金属切削原理与刀具重点.ppt

1、金属切削原理与刀具重难点,陈宇2020/9/10,1,课程宗旨,掌握机械制造技术的基础知识、基本理论和基本方法。 通过本课程学习及实践环节训练，培养分析和解决机械制造工程问题基本能力。 了解机械制造领域的最新成就和发展趋势。,2,切削用量,切削速度（c ） ：刀刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。 进给量（ f ）：工件或刀具每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向的相对位移量。 背吃刀量（ ap ）：它是在与主运动和进给运动方向所组成的平面相垂直的方向上测量的工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。,3,主运动 ：使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动。主运动特点是运

2、动速度最高，消耗功率最大。主运动一般只有一个。 进给运动：保证金属的切削能连续进行的运动。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。进给运动可以有几个，可以是连续运动，也可以是间歇运动。,4,如图的外圆的车削运动。 c为切削刃某点切削速度， f为同一点的进给运动速度， e为两个运动的合成速度。,外圆车削的切削运动与加工表面,5,1车削切削层参数,（1） 切削层公称厚度hD ：在主切削刃选定点的基面内，垂直于过渡表面的切削层尺寸 。 切削层截面的切削厚度为： hD f sinr,6,（2） 切削层公称宽度bD,切削层公称宽度bD ：在主切削刃选定点的基面内，沿过渡层表面度量的切削层尺寸 切削层截面

3、的公称切削宽度为： bD ap/sinr,7,2.1.2 切削过程,金属在加工过程中会发生剪切和滑移，图2-4表示了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。,8,图2-5表示了金属的滑移过程。由图可知，金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区。,9,1金属切削过程的变形,（1）第一变形区 ：切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区。OA与OM之间的区域就是第一变形区。 第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽度仅0.020.2。,10,（2）第二变形区,产生塑性变形的金

4、属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区。 在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑与前刀面的压力很大，高达23GPa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。,11,粘结现象时的摩擦状况,12,（3）第三变形区,金属切削层在已加工表面受刀具刀刃钝圆部分的挤压与摩擦而产生塑性变形部分的区域。,13,刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程,切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分金属开始

5、弹性恢复，恢复高度为h，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削层在OB，BC，CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。,14,2积屑瘤的形成及对加工影响 概念： 在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，加工塑性材料时，在刀具前刀面常常粘结一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为积屑瘤。,15,积屑瘤的成因：当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬

6、化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图2-9所示。 积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且也与刀刃前区的温度和压力有关。,16,积屑瘤对金属切削过程产生的影响 ：,（1）实际刀具前角增大,（2）实际切削厚度增大,（3）加工后表面粗糙度增大,（4）切削刀具的耐用度降低,17,（1）实际刀具前角增大,刀具前角o指前刀面与基面之间的夹角，其概念将在后节详细论述。如图所示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个b角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大,现为o b 。 刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb 越大，实际刀具前角也越大，

7、切削更容易。,18,（2）实际切削厚度增大,由图2-9可以看出，当切削瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加了一个hD，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，这个厚度hD的增加并不是固定的，因为切削瘤在不停变化，它是一个产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振动。,19,（3）加工后表面粗糙度增大,积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。 破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。,

8、20,（4）切削刀具的耐用度降低,从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少了刀具磨损。 积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。,21,问题,某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些方法。,22,回答,1、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，积屑瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易，所以这位师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的加工方法， 2、积屑

9、瘤很不稳定，它会周期性地脱落，这就造成了刀具实际切削厚度在变化，影响零件的加工尺寸精度。 3、积屑瘤的剥落和形状的不规则又使零件加工表面变得非常粗糙，影响零件表面光洁度。所以在精加工阶段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生。,23,避免积屑瘤的发生的措施,、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。 、调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑对刀具前刀面的压力。 、调低切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面温度降低，避免粘结现象的发生。或采用较高的切削速度，增加切削温度，因为温度高到一定程度，积屑瘤也不会发生。 、更换切削液，采用润滑性能更好的切削液，减少切削

10、摩擦。,24,2.1.3 影响切削变形的因素,1工件材料 2刀具几何参数 3切削速度 4切削厚度,25,1工件材料,通过试验，可以发现工件材料强度和切屑变形有密切的关系。 从图可以看出，随着工件材料强度的增大，切屑的变形越来越小。,图2-10 材料强度对变形系数的影响,26,2刀具几何参数,由图2-7可以看到，当刀具前角O增大时，沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出，金属切屑的变形也会变小。 通过对高速钢刀具所作的切削试验也证明了这一点。在同样的切削速度下，刀具前角O愈大，材料变形系数愈小。 刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，刀尖圆弧半径越大，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切削变形

11、也越大。,27,3、切削速度,由图2-11可以看出，随切削速度变化的材料变形系数曲线并不是一直递减，而是在某一段有一个波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤这一段，另一个是无积屑瘤段。,28,积屑瘤段情况,切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的影响来实现的。 在积屑瘤增长阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑瘤越大，实际刀具前角也越大，切屑的变形相对减少，所以在此阶段，切削速度增加时，材料变形系数也减少。 随着速度的增加，积屑瘤增大到一定程度又会消退，在消退阶段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，同时，实际刀具前角也减小，材料的变形

12、将增大，在积屑瘤完全消退时，材料变形将最大。,29,在无积屑瘤段,材料变形系数是随着切削速度的增加而减小。主要是因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢，速度低时，金属始剪切面为OA，当速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑性变形速度，在OA面金属并未充分变形，相当于始剪切面后移至OA面（见图2-12），终剪切面OM也后移至OM，第一变形区后移，使得材料变形系数减小。另外，速度越大，摩擦系数减小，材料变形系数也会减小。,30,4切削厚度,如图2-11所示，显示了进给量（即切削厚度）对切屑变形的影响。在无积屑瘤段，进给量f越大，材料的变形系数越小。,31,4 刀具磨损、破损及使用寿命,刀具失效形式：

