第二章fuxi2.ppt

1、本章要点： 切屑的形成过程 切削力及其影响因素 切削热与切削温度 刀具磨损与刀具寿命,第2章 切削加工的理论基础,第一变形区：靠近主切削刃处的塑性变形。,2.1.2 切削层的三个变形区,第二变形区：与前刀面接触的切屑的底部变形区。,第三变形区：靠近切削刃的已加工表面金属层的塑性变形区。,（一）第一变形区,OA始滑移线 OM终滑移线,变形的主要特征： 剪切滑移变形,一般速度范围内一区 宽度为0.020.2mm， 速度越高，宽度越小， 可看作一个剪切平面,（剪切滑移区）,第变形区：即剪切变形区，金属产生塑性变形，并且发生剪切滑移，形成切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,（二）第二变形区

2、,切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。,（刀-屑接触区）,第变形区：,此区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。,（三）第三变形区,（刀-工接触区）,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，造成纤维化和加工硬化。,此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。,2.1.3 表示切屑变形程度的方法,剪切角 (Shear angle) 剪切滑移面与切削速度方向的夹角。剪切角 较大剪切面积变小切削省力切屑变形较小,School of mechanical engineering 第2章 切削加工的理论基础

3、,机械制造技术基础,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层的变形程度。, 切屑厚度压缩比, 切屑长度压缩比,h, 变形,切屑厚度压缩比（变形系数）,1、工件材料 (HRC, bh),2.1.4 几个主要因素对切屑变形的影响,2、刀具前角 (o h ）,2.1.4 几个主要因素对切屑变形的影响,3、切削速度 (无积屑瘤区：V h ）,2.1.4 几个主要因素对切屑变形的影响,4. 切削层公称厚度hD,切削层公称厚度,工件材料的影响 工件材料强度、硬度愈高，切屑变形愈小。 刀具前角的影响 前角愈大，切屑变形愈小。 切削速度的影响 无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度愈

4、大，切屑变形愈小。 切削层公称厚度的影响 无积屑瘤的切削速度范围内，切削公称厚度愈大，切屑变形愈小。,总结： 几个主要因素对切屑变形的影响,2.1.5 切屑类型、变化、形状及控制,切塑性材料 带状切屑 节状切屑 粒状切屑 切削平稳，力波动小 滑移量较大，局部 切削不平稳，力波动大 加工面光洁，断屑难 剪应力达断裂强度 加工表面粗糙 少见,0vac,0 v ac,0 v ac,0vac,切脆性材料 不平稳,表面粗糙 应0vac,2.2 切削力,2.2.1 研究切削力的意义,2.2.2 切削力的来源 切削金属时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力切削力；作用在刀具与工件上的力；,前

5、刀面的摩擦力Ffy,后刀面的摩擦力Ffa,2.2.2 切削力的来源 1、克服被加工材料对弹性变形的抗力 2、克服被加工材料对塑性变形的抗力 3、克服前、后刀面的摩擦力,切削力分解,2.2.1 切削合力的分解及切削功率,FD,切削力或切向力Fc ： 计算车刀强度、 设计机床零件、 确定机床功率。,背向力或径向力Fp ： 确定工件挠度、 机床零件强度 以在切削过程中产生振动。,轴向力或进给力Ff ： 设计机床走刀机构强度、 计算车刀进给功率,Fc 切削力（切向力），与切削速度方向一致 Ff 进给力（轴向力），与进给方向平行 Fp 背向力 (径向力) ，与进给方向垂直,切削合力,2.2.1 切削合力

6、的分解及切削功率,增大主偏角背向力或径向力Fp ？,切削力的指数经验公式,式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 背吃刀量asp 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； nFc , nFp , nFf 切削速度vc 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。,2.2.1 切削合力的分解及切削功率,工件材料的影响,2.2.2 影响切削力的因素,工件材料强度、硬度越高，则s越大，切削力Fc增大。 工件材料的强度、硬度相近时，塑性越

7、大的材料，发生的塑性变形也越大，所以切削力也越大。 同一材料的热处理状态不同、金相组织不同也会影响切削力的大小。,工件材料的影响,2.2.2 影响切削力的因素,化学成分影响切削力的大小。 碳钢含碳量高，硬度高，切削力较大。,加工硬化大，切削力增大。 不锈钢的强度、硬度都较低，但是加工硬化能力大，较 小的变形就会引起硬度较大的提高，导致切削力增大。 铸铁等脆性材料，切削层的塑性变形小，加工硬化小。切屑为崩淬屑且集中在刀尖，刀屑接触面小，摩擦小，因此，加工铸铁时的切削力比钢小。,切削用量的影响 为什么说：从降低切削力和能量消耗的观点来看，用大的进给量比大的背吃刀量更有利？,2.2.2 影响切削力的

