用度应规定得低些。 精加工大型工件时，刀具耐用度应规定得高些，至少保证在一次走刀中不换刀。,制订刀具耐用度时，应具体考虑的问题：,23,3.8.4 刀具的破损,在切削加工中，刀具不经正常磨损，而在很短时间内突然损坏以致失效的现象。,定义:,刀具破损的形式,脆性破损,塑性破损,1. 脆性破损,1）崩刃,刃上产生小缺口。 用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断续切削时，易发生这种破损。,为早期破损,24,刀刃上发生小块碎裂或大块断裂。硬质合金和陶瓷刀具断续切削时常发生。,2）碎断,为早期破损,3）剥落,刀面上掉下一片。为断续切削时发

10、生的早期破损。,4）裂纹破损,破损疲劳裂纹破损,25,（图3-38）硬质合金端铣刀的脆性破损形态,26,大应力、高温塑性变形刀具材料流动破损,2. 塑性破损, 烧刃,当切削速度过高而切削温度超过一定限度（高速钢超过600C），刀具材料将发生相变。,刀具材料的金相组织将由马氏体转变为硬度较低的屈氏体、索氏体或硬度更低的奥氏体，而丧失切削能力,27,高速钢刀具切削高硬材料或切削过程中遇到了硬皮或硬质点，则刀刃处可能发生塑性变形或卷刃，不能再继续工作。, 卷刃,钻头、丝锥、拉刀、立铣刀等刀具，若切削、负荷过重或使用不当，则可能折断。, 折断,28,3. 防止破损措施, 合理选择刀具材料。用作断续切削

11、的刀具，刀具材料应具有一定的韧性。 合理选择刀具几何参数。通过选择合适的几何参数，使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃的有效措施。 保证刀具的刃磨质量。切削刃应平直光滑，不得有缺口，刃口与刀尖部位不允许有烧伤。 合理选择切削用量。防止出现切削力过大和切削温度过高的情况。 工艺系统应具有较好的刚性。防止因为振动而损坏刀具。,29,3.8.5 刀具状态监控,直接监测与间接监测。,分类：,直接监测,1. 刀具磨损的检测与监控,采用直接测量刀具的磨损量，并通过补偿机构对相应误差进行补偿。,30,间接监测,检测与刀具破损相关的物理量（测力法、测温法、测振法、测主电机电流和声发射法）

12、。,优点：,可以克服直接监测法的缺点，能真正实现切削过程在线监测。,缺点：,需要大量的系统标定工作，标定精度决定了系统的监测精度。,31,2. 刀具破损的检测,（1）光电式破损检测 光源3发出的光线通过隔板的小孔射向刚加工完毕返回的钻头1。 若钻头折断或破损，则光线射向光敏元件2，发出破损信号； 若钻头完好，则光线被钻头阻挡，光敏元件无信号输出。,32,2）气动式破损检测 当钻头1退回时，气阀开启，气流经过喷嘴3射向钻头。如果钻头折断或破损，气流会冲向压力开关2，从而发出破损信号。,33,（3）磁通式破损检测 图中有一个带有线圈3的电磁铁芯2，钻头1起衔铁作用，从而形成磁路。当钻头折断时磁路不

13、通，从而发出破损信号。 检测刀具破损的方法还有许多，比如利用激光、超声波检测等。,34,35,2衡量指标 1）以一定刀具寿命耐用度下的切削速度vT衡量加工性； 2）以切削力或切削温度衡量加工性； 3）以加工表面质量衡量加工性； 4）以切屑控制或断屑的难易衡量加工性。,1切削加工性概念,定义：,在一定切削条件下，工件材料进行切削加工的难易程度。,3.9 工件材料的切削加工性,3.9.1 衡量材料切削加工性的指标,36,常用： 一定刀具耐用度下的切削速度vT衡量加工性,以切削正火状态的45钢（b0.637Gpa ）的V60为基准，记为 V60 j 相对加工性： Kv V60 / V60 j V60

14、 其它工件材料，在刀具耐用度为60min时所允许的切削速度,当 Kv 1时，该材料比45钢容易切削，例如有色金属Kv 3； 当 Kv 1时，该材料比45钢难切削,当Kv0.65时，就属于难加工材料,常见的难加工材料： 高锰钢、钛合金 、高强度钢、不锈钢、高温合金等。,材料相对加工性等级,39,3.9.2 改善材料切削加工性的措施,材料的切削加工性对生产率和表面质量的影响很大，因此在满足零件使用要求的前提下，尽量选用加工性能好的材料。 工件材料的物理性能和力学性能，如强度、硬度、韧性和塑性等，对切削加工性的影响较大，因此在实际生产中，采取一定的措施改善材料的切削加工性。,40,1. 调整化学成分

15、 如在钢中加入少量的硫、硒、铅、铜、磷等，虽略降低钢的强度，但同时降低钢的塑性，对加工性有利。 2. 材料加工前进行合适的热处理 低碳钢通过正火处理后，细化晶粒、硬度提高、塑性降低，有利于减小刀具的黏结磨损，减小积屑瘤，改善工件表面粗糙度； 高碳钢球化退火后，硬度下降，可减小刀具磨损； 不锈钢以调质到HRC28为宜，硬度过低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高则刀具易磨损； 白口铸铁可在9501000范围内长时间退火而成可锻铸铁，切削就较容易。,41,3. 选加工性好的材料状态 低碳钢经冷拉后，塑性大为下降，加工性好； 锻造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改为热轧后加工性得以改善。 4.

