金属切削过程基本规律.ppt

1、机制教研室,第五节 金属切削过程 基本规律,切削变形,一,切削力,二,切削热与切削温度,二,一,三,本节教学内容,第五节 金属切削过程基本规律,刀具磨损与刀具寿命,四,（1）衡量切削变形程度的两个指标； （2）积屑瘤对切削过程的影响及抑制其产生的方法。 （3）影响切削变形的因素。,本节 教学重点难点,本节教学重点：,（4）切削力、切削功率的计算； （5）影响切削力的因素； （6）影响切削温度的因素； （7）刀具寿命的概念及影响寿命的因素。,第五节 金属切削过程基本规律,本节 教学重点难点,本节教学难点：,（1）影响切削变形的因素。,第五节 金属切削过程基本规律,（2）影响切削力的因素； （3）

2、影响切削温度的因素； （4）影响刀具寿命的因素。,金属切削过程与金属受压缩过程比较：,一、切削变形,a）压缩,b）切削,金属切削过程,切削过程,金属切削过程,第变形区,第变形区,第变形区,金属切削过程中的滑移线和流线示意图,一、切削变形,金属切削过程,OA始滑移线； OM终滑移线,1. 第变形区的变形过程 金属的剪切滑移变形,一般速度范围内，第变形区的宽度为0.020.2mm。速度越高，宽度越小，可看作一个平面剪切面。,剪切面与切削速度vc方向之间的夹角称为剪切角 。,（一） 第变形区,金属切削过程,切屑根部金相照片,M,刀具,切屑,O,A,终滑移线,始滑移线：=s,剪切角,第变形区的变形,剪

3、切面,金属切削过程,变形系数,2.变形程度的表示方法,金属切削过程,变形系数是通过切屑外形尺寸变化来衡量变形大小的。,变形系数表示切屑收缩的程度,即:,变形系数的计算,2.变形程度的表示方法,金属切削过程,由上式可知：越大，o越大，则越小。该方法简便，但很粗略，有时不能反映剪切变形的真实情况，因而有必要研究标志变形程度的其他方法。,2.变形程度的表示方法,金属切削过程,相对滑移,2.变形程度的表示方法,金属切削过程,切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，采用“相对滑移单位厚度上的剪切滑移量” 来衡量变形程度应该是比较合理的。,当平行四边形OHNM发生剪切滑移变形后，变为OGPM，其相对滑移为

4、,2.变形程度的表示方法,相对滑移的计算,金属切削过程,由上式知：越大，o 越大，则越小，变形也越小。,2.变形程度的表示方法,金属切削过程,综上所述，主要从塑性压缩方面分析，而主要是从剪切变形考虑的，所以，与都只能近似表示变形程度的大小。相对来讲，能比较真实地反映变形的程度。,（二）第变形区的变形,1. 第变形区的变形过程,此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。,金属切削过程,（二）第变形区的变形,金属切削过程,2.切屑与前刀面间的摩擦特点 粘接区lf1:高温高压材料软化微熔底层金属在钱刀面 上滞留、粘结（内摩擦）。 滑动区lf2: 切屑即将脱离前刀面，切屑底层与前刀面间只是

5、 突出的点接触（外摩擦）。 一般内摩擦力约占总摩擦力的85%,3. 积屑瘤,积屑瘤,金属切削过程,3. 积屑瘤,积屑瘤对切削过程的影响 （1）代替刀具切削，保护刀具 （2）增大前角，减小切削变形和力 （3）增大切削厚度，影响工件的尺寸精度 （4）增大已加工表面粗糙度,金属切削过程,影响积屑瘤产生的因素,3. 积屑瘤,积屑瘤的形成主要决定于切削温度以及接触面的压力、粗糙程度、粘结程度等。这些因素与以下切削条件有关。,工件材料的塑性越好，刀屑之间的接触长度lf越大，摩擦系数越大，切削温度越高，就越容易产生粘结，易产生积屑瘤。,1）工件材料,前角o越大，刀具和切屑之间的接触长度lf就越小，摩擦越小，

6、所以不易产生积屑瘤。,2）前角,3）进给量,进给量减小，ac减小， 切屑与前刀面接触长度lf减小，摩擦系数减小，切削温度降低，不易产生积屑瘤。,金属切削过程,3. 积屑瘤,4）切削速度,在低速切削（vc3mmin）中碳钢时，切削温度较低；而在高速切削时（vc60mmin），切削温度又较高，在这两种情况下刀屑之间摩擦系数均较小，不易粘结，也就不易形成积屑瘤。切削速度在两者之间时，有积屑瘤产生，而在中速时（vc=20mmin）积屑瘤高度最大。,切削速度对积屑瘤的影响,金属切削过程,抑制积屑瘤产生的措施 1）采用热处理降低工件材料的塑性； 2）避开积屑瘤产生切削速度范围； 3）增大前角； 4）减小进

