金属切削过程及控制.ppt

1、第3章 金属切削过程与控制,3.1 切削过程和切屑类型,3.2 切削力,3.3 切削热、切削温度和切削液,3.4 刀具的磨损和刀具耐用度,3.6 切削用量的合理选择,教学目的：掌握切削的三个变形区；了解切屑的基本类型；掌握切削力的组成及计算方法；掌握切削热的产生以及对刀具寿命的影响。,教学重点：1金属切削过程中所产生的物理现象及其内在规律及应用；2刀具耐用度和刀具总寿命；3合理选择切削用量的原则和方法；,3.1 切削过程与切屑类型,教案九,金属切削过程中，刀具与工件相互作用，产生切削变形、形成切屑、产生切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等现象。为了保证产品加工质量、减少能耗、提高生产率、必须合

2、理使用与设计刀具、夹具和机床、选择最合理的切削用量，必须研究切削过程，分析金属切削变形及其规律。,3.1 切削过程与切屑类型,切削方式：直角自由切削方式,特点： 一条切削刃参与切削过程 切削刃与切削速度垂直 切削刃长度超过切削层宽度,3.1 切削过程与切屑类型,教案九,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：与偏挤压类似。弹性变形剪应力增大，达屈服点塑性变形，沿OM线滑移剪应力与滑移量继续增大，达断裂强度切屑与母体分离。,金属挤压与切削比较,一、切屑成形过程及切削变

3、形区的划分,切屑根部金相照片（直角自由切削）,金属切削变形过程,3.1 切削过程与切屑类型,教案九,刀具挤压工件，产生弹性变形：切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形； 塑形变形：随着切应力，切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移； 挤裂：刀具继续切入，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤断； 切离：切屑沿刀具前刀面流出。,切屑的形成过程,金属切削过程中的滑移线和流线示意图,3.1 切削过程与切屑类型,教案九,第变形区：即剪切滑移区金属剪切滑移，成为切屑。 始滑面OA与终滑面OM之间的区域，塑性变形主要集中于此区域。,三个变形区,3.1 切

4、削过程与切屑类型,三个变形区,第变形区：纤维化区。 切屑沿前刀面流动，受挤压与摩擦，切屑底部晶粒纤维化，其方向基本与前刀面平行。 造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。,3.1 切削过程与切屑类型,三个变形区,第变形区：纤维化与加工硬化区 工件基体留下的表层（已加工面）经过刀具钝圆切削刃和后刀面挤压摩擦，产生塑性变形，刀具前移时，工件表面回弹。 造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、加工硬化和残余应力。,3.1 切削过程与切屑类型,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。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,切屑与前刀面的摩擦变形

5、,图 切屑与前刀面的摩擦,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。,特点,两个摩擦区,已加工表面的变形,hD,hD,刀刃钝圆半径rn : 前后刀面过渡圆弧半径。 后刀面磨损带VB : 后刀面实际后角为零的棱带。 弹性恢复区CD：,已加工面受到后刀面挤压 与摩擦产生塑性变形，是 造成已加工面加工硬化和 残余应力的主要原因。,晶粒滑移示意图,3.1 切削过程与切屑类型,教案九,3.1 切削过程与切屑类型,教案九,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小。 假设：宽

6、度不变，体积不变。, 厚度变形系数, 长度变形系数,由截面积相等可推出两变形系数相等,剪切角越大，切削变形越小。,当0 = 030，h 1.5时， h与相近 主要反映第变形区的变形，h还包含了第变形区的影响。,相对滑移系数,对于同一材料，用相同的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度较高时，剪切角越大，剪切面积越小，即变形程度越小。,根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角为45，可以推出：,前角越大，摩擦系数越小，切削变形越小。 切削材料的强度、硬度越高，进给量越大，切削厚度越大，摩擦系数减小，变形减小,剪切角,影响切屑变形的主要因素：,1、工件材料：强度、硬度越大，切