8、因素,1. 在积屑瘤增长阶段 随vc 积屑瘤高度 变形程度，F ,2. 在积屑瘤减小阶段 vc 变形程度，F ,3. 在无积屑瘤阶段 随vc ，温度升高，摩擦 系数变形程度 F ,速度vc 对F 的影响与速度vc 对切屑变形的影响一致, 前角0 增大，切削力减小,刀具几何角度影响,2.2.2 影响切削力的因素,加工塑性材料时，0 变形程度F,加工脆性材料时，切削变形很小， 0对 F 影响不显著 0 30或高速切削时， 0对 F 影响不显著,主偏角对切削力的影响, 主偏角r 为什么在车细长轴时，为了避免振动，常用主偏角为90度的车刀？,30,刃倾角s的影响, 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响

9、不大，对背向力和进给力影响显著 s Fp，Ff,2.2.2 影响切削力的因素,刀具材料的影响 刀具材料与工件材料之间的摩擦系数，而影响切削力。 按立方氮化硼陶瓷涂层硬质合金高速钢顺序， 切削力F：小大,切削液的影响 切削液：有润滑作用，使切削力降低。 切削液润滑作用越好，力减小越显著，低速时更突出。,刀具磨损的影响 前刀面的磨损：月牙洼 后刀面磨损：使切削力增大，对背向力Fp的影响最为显著。 后刀面平均磨损带宽度VB越大，摩擦越强烈，切削力也越大。 刀具的在线检测,33,总结：影响切削力、的主要因素,切削用量的影响 刀具几何参数的影响 工件材料的影响 刀具磨损的影响 切削液的影响,2.3 切削

10、热及切削温度,34,切削热来源：三个变形区, 切削过程变形和摩擦所消耗功，9899%转变为切削热 可认为单位时间内产生的热量, 主切削层的弹、塑性变形而消耗的功 前刀面摩擦而消耗的功、 后刀面摩擦产生的热量而消耗的功,前刀面的摩擦力Ffy,后刀面的摩擦力Ffa,2.2.2 切削力的来源 1、克服被加工材料对弹性变形的抗力 2、克服被加工材料对塑性变形的抗力 3、克服前、后刀面的摩擦力,2.3 切削热及切削温度,36,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去,切削热传出,影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。 相同条件下，切削钛合金比加工碳素钢，刀

11、具磨损快？ 切屑与刀具的接触时间也会影响切削温度。不同的切削加工方法，切削热沿不通传导途径传递出去的比例也各不相同。,切削热传出,切削用量的影响,式中 刀具前面上刀-屑接触区的平均温度(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、asp 的指数。,经验公式,2.3.2 影响切削温度的主要因素,要从单位时间内热量的产生与传出两方面分析,切削用量时切削温度 ，其中v 对影响最大，进给量 f 的影响比v 小，背吃刀量asp的影响很小。,2.3.2 影响切削温度的主要因素,所以为了控制切削温度以提高刀具寿命， 选用大的背吃刀量asp、进给量 f 比大的v更有利

12、,1. 前角0 的影响 0 变形程度F q ,2. 主偏角r的影响 r ，切削层宽度bD ，散热面积 ,2.3.2 影响切削温度的主要因素,刀具几何参数的影响,bD,但0 20时，因散热面积，对的影响减小,2.3.2 影响切削温度的主要因素,42,工件材料的影响,工件材料的强度、硬度、韧性 切削力 切削温度 工件材料导热系数 切削温度,刀具磨损的影响,冷却液的影响,后刀面磨损 切削温度 VB达一定值影响加剧; v越高刀磨损对影响越显著,浇切削液 切削温度、刀具磨损 加工质量效果明显。,43,2.3.2 影响切削力、切削温度的主要因素,切削用量的影响 刀具几何参数的影响 工件材料的影响 刀具磨损

13、的影响 切削液的影响,刀具失效形式：磨损 （正常工作时逐渐产生的损耗） 破损 （突发的破坏，随机的破损。裂纹、崩刃、破等）,刀具的磨损形式,2.4 刀具磨损和刀具耐用度,2.4.1 刀具的磨损形式及原因,前刀面磨损,形式：月牙洼（参数KT） 形成条件：加工塑性材料，v大，hD大 影响:削弱刀刃强度，降低加工质量,刀具的磨损形式,后刀面磨损,形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax） 形成条件：加工塑性材料, v 较小, hD 较小；加工脆性材料 影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量,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