13、磨损 （正常工作时逐渐产生的损耗） 破损 （突发的破坏，随机的）,一、刀具的磨损形式,（一）前刀面磨损 切塑性材料，切削速度 和切削层厚度 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 切铸铁或切削速度 和切削层厚度 较小切塑性材料时，主要发生这种磨损。,32,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。,（三）边界磨损 切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接 触处磨出沟纹，称为边界磨损。由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。,33,二、刀具磨损

14、的原因,（一）磨料磨损 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对 刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。,（二）粘结磨损 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原 子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘 接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。 中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬 度比小，亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。,34,（三）扩散磨损 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，使刀材成分、结构改变造成磨损。 切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快； 高速切削时扩散

15、磨损是刀具磨损的主要原因。,（四）化学磨损 一定温度下，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。 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。,（五）热电磨损 切削区高温，在刀工间产生热电势加快扩散加剧刀具磨损。,35,三、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 后刀面磨损量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,36,四、刀具使用寿命及其与切削用量的关系,（一）刀具使用寿命T 刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝

16、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,（二）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，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，Y合金 , m =0.20.4 ; HSS , 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。,37,（三）刀具使用寿命与切削用量的关系 经过实验得类似关系式： f T n =C1 ap T p =C2 综合可得到切削用量与刀具使用寿命的关系式：,令x

17、 =1/m，y =1/n，z =1/p，则,用YT5车削b=637MPa碳钢时，,由上式看出，切削用量， T ，其中速度v 对T 影响最大 进给量f 次之，背吃刀量ap影响最小，与对温度影响一致。,38,7 切削条件的合理选择,一、刀具几何参数的合理选择,刀具几何参数包含四方面内容： 几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数,39,对于不同的刀具材料和工件材料， T 随0 的变化趋势为驼峰形。 高速钢的合理前角比Y合金的大。 加工塑材的合理前角比脆材的大,2.合理前角的选择原则 粗加工、断续切削、刀材强度韧性低 工材强度硬度高，选较小的前角； 工材塑韧性大、系统刚性差，易振动或机床功率不足，选较大

18、的前角； 成形刀具、自动线刀具取小前角； 刀前面A磨损增大前角， 刀后面A磨损减小前角,40,（二）后角的选择 1.后角的作用 0锋利、 摩擦F 质量 VB 一定，磨损体积T 刀头强度散热体积重磨体积 在一定的条件下，存在一个合理值,2.合理后角的选择原则 粗加工、断续切削、工材强度硬度高，选较小后角, 已用大负前角应0 ； 精加工取较大后角，保证表面质量； 成形、复杂、尺寸刀具取小后角； 系统刚性差，易振动，取较小后角； 工材塑性大取较大后角，脆材0,41,（三）主偏角的选择 1.主偏角的作用 r切削厚度ac切削宽度aw 刀尖强度散热体积，Ra Fp变形加工精度，易振动Ra，T 在一定的条件

19、下，存在一个合理值,2.合理主偏角的选择原则 主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，r取较 小值；若刚性差（细长轴），r取较大值（90）； 考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等，车台阶轴，取 90 ；镗盲孔90 ；r小切屑成长螺旋屑不易断； 较小r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。,42,43,（五）刃倾角的选择 1.刃倾角的作用 影响刀刃锋利性.s刀具工作角度0e 、法前角rn 锋利性 负刃倾角刀头强度散热体积 负刃倾角 Fp变形，易振动Ra 正s切屑流向待加工表面，负s切屑流向已加工表面,在一定条件下， 存在一合理值,44,2.刃倾角的选择原则 粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高

20、，s取负值； 精加工、系统刚性差（细长轴），s取正值； 微量极薄切削，取大正刃倾角。,45,第2章 金属切削原理与刀具,2.7.2 工件材料的切削加工性,1.工件材料切削加工性的概念,工件材料被切削加工的难易程度称为工件材料切削加工性。衡量工件材料切削加工性的指标有： 1）刀具使用寿命的相对值 2）相同刀具使用寿命下的切削速度的相对值 3）切削力（切削温度） 4）已加工表面质量 5）切屑控制或断屑的难易程度,46,第2章 金属切削原理与刀具,47,第2章 金属切削原理与刀具,难加工材料在切削加工时由于碳化物、氧化物和氮化物等影响，金相组织的奥氏体、马氏体及铁素体的影响，材料组成成分与含量等不同

21、，使金属材料的物理、化学和力学性能具有高的硬度、强度、塑性和韧性，热导率低，化学活动性大，硬化严重，存在硬质点及断屑困难等，导致切削加工困难，材料加工性差。,48,第2章 金属切削原理与刀具,根据材料物理、化学和力学性能中硬度HBS、抗拉强度b、伸长率、冲击韧度k和热导率的高低、大小来确定的材料加工性等级，能较为直观地和全面地了解切削加工难易的特点。,49,第2章 金属切削原理与刀具,50,第2章 金属切削原理与刀具,2. 影响工件材料切削加工性的因数,1）金属材料物理和机械性能的影响 2）金属材料化学成分的影响 3）金属材料热处理状态和金相组织的影响,51,第2章 金属切削原理与刀具,3. 改善工件材料切削加工性的途径,1）进行适当的热处理 金属材料在性能及工艺要求许可范围内可进行适当热处理以改善材料的切削加工性。例如，低碳钢进行正火处理，可提高硬度、降低韧性；高碳钢通过退火处理，降低硬度以易于切削。通常对硬度高、韧性高或伸长率大的金属材料。