7、给量； 5）采用润滑液等。,积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生。,3. 积屑瘤,金属切削过程,刀刃钝圆半径 r 后刀面磨损带VB 弹性恢复区CD,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化、加工硬化和残余应力。,（三）第变形区的变形,金属切削过程,弹性恢复影响零件的尺寸 硬化层表面出现细微裂纹降低表面加工质量 表面硬度提高产生残余应力影响零件使用性能 后刀面磨损带VB加速刀具磨损，减少刀具寿命,1.工件材料,工件材料强度硬度越高，摩擦系数越小，剪切角越 大，切削变形越小。 工件材料的塑性越高，切削变形大。,（四）影响切削变形的因素,影响切削变形的因素,2.刀

8、具几何参数,（1）刀具前角o 前角o切削刃锋利越易切入金属阻力 摩擦系数剪切角变形系数切削变形 切削轻快。 （2）刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径切削刃上参加切削的曲线刃的长使平均切削厚度切削变形。,影响切削变形的因素,（四）影响切削变形的因素,前角对剪切角的影响 a) 负前角； b)正前角,影响切削变形的因素,（四）影响切削变形的因素,3.切削速度vc,影响切削变形的因素,切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数变化而影响切削变形的。,（四）影响切削变形的因素,切削速度vc对切削变形的影响,vc=（320）mmin，vch积oe vc=20mmin左右时， h积max oe m

9、ax max min vc=（2040）mmin， vch积 oe vc40mmin后，切削温度 ,影响切削变形的因素,（四）影响切削变形的因素,3.进给量,进给量f 切削厚度ac正压力Fn，平均正应力fav因此摩擦系数剪切角变形系数,影响切削变形的因素,（四）影响切削变形的因素,切削过程中，使工件上的切削层材料发生变形形成切屑所需的力，称为切削力。,切削力,二、切削力,（一）切削力的来源、合力及其分力,切削热的产生,工艺系统的强度和刚度,加工质量,切削温度,刀具磨损,刀具寿命,切削力的影响,工件热变形,切削力的来源,切削力来源有两个：,切削力,切削力的分力与合力,直角自由切削的分力与合力,切

10、削力,r,Fc,Fr,Fp,Ffp,Ff,Ffp,Ff p,vf,vc,直角非自由切削时切削力的分力与合力,切削力的合力与分力,切削力,直角非自由切削时，由于受到副切削刃上刀尖处变形抗力和摩擦力的影响,改变了合力 Fr 的作用方向。,为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力 Fr 在按主运动速度方向、背吃刀量方向和进给方向分解为三个互相垂直的分力： 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(吃刀抗力)，与进给方向垂直，车外圆时又称径向力。,切削力的合力与分力,切削力,切削力的合力与分力,式中 Fpf 合力Fr在基

11、面上的分力。 一般情况下，主切削力Fc最大，Fp、Ff小一些。,；,切削力,切削力的合力与分力,进给抗力Ff 消耗总功率5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。,主切削力Fc最大，消耗切削总功率的95%左右。,背向力Fp 不消耗功率，但在机床工件夹具刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。,切削力,（二）切削力的计算,1. 用切削力经验公式计算,切削力,式中系数指数,式中：CFc、 CFf、CFp影响系数；KFc、 KFf、 KFp为切削条件修正系数xFc、 yFc、 zFc等为指数，均可在切削用量手册中查到。,2. 用单位切削力计算 切除单位切削层面积所产生

12、的的主切削力，用p（单位为Nmm2）表示。,单位切削力p可从手册相关表中查出，则可由上式求出Fc，切削条件不同时，再乘以相关修正系数即可。求出Fp、Ff时， 用Fc再乘以相应的比例系数和修正系数。 在同一切削条件下，用单位切削力算出的切削力与用指数公式算出的切削力基本相同。,切削力,Fc= pAcKFc KFc为切削条件修正系数,（二）切削力的计算,（三）切削功率与单位切削功率,式中 Fc 主切削力（N）； vc 主运动速度（m/min）。,1. 切削功率,用Pc 表示，单位为kW,在切削过程中消耗的功率。,机床电机功率,式中 机床传动效率，通常= 0.750.85。,切削力,（三）切削功率与