14、示；边界处磨损严重，以VN表示。,边界磨损,形成条件：加工铸钢件和锻件等外皮粗糙件,3.2.2 常用的刀具材料,高速钢（High-speed steel）,高速钢是含钨W、 铬Cr 、钒V、钼Mo 等合金元素的高合金工具钢(合金元素总含量达到10%25%，含碳量为0.7%1.65%),2. 分类及应用（classification and application） （1）普通高速钢(Plain high-speed steels ) 钨系 典型牌号为W18Cr4V(简称W18)， 含C量为0.7%0.8%，含W18%，Cr4%、V1%， 特点：有良好的综合性能，在600时其高温硬度为HRC48

15、.5，含钒量小,磨加工性好；碳化物含量高,塑性变形抗力大 但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度；强度和韧性显得不够；热塑性差,很难用作热成形方法制造的刀具(如热轧钻头)。 主要用于制造各种复杂刀具,（1）普通高速钢(Plain high-speed steels ) 钨钼系 以Mo代替部分W，典型牌号是W6Mo5 Cr4V2(简称M2)， 含碳量0.8%0.9%，含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。 特点：碳化物分布细小均匀，具有良好的机械性能,抗弯强度比W18高1015，韧性高5060， 可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具，热塑性特别好,更适用于制造热轧钻头，磨加工性也好,

16、目前各国广为应用。,高速钢的特点 与工具钢相比，高速钢有较高的硬度（500650时，硬度能保持60HRC）、耐磨性、强度和韧性。 与硬质合金相比，高速钢具有良好的切削加工性和综合力学性能. 高速钢是制造复杂、精密和成形刀具的基本材料,硬质合金（Carbide alloy）,因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达HRA8993,在8001000还能承担切削,耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时,切削速度可提高410倍。 唯抗弯强度较高速钢低,仅为0.9-1.5GPa(90-150kgf/mm2 ),冲击韧性差,切削时不能承

17、受大的振动和冲击负荷。可加工性差.,金属碳化物(WC、TiC、TaC、 NbC等)金属粘接剂 (Co、 Ni等) 高压成形后，高温烧结而成。,硬质合金（Carbide alloy）,其性能取决于化学成分、碳化物粉末粗细及其烧结工艺， 碳化物含量较高时,硬度高,但抗弯强度低;粘结剂含量较高时,抗弯强度高,但硬度低。,分 类,YG 类 YT 类 YW 类 短切屑黑色金属 加工长切屑的 钢材、铸铁等 有色金属非金属 黑色金属 有色金属非金属 WC+ Co WC+ TiC+ Co WC+ TiC+ TaC+ Co,(1)YG(K)类，即WCCo类硬质合金 组成： WC和Co。 常用牌号： YG6、YG

18、8、YG3X、YG6X， 含钴量分别为：6、8、3、6。 硬度：HRA8991.5,抗弯强度：110150kgf/mm2 组织结构有：细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X) 在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些,但抗弯强度、韧性则低些。 特点：此类合金韧性、磨削性、导热性较好,较适于加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料,如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高(如端铣)的钢料等。,(2)YT(P)类，即WCTiCCo类硬质合金 组成：WC和Co、还含有5%30%的TiC。 牌号：YT5、YTl4、YTl5、YT30， 其中TiC的含量分别为 ：5

19、%、14%、15%、30% 相应的钴含量为：10%、8%、6%、4% 硬度：HRA91.592.5,抗弯强度为(90-140kgf/mm2 TiC含量提高,Co含量降低,硬度和耐磨性提高,但是冲击韧性显著降低。 特点：此类合金最大优点是耐热性好，含TiC越多，越好 有较高的硬度和耐磨性,抗粘结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降,低温脆性大,韧性差。适于（高、低？）速切削钢料。,(3)YW(M)类，即WCTiCTaCCo类硬质合金 组成：在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁,也可加工钢,因而又有通用硬质合金之称。 常用的牌号：YWl和YW2。 以上三类的主要成分均为WC，所以又称WC基硬质合金。,此类合金中含钴量增加,抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工 。 含钴量减少,硬度、耐磨性及耐热性增加,适于精加工。,刀具磨损的原因,（1）硬质点磨损 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物、氧化物等）对 刀具表面刻划作用造成的机械磨损。表现为刀具表面划出一条条沟纹。 工具钢、高速钢这种磨损比较显著。 低速切削时，硬质点磨损是刀