16、其他 采用合适的刀具材料，选择合理的刀具几何参数，合理地制订切削用量与选用切削液等。,42,3.10 切削条件的合理选择,刀具角度的选择包括：,前角o,后角o,主偏角r,副偏角r,刃倾角s,副后角o,3.10.1 刀具几何参数的选择,43,1）前角o,功用：o的大小决定刀刃的锋利程度和强固程度。,o,o ,o ,刀刃锋利,切削力和切削 功率,切屑变形,T,崩刃,刀刃的强度,散热体积、容热,Q T(刀具寿命）,选择用原则：,（1) 根据工件材料的种类和性质选择前角,加工塑性材料时， 加工脆性材料时，,应取较大前角；,应取较小的前角。,工件材料的强度和硬度大时，,（2) 根据刀具材料的种类和性质选

17、择前角,刀具材料的强度及韧性较高时(如高速钢) ；,宜选较小前角；,可选较大前角,强度及韧性较低(如硬质合金陶瓷) 时，,可选较小前角。,用硬质合金刀具 加工一般钢时，取o=1020； 加工灰铸铁时，取o=812。,一般硬质合金车刀的前角在 -5+20； 高速钢刀具的前角可比同类硬质合金刀具大510。,精加工或工艺系统刚性差，机床动力不足,（4) 成形刀具，数控机床和自动线刀具，为增加工作 稳定性和刀具使用寿命应选较小前角,选较大前角。,（3) 选择前角还要考虑一些具体加工条件,粗加工，特别是断续切削，有冲击载荷时， 为增强刀具强度，,宜选较小前角；,46,2） 后角 o,功用：减小后刀面与工

18、件间的摩擦和后刀面的磨损。,后刀面摩擦,o ,后刀面与加工表面间的接触 面积,表面质量、T,楔角（ ）刀刃锋利,o ,o 散热体积、容热 T,o 刀刃强度 崩刃,后角大小取决于：切削厚度、工件材料及工艺系统刚度。,o 刀刃磨损 影响径向尺寸精度。,47,3) 工件材料强度硬度高时,合理选择后角应遵循的原则：,2) 粗加工或承受冲击载荷时,5）对于有尺寸精度要求的刀具,6）工艺系统刚性差,4）加工塑性材料 硬脆材料,车削一般钢和铸铁时，选68,1）切削厚度（或进给量）较小时,宜取较大的后角；,应取较小后角；,精加工时 ,可适当增大后角。,宜取较小后角；,o选大；,o选小；,宜减小后角；,o选小（

19、消振）；,48,3）主偏角r,功用：影响切削条件、加工质量和刀具寿命。,r 已加工表面上的残留面积高度 Rmax=f / (cotkr+cotkr) 已加工表面粗糙度,r 吃刀抗力Fp增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。,r主刃参加切削的长度增加负荷减轻、散热面积 刀具寿命,49,工艺系统刚性好时，r取小值； 工艺系统刚性差时（如切削细长轴），r取大； 工件材料硬度、强度 r取小值。,选择用原则：,常用：45、60、75、90,4） 副偏角r,功用：可减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，防止切削时产生振动。,选择：主要根据表面粗糙度的要求选取，一般为515,粗加工取大值，精

20、加工取小值。,50,5） 刃倾角s,s0，切屑流向已加工表面,s0，切屑流向待加工表面,51,s0，刀尖先接触工件，易崩；,s0，刃远离刀尖部分先接触工件，切削平稳；,soe刀刃锋利；,52,加工一般钢料和铸铁，无冲击时： 粗车s 05，精车s 0+5； 有冲击时：s 515； 冲击特别大时：s 3045。,选择用原则：,切削加工高强度钢、冷硬钢时： s 2030,功用：影响流屑方向、刀头强度、刀刃的锋利性,53,以上各种刀具参数的选择原则只是单独针对该参数而言，必须注意的是，刀具各个几何角度之间是互相联系互相影响的。在生产过程中，应根据加工条件和加工要求，综合考虑各种因素，合理选择刀具几何参