13、单位切削功率,2. 单位切削功率,单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率。,kW（mm3s-1）,式中 Ew 金属切除率。,则有,从有关手册表中可查出单位切削功率pc，即可求出切削功率Pc。,切削力,对于塑性材料，硬度、强度越高，材料的剪切屈服强度s越高，切削力越大。 材料的塑性或韧性越高，切屑不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增加，故切削力越大。,（四）影响切削力因素,对于脆性材料，如铸铁、黄铜等，由于塑性变形小，切屑与前刀面的摩擦小，故切削力小。,1.工件材料的影响,切削力,2.切削用量的影响 ap， f都会使切削面积Ac（Ac=ap f）变形力 摩擦力 切削力。 但影响不同 ap切削厚度a

14、c不变，切削宽度aw（ aw= ap/sinkr），而变形系数、摩擦系数与aw几乎无关，故：F成正比。 f切削功增大 切削力， 另外f切削厚度ac成正比（ ac = ap/sinkr）变形系数摩擦系数 切削力 正反两方面的作用，使切削力增加与f 不成正比,（四）影响切削力因素,切削速度对切削力影响,切削速度vc对切削力Fc 、Fp、Ff的影响,切削力,在积屑瘤增长阶段 vc h积变形程度 F ,在积屑瘤减小阶段 vc h积变形程度 F ,在无积屑瘤阶段 vc温度摩擦系数 变形程度 F ,（四）影响切削力因素,o 30或高速切削时，o对 F 影响不显著。,3. 刀具几何参数的影响,前角o 的影响

15、,前角对切削力的影响,加工塑性材料时 o变形F,加工脆性材料时 切削变形很小、摩擦很小，o对 F 影响不显著,切削力,（四）影响切削力因素,主偏角r的影响,主偏角r对切削力的影响,r对Fc影响较小,r在3060内增大，由于ac的影响起主要作用，故Fc减小； r约在6090内增大，刀尖圆弧的影响更为突出，故Fc增大。,一般情况下，主偏角 r=6075时，Fc最小。,3. 刀具几何参数的影响,切削力,Fp Ffp cosr Ff Ffp sinr r Fp Ff ,主偏角r对切削力的影响,r对Fp、 Ff影响较大,3. 刀具几何参数的影响,切削力,s对Fc影响很小,s对Fp、 Ff影响较大s Fp

16、 、Ff ,刃倾角s对切削力的影响,刃倾角s的影响,，主切削刃的工作长度 ，摩擦 ，但切削刃锋利性 ，切削变形，上述作用的结果，使Fc变化很小。,3. 刀具几何参数的影响,切削力,负倒棱b1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。,正前角负倒棱车刀的切屑流出情况,3. 刀具几何参数的影响,切削力,刀尖圆弧半径r的影响,r对Fc影响很小 r Fp Ff ,刀尖圆弧半径r增大时切削刃曲线部分长度增大,3. 刀具几何参数的影响,切削力,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

17、影响最显著,4. 刀具磨损的影响,切削力,（四）影响切削力因素,6. 刀具材料的影响 刀具材料不同，刀具与工件之间的摩擦系数不同，对力的影响也不同。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。,5. 切削液的影响 切削液润滑作用越好，力减小越显著，低速时更突出。,切削力,（四）影响切削力因素,三、切削热与切削温度,由切削过程中产生的切削功和摩擦功转变而来的。,（2-31）,1.切削热,切削热与切削温度,切削热来源,切削热的来源与传出,切屑Qch 、刀具Qc、工件Qw、周围介质（切削液、空气)Qf,切削热产生与传出的关系为,1.切削热,切削热与切削温度,分析归纳切削温度分布规

18、律： 1.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,2.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,2.切削温度,2.切削温度,切削热与切削温度,切削塑性材料时最高温度区域前刀面靠近刀尖处,3.影响切削温度的因素,影响切削温度的因素主要有两个方面： 切削热的产生与传出,（1）切削用量的影响,式中 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修正系数； z、y、x vc、f、ap 的影响指数。,经验公式,切削热与切削温度,3.影响切削