7、屑变形越小； 2、刀具前角：前角越大，切削刃越锋利，剪切角越大，切屑变形越小； 3、切削速度：通过积屑瘤和切削温度使剪切角变化而影响切屑变形的波动； 使得积屑瘤增大的切削速度范围，随着vc 实际前角 变形 使得积屑瘤减少的切削速度范围，随着vc 实际前角 变形 在无积屑瘤的切削速度范围，随着vc 变形 4、切削厚度：切削厚度增加，摩擦系数减少，剪切角增大，变形系数减少。在无积屑瘤的情况下，进给量越大，变形越小。,三、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,3.1 切削过程与切屑类型,教案十,积屑瘤：在中低速度切削塑性金属,并能形成带状切屑的情况下，滞流层金属粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬块或楔块。

8、,1、特点： 硬度比工件基体高23倍，故可替代切削刃参加切削。 顶部凹凸不平，使加工表面粗糙度增加。 反复生长和脱落，脱落后被切屑带走或粘附在已加工表面上。,2、积屑瘤的形成条件：1）. 切削塑性材料；2）. 切削区温度高；3）. 接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素，符合内摩擦条件。4）. 切削速度在一定范围内, 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接 粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化,滞留粘接长大 由于切屑和前刀面间具有强烈的摩擦，当切屑顺着前刀面流出时，与前刀面接触的切屑底层受到了很大的摩擦阻力，使此层金属的流速降低。 当外摩擦力大于切屑分子结合力时，使切屑底层中的一部分金

9、属停滞在刃口附近，形成积屑瘤。,积屑瘤成因,积屑瘤形成过程,积屑瘤（视频）,3、积屑瘤对切削过程的影响：,4、控制积屑瘤的措施,教案十,3.1 切削过程与切屑类型,2.使用冷却润滑液； 3.降低前刀面粗糙度值； 4.增大刀具前角。 5.适当提高工件材料硬度； 6.提高刃磨质量。,粗加工时可利用，使积屑瘤稳定存在； 精加工时避免或抑制积屑瘤的产生。,积屑瘤控制方法：减小切屑流走时的阻力和摩擦力，都会减小积屑瘤的高度或避免积屑瘤的产生。,1.避免采用产生积屑瘤的速度进行切削（低速或高速不易产生积屑瘤）,积屑瘤控制方法： 改变切削速度最有效；,切削中碳钢时 低速(vc3m/min)切削时，切削温度很

10、低； 较高速(vc60m/min)切削时，切削温度较高， 这两种情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。 中速(vc20m/min)时，积屑瘤的高度达到最大值。,切削脆性材料 产生崩碎切屑，切削过程不平稳,表面粗糙度大， 应0vhD,3.1 切削过程与切屑类型,四、切屑的类型及控制,1、切屑的类型,各种不同切屑的形成，主要是由于切削过程中金属的变形能力和变形程度不同造成的 切屑的各种形态之间是可以转化的 由于各种不同切屑对切削效率、刀具寿命和加工质量的影响不同，因此可以用改变切削条件的办法来控制切屑的形态，以控制切削过程。,3.1 切削过程与切屑类型,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,崩碎切屑,3

11、.1 切削过程与切屑类型,切屑形态照片,切屑类型（视频）,教案十,切屑的形状,3.1 切削过程与切屑类型,教案十,2、切屑控制： “不可接受”的切屑：切削条件恶劣导致。影响主要有拉伤工件的已加工表面；划伤机床；造成刀具的早期破损；影响操作者的安全。 切屑控制：在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形（如“c”形、“6”形及50mm左右长度的螺旋状切屑）。,切屑经第、第变形区的剧烈变形后，硬度增加，塑性下降，脆性增加。在切屑排出过程中，当碰到障碍时，如某一部位的应变超过了切屑材料的断裂应变值，切屑就会折断。,工件材料脆性越大、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越

12、小，切屑就越容易折断。,断屑机理及措施,采用断屑槽,对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。 断屑槽的主要参数是槽宽和槽高（或槽圆弧半径）。,3.1 切削过程与切屑类型,教案十,断屑槽在前刀面的位置有三种型式： （a）平行式；（b）外斜式；（c）内斜式。 其中外斜式最常用，平行式次之。内斜式主要用于 背吃刀量ap较小的半精加工和精加工。,3.1 切削过程与切屑类型,教案十,3.1 切削过程与切屑类型,教案十,3.1 切削过程与切屑类型,教案十,一、切削力的来源、切削合力及分解、切削功率, 切削层金属、切屑和工件表面金属的弹、塑性变形所产生的抗力 切屑、工件与刀具间摩擦

