金属切削过程讲义课件.ppt

,机械制造技术基础,1.金属切削过程的实质是什么？,2.切削力的分解及影响切削力的因素都有那些？,3.切削热的来源及影响切削热的主要因素？,4.刀具的磨损及影响刀具寿命的主要因素？,本章内容,第二章 金属切削过程,1.什么是 金属切削过程？ 2.金属切削过程中会出现 哪些现象？,第二章 金属切削过程,1.什么是金属切削过程？,金属切削过程就是通过刀具把被切金属层变成切屑的过程。,2.金属切削过程中包含有哪些现象？,切 削变形、卷屑断屑、切削力、切削热、切削温度、刀具磨损、已加工表面硬化和残余应力、积屑瘤等。,通过刀具把被切金属层变为切屑的过程，其实质是一种挤压、剪切变形过程。 塑性金属的切削过程一般要经过弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段,第二章 金属切削过程,第一节 金属切削过程概述,一、金属切削过程的实质（塑性材料）,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,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：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,金属挤压与切削比较,第一变形区（剪切、滑移）第二变形区（挤压和摩擦） 第三变形区（挤压和摩擦）,二、切削变形区,切屑根部金相照片,金属切削过程的变形,塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区（）。,第一变形区金属的滑移,第一变形区的切削变形是切削过程中切削力和切削热的主要来源。,切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形。这部分区域称为第二变形区（）。 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。,在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为第三变形区（）。 由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的存在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量。 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。,已加工表面的形成过程,1. 剪切角,三、切削变形程度的表示方法,剪切角 剪切面积变形程度切削力,剪切面 与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角，用表示,图2-2 剪切角与切削变形,2.切削厚度压缩比（变形系数1）,图2-3 切屑厚度压缩比,说明：1、同一工件材料，若切削条件不同，则切削厚度压缩比不同；2、不同工件材料，即使切削条件相同，切削厚度压缩比不同；3、用切削厚度压缩比反映切削变形比较简单、直观，但很粗略,只在一定条件下反映切削变形。前角=0-30，Ah1.5,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。,四、 切屑类型,（二）、切屑的控制,在生产实践中，有的切屑打成螺卷状，到一定长度时自行折断；有的切屑折断成C形、6字形；有的呈发条状卷屑；有的碎成针状或小片，四处飞溅，影响安全；有的带状切屑缠绕在刀具和工件上，易造成事故。不良的排屑状态会影响生产的正常进行。,切屑经第I、第变形区的剧烈变形后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中，当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时，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。,研究表明，工件材料脆性越大(断裂应变值小)、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断。可采取以下措施对切屑实施控制： (1)采用断屑槽 通过设置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。 断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则会影响断屑效果。常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆弧形和全圆弧形。,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果,切屑的卷曲,断屑的产生,断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）,(2)改变刀具角度 增大刀具主偏角Kr，切削厚度变大,有利于断屑;减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断;刃倾角s可以控制切屑的流向，s为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑；s为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。,(3)调整切削用量 提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度;适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。,五、积屑瘤,积屑瘤现象：刀尖上急剧塑性变形而被强化的硬度很高的的附着物生产中又称为刀瘤,切削过程中，由于金属的挤压和强烈摩擦，使切屑与前刀面之间产生很大的应力和很高的切削温度。当应力和温度条件适当时，切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大，使得切屑底层流出速度变得缓慢，形成一层很薄的“滞流层”，当滞流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时，滞流层的金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤. 