21、数。 在加工硬度较高的工件材料时，为增加切削刃强度，一般取较小后角； 加工淬硬钢等特硬材料时，常常采用负前角，但楔角较大，如适当增加后角，则既有利于切削刃切入工件，又提高刀具耐用度。,综合考虑各种因素，合理选择刀具几何参数,54,切削用量选择原则,粗加工时获得最大的生产率 首先选取尽可能大的背吃刀量ap； 其次根据机床动力和刚性限制条件及加工 表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给量f； 最后利用切削用量手册选取或者用公式计算 确定切削速度v。,精加工时获得好加工质量 主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。,3.10.2 切削用量的选择,55,(1)背吃刀量的选择,粗加工：一般取 810m

22、m，一次走刀尽可能切除全 部粗加工余量,4）切削有硬皮的铸、锻件或不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使ap超过硬皮或冷硬层厚度，以避免刀尖过早磨损。,以下情况，粗车要分几次走刀：,1）加工余量太大；,2）工艺系统刚性不足或加工余量不均；,3）断续切削；,；,56,(2). 进给量的选择,机床进给机构强度、刀具强度与刚性、工件的装夹刚度决定。,半精加工、精加工时，进给量由加工精度和表面粗糙度决定。,粗加工，按工艺系统所能承受的最大进给量选；,考虑因素：,工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度。,考虑因素：,1）当刀尖圆弧半径较大、副偏角较小时，已加工表面粗糙度较小，可选较大的进给量；,3）当加工脆性

23、材料时，得到崩碎切屑，已加工表面不平整，表面粗糙度较大，应选较小的进给量。,生产实际中多采用查表法确定进给量。,2）当切削速度较高时，切削力降低，可适当增大进给量；,4) 如果工艺系统的刚度较好，可以选择较大的进给量，否则应适当减小进给量。,58,在ap、f 值选定后，根据公式或查表来选定车削速度。,(3)、切削速度的确定,1）公式计算法,2）查表法,59,5)加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度。,选择时，应考虑以下几点：,1)精加工时应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域；,2)断续切削时，为减小冲击和热应力，宜适当降低切削速度；,3)在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度；,

24、4)加工大件、细长件和薄壁件时，应选用较低的切削速度；,切削用量三要素选定之后，还应校核机床功率。,60,改进刀具结构和选配合理刀具几何参数。,5提高切削用量的途径,采用切削性能更好的新型刀具材料；,改善工件材料的切削加工性；,改善冷却润滑条件 。,提高刀具的制造和刃磨质量；,61,3.10.3 切削液的合理使用,1. 切削液的作用,（1）冷却作用,（2）润滑作用,（3）排屑和清洗作用,（4）防锈作用,62,2.切削液的分类 水溶液 水添加剂 冷却 粗加工 乳化液 乳化油水 切削油 矿物油添加剂 润滑 精加工,3 . 切削液的作用机理 冷却 热的产生；将热量带走。本身导热系数、 比热、汽化热及

25、流量、流速、冷却方式等。 润滑 切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度 排屑、清洗 防锈 防锈添加剂,63,2. 切削液的添加剂,（1）油性添加剂,作用：油性添加剂中含有极性分子，能在金属表面形成牢固的物理吸附膜，主要起润滑作用。 用途：多用于低速精加工场合 油性添加剂的种类 动植物油、脂肪酸、胺类、醇类和脂类。,油性添加剂切削液在200以下使用。,64,（2）极压添加剂,作用：主要利用添加剂中的化合物，在高温下与加工金属快速反应形成化学吸附膜，从而起固体润滑剂作用。 含硫的极压切削油，使用时在金属表面形成硫化铁膜在高温下也不易破坏。,常用的极压添加剂是含硫、磷、氯、碘的有机化合物。,含氯

26、的氯化石蜡、氯化脂肪酸等添加剂，与金属表面起化学反应生成氯化亚铁、氯化铁和氯氧化铁薄膜，起润滑作用。,硫与氯的极压切削油分别对有色金属和钢铁有腐蚀作用，应注意合理使用。,65,石油磺酸钠、油酸钠皂等都属于阴离子型，具有清洗和润滑性能好的特点； 聚氯乙烯、脂肪、醇、醚等属于非离子型。,（3）表面活性剂,表面活性剂是一种有机化合物，它使矿物油微小颗粒稳定分散在水中，形成稳定的水包油乳化液。 表面活性剂除起乳化作用外，还能吸附在金属表面，形成润滑膜，起润滑作用。,66,（1）从加工要求考虑 粗加工，选用水溶液或低浓度乳化液； 精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液； （2）从刀具材料考虑 高速钢，需用

27、切削液；Y合金等,可不用或充分连续用；,（3）从工件材料考虑 钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用； 高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液 （4）从加工方法考虑 钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油； 成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。,3. 切削液的合理选用,67,3.11 磨削机理,适于加工淬硬钢、耐热钢及特殊合金材料等坚硬材料。,3.11.2 概述,磨削加工用于半精加工和精加工。,加工精度可达 IT5IT6， 加工表面粗糙度可达 Ra1.250.01m， 镜面磨削时可达Ra0.040.01m.,用途：,磨削加工是用高速回转的砂轮或其它磨具对工件进行加工的方法。,68