13、阻力,1、切削力的来源,3.2 切削力,教案十,切削力：金属切削时，刀具切入工件使被切金属层发生变形成为切屑所需要的力称为切削力。,2、切削合力及分解,1）主切削力Fz 2）切深抗力Fy 3）进给力Fx,3.2 切削力,教案十,主切削力Fc（主切削力Fz）：在主运动方向上的分力，它切于加工表面,并与基面垂直。Fc用于计算刀具强度，设计机床零件,确定机床功率等。 进给力Ff（进给抗力Fx）：在进给运动方向上的分力，它处于基面内与进给方向相反。Ff用于设计机床进给机构和确定进给功率等。 背向力Fp（切深抗力Fy）：在垂直于工作平面上分力，它处于基面内并垂直于进给方向。Fp用来计算工艺系统刚度等。它

14、也是使工件在切削过程中产生振动的力。,车削时，各切削分力的近似比例：,3、切削功率,Fzvc10-3（KW）主运动消耗的功率 ，占总 切 削功率的95%左右。,10-3（KW） 进给运动消耗的功率，占,总消耗功率的5%左右。,总消耗功率：Pm=（Fzvc+,）10-3,切深抗力方向没有位移，因此不消耗功率。,3.2 切削力,教案十,机床电机功率：,式中 机床传动效率，通常= 0.750.85,二、切削力的计算及经验公式,1、计算切削力的指数公式,CFz、CFy、CFx与被加工金属材料和切削条件有关的系数； xFz、xFy、xFx背吃刀量ap的影响指数； yFz、yFy、yFx进给量f的影响指数

15、； nFz、nFy、nFx切削速度v的影响指数；,KFz、KFy、KFx计算条件与实验条件不同时的总修正系数。,3.2 切削力,教案十,切削深度对切削力的影响最大，进给量的影响次之，切削速度的影响最小。,2、用单位切削力计算主切削力,p=,=,=,（N/mm2）,Fz=papfKfpKvFzKFz Fy=papfKfpKvFz（Fy/Fz）KFy Fx=papfKfpKvFz（Fx/Fz）KFx,Kfp进给量对单位切削力的修正系数； KvFz切削速度改变时对主切削力的修正系数； Fy/Fz、Fx/Fz主偏角不同时，Fy、Fx与Fz的比值； KFz、KFy、KFx刀具几何参数不同时对切削力的修正

16、系数。,3.2 切削力,教案十,三、影响切削力的因素,1、切削用量,1）背吃刀量ap 和进给量f对切削力的影响;,3.2 切削力,教案十,切削深度与切削力近似成正比； 进给量增加，切削力增加，但不成正比；,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。,2）切削速度Vc对切削力的影响复杂,3.2 切削力,教案十,2、刀具几何角度影响,3.2 切削力,教案十, 前角0 增大，切削力减小（左图）；对于脆性材料，影响不显著, 主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著(r Fp，Ff), 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不

17、大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著(sFp，Ff) 刀尖圆弧半径r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著( r Fp，Ff) 负倒棱：提高刀具的刃口强度，增加刀具寿命；但使切削变形增加，从而切削力增大。,3.2 切削力,教案十,3、工件材料,4、其他因素影响, 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩 擦，而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响 最为显著 ；, 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热, 主要来源 QA=QD+QFF+QFR,式中： QD ：剪切区切削层弹性和塑性变形消耗的能量； QFF ：前刀

18、面摩擦热； QFR：后刀面摩擦产生的热量；,3.3 切削热、切削温度、切削液,一、切削热的产生与传导,3.3 切削热、切削温度、切削液,切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质（空气，切削液）向外传导。影响散热的主要因素是：,（1）工件材料的导热系数,2、切削热传导,（2）刀具材料的导热系数,（3）周围介质,通常切削带走的热量较多，但在封闭和半封闭切削的钻、拉、攻螺纹等切削刀具中占热量的比例高于50%。,切削热（视频）,TJ University,切削温度分布, 切削塑性材料 前刀面靠近刀切削刃一定距离处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处（约0.3mm）温度最高。 终剪切滑移面后，切屑流出