19、温度的因素,切削用量切削温度 vc对影响最大，进给量 f 的影响比vc小，背吃刀量ap的影响很小。,切削热与切削温度,（2）刀具几何参数的影响,前角o对切削温度的影响,切削热与切削温度,3.影响切削温度的因素,0 变形程度 F q 但0 20时， 0 继续楔角o 因散热面积， 对的影响减小,前角o,主偏角r,主偏角r对切削温度的影响,主偏角r增大，切削厚度ac增大，产生的热量减少。但主偏角增大，刀尖角r减小，切削宽度aw减小，刀具的散热能力降低，切削温度升高。,切削热与切削温度,3.影响切削温度的因素,刀尖圆弧半径,刀尖圆弧半径r增大，切屑变形程度切削热 同时散热条件改善，两者趋于平衡,切削热

20、与切削温度,3.影响切削温度的因素,对影响很小,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,（3）工件材料的影响,切削热与切削温度,3.影响切削温度的因素,后刀面磨损增大，切削温度升高; VB达一定值影响加剧; vc越高刀磨损对影响越显著。,浇切削液对切削温度刀具磨损加工质量有明显效果。 热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著,（4）刀具磨损的影响,（5）切削液的影响,切削热与切削温度,3.影响切削温度的因素,四、刀具磨损和刀具寿命,1.刀具磨损的形式,正常磨损,刀具在设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，在切削过程中逐渐产生的磨损。

21、,非正常磨损（破损 ）,刀具磨损,前刀面磨损 后刀面磨损 前后刀面同时磨损,刀具在切削过程中突然或过早产生的损坏现象。,脆性破损 塑性破损,刀具磨损与刀具寿命,烧刃、卷刃、崩刃、 断裂、表层剥落等。,刀面磨损形态,刀具磨损与刀具寿命,1.刀具磨损的形式,（1）前刀面磨损 （2）后刀面磨损 （3）边界磨损,切削塑性材料，vc和ac较大时， 在前刀面上形成月牙洼磨损，以最大深度KT 表示，,（1）前刀面磨损,刀具磨损与刀具寿命,1.刀具磨损的形式,（2）后刀面磨损,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。常用V

22、B表示刀面磨损的大小。,刀具磨损与刀具寿命,1.刀具磨损的形式,切削之后，刀具上同时出现前刀面磨损和后刀面磨损。 在中等切削速度和中等进给量下切削塑性金属时，常出现这种磨损形式。,（3）前、后刀面同时磨损,刀具磨损与刀具寿命,1.刀具磨损的形式,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。 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。,（4）边界磨损,刀具磨损与刀具寿命,1.刀具磨损的形式,（1）磨料磨损 低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因(HSS刀)。,（2）粘结磨损 中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重。,2.刀具磨损的原因,刀具磨损

23、与刀具寿命,（3）扩散磨损 切削温度越高扩散越快；刀具工件材料亲合力越大，扩散越快；高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,a）元素分布 b）WC+Co扩散 c）Ti+Ta+ WC +Co扩散,刀具磨损与刀具寿命,2.刀具磨损的原因,（4）相变磨损 相变磨损严重时会造成刀面的塌陷和切削刃卷曲。,（5）氧化磨损,刀具磨损与刀具寿命,2.刀具磨损的原因,温度对磨损的影响 1-粘结磨损 2-磨粒磨损 3-扩散磨损 4-相变磨损 5-氧化磨损,刀具磨损与刀具寿命,2.刀具磨损的原因,积屑瘤脱落时引起大面积剥落； 刀具材料硬度低、韧性差； 刀具几何参数和切削用量选择不合理导致切削力过大、切削温度过高；

24、 在焊接或刃磨时因骤冷骤热而产生内应力或裂纹； 操作、保管不当等。,（6）刀具非正常磨损原因,主要是由于机械冲击力或热效应作用造成的。,非正常磨损使刀具寿命大大降低，甚至报废。因此，应及时找出原因，并采取措施加以解决。,刀具磨损与刀具寿命,2.刀具磨损的原因,3.刀具磨损过程和磨钝标准,（1）刀具磨损过程,初期磨损阶段（I段）,与刀具刃磨质量有关,正常磨损阶段（段）,VB与切削时间近似正比斜率表示磨损强度。,急剧磨损阶段（段）,切削力、温度急升，刀具磨损加剧，之前换刀。,刀具磨损过程曲线,刀具磨损与刀具寿命,（2）刀具磨损标准,刀具磨损与刀具寿命,3.刀具磨损过程和磨钝标准,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。,2.自动化精加工刀具，以径向 磨损量NB作为磨钝标准,1.国际ISO标准规定以1/2 ap处的 VB值作为刀具的磨钝标准；,3.小厂、有经验工人根据一些 现象来判断刀具是否磨钝；,刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