19、的垂直方向温度变化较大、越靠近刀面，温度越高。,二、影响切削温度的主要因素,1、 切削用量的影响,式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。,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。,vc、f、ap, , ap增大一倍，则Q升高3左右。, Vc增大一倍，则Q升高25左右；, f 增大一倍， 则Q升高10左右；,因此，若要切除给定的余量，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。 上述

20、切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规程时，确定切削用量的原则。,2、刀具几何参数的影响,前角o切削变形小切削温度 主偏角r切削刃工作长度散热条件好切削温度,3、工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度 工件材料导热性 切削温度,4、刀具磨损的影响,5、切削液的影响,三、切削液,（1）作用机理 冷却作用 润滑作用 清洗作用 防锈作用,（2）类型 水溶性和非水溶性切削液,一、刀具磨损形态及其原因,1、刀具磨损形态,3.4 刀具的磨损和刀具耐用度,两大类： 正常磨损：刀具在设计、制造与使用合理情况下，切削过程中逐渐磨损。 非正常磨损：破损(裂纹、崩刃、破碎等)，卷刃(

21、刀刃塑性变形),刀具磨损：切削中，刀具在高压高温和强烈的摩擦条件下，切削刃逐渐变钝以至失去正常切削能力。,刀具的正常磨损形式,前刀面磨损 切塑性材料，vC 和hD较大时，切屑对前刀面的压力大、摩擦剧烈，温度高，在前刀面上切削刃附近形成月牙洼磨损，随着磨损加剧，月牙洼逐渐加深。磨损程度以最大深度KT 表示。,3.4 刀具的磨损和刀具耐用度,切削脆性材料或以较低vC和较小hD切塑性材料时，前刀面上摩擦不大，温度较低，这时的磨损主要发生在后刀面。,刀尖部分：散热差，强度低，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：切削刃与待加工表面相交处，磨损严重，以VN表示

22、。,后刀面磨损,后刀面磨损,2、刀具磨损原因,刀具磨损是机械的、热的和化学的三种作用的综合结果,3.4 刀具的磨损和刀具耐用度, 磨粒磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损 刀具材料与工件材料亲和力大 中等偏低切速 相变磨损 切削温度达到或超过刀具的相变温度（高速钢550C600C）,粘结磨损加剧, 扩散磨损 高温下发生（硬质合金800C） 氧化磨损 高温情况下（700C800C），在切削刃工作边界发生。,在低、中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因，如拉削、铰孔、攻螺纹。在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损，使硬质合金刀具产生粘结、扩散和

23、氧化磨损。,二、刀具磨损过程及磨钝标准,1、刀具磨损过程,3.4 刀具的磨损和刀具耐用度,结论： 应在急剧磨损阶段之前磨刀或换刀，这样既合理使用刀具，又保证加工质量。,2、磨钝标准,3.4 刀具的磨损和刀具耐用度,最大允许磨损量取后刀面磨损带中部平均宽度 VB,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。,考虑因素： 工艺系统刚性；工件材料；加工精度和表面质量；工件尺寸,三、刀具耐用度及其经验公式,1、刀具寿命（耐用度）概念, 刀具从切削开始至磨损量达到磨钝标准的切削时间， 用T 表示。 刀具总寿命 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。,3.4 刀

24、具的磨损和刀具耐用度,2、刀具寿命（耐用度）经验公式,3.4 刀具的磨损和刀具耐用度,式中CT 为与工件、刀具材料和其他切削条件有关的常数 。,因此，在保证一定的刀具耐用度的条件下，为提高生产率，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个较大的进给量，最后再选择合理的切削速度。,对刀具耐用度的影响： v 的显著，f 次之，ap 影响最小 。,用硬质合金刀具切削碳钢（b= 0.763GP a）时，有：,3、影响刀具耐用度的因素,工件材料 刀具材料 刀具几何角度 切削用量 切削液等,3.6 切削用量的选择,一、切削用量对切削加工性的影响,1、对加工质量的影响,（1）ap、f增大,降低加工精度和增大表面粗糙度,（2）vc的影响,2、对生产效率的影响,机床的切削效率可以用单位时间内切除的材料体积Q(mm3/min)表示：,切削用量三要素对切削效率影响的权重是完全相同的。,3、对刀具寿命的影响,v 的影响最显著；f 次之；ap 影响最小 。,3.6 切削用量的选择,二、切削用量的选用原则,（1）粗加工阶段切削用量的选用原则