切屑底层金属与前刀面的粘结和加工硬化。,五、积屑瘤,1.积屑瘤产生的原因,积屑瘤的形成条件,必要条件 加工塑性金属材料 中速切削 不使用切削液时容易产生,5m/min,60m/min,积屑瘤改变刀具切削条件,刀尖被包裹起来 前角增大 切削深度变化 工件上的已加工表面变粗糙,积屑瘤是否有害呢？,对工件的影响 加工表面的粗糙度增加（变差） 鳞刺可能就是因积屑瘤破裂形成的 切深变化工件尺寸精度下降 对刀具的影响 刀尖没有参与切削保护刀尖 刀具实际前角增大切削更轻快,粗加工与精加工,粗加工可以利用积屑瘤 粗加工精度不是主要问题 增大前角 保护刀尖 精加工一定要回避积屑瘤 保证精度 保证表面质量,有利方面,保护刀具,增加工作前角,积屑瘤硬度很高,可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损,积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大,可减小切削变形和切削力，使切削轻快,不利方面,影响工件尺寸精度,影响工件表面粗造度,积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损,会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大,时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动,积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化,精加工应尽量避免积屑瘤,选择切削速度，（温度）避开产生积屑瘤的区域 高速：Vc60m/min高速精加工 低速：Vc 5m/min铰孔和拉削 适当提高工件材料硬度，降低塑性、减小加工硬化倾向增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力 使用润滑性能好的切削液，减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦切削液的合理选择。,切削力是切削过程中刀具与工件之间的相互作用力。,第二节 切削力与切削功率,第二章 金属切削过程,a.是克服切屑形成过程中金属产生弹、塑性 变形的变形抗力所需要的力；b.是克服切屑与刀具前刀面、刀具后刀面与 工件表面之间的摩擦阻力所需要的力。,一、切削力的产生和分解,1、切削力的产生,切削力的来源,图2-8 作用在刀具上的力,图2-9 车削时总切削力的分解,1）切削力 -切向力（主切削力）2）背向力 -径向力（切深抗力）3）进给力 -轴向力（进给抗力）,2、切削力的分解,某种条件下：,工作功率Pe 和切削功率Pc,工作力(Fe)：是指总切削力在合成切削速度方向的正投影，在工作平面中定义。,定义：“同一瞬间切削刃基点的工作力与合成切削速度的乘积”。,工作功率Pe也可以称为切削过程消耗的总功率。它包括切削功率和进给功率两部分。,工作功率Pe :,机床电机功率,式中 机床传动效率，通常= 0.750.85,式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。,进给功率很小，仅为工作功率的2-3%，所以,a.材料的强度、硬度越高，变形抗力越大， 切削力也越大。b.强度、硬度相近的材料，塑性、韧性越 大，切削力越大。,二、影响切削力的主要因素,1、工件材料的影响,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；切削速度对切削力影响不大（影响积屑瘤）,二、影响切削力的主要因素,2、切削用量的影响,在切削加工时，从降低切削力和切削功率的角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。,切削层几何参数1.切削层:工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻两个加工表面之间的一层金属。,第四节 切削层参数与切削方式,2.切削层参数 切削层参数共有三个，它们通常都在垂直于切削速度v的平面内度量。 切削宽度：刀具主切削刃与工件接触的长度。,车削外圆时切削宽度：,切削厚度：刀具或工件每移动一个进给量，主切削刃相邻两位置间的垂直距离。,车外圆时，切削厚度：,切削面积：工件被切下的金属层的截面积。,车外圆时：,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；切削速度对切削力影响不大（影响积屑瘤）,二、影响切削力的主要因素,2、切削用量的影响,在切削加工时，从降低切削力和切削功率的角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。,影响切削力因素, 前角0 增大，切削力减小, 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）,3 刀具几何角度影响,影响切削力因素,3 刀具几何角度影响, 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fp，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） ；, 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 ；,1、增大前角切塑性材料时多用2、增大主偏角 减小背向力工艺系 统刚性差时用3、减小背吃刀量减小切削力少用4、改善冷却润滑条件,减小切削力的措施,切削力经验公式,切削力经验公式,式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 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。,切削力与切削层公称横截面积之比，即单位切削面积上的（主）切削力。,切削层单位面积切削力kc,kc见表2-2,举例：用YT15硬质合金车刀外圆纵车b=0.637 GPa的结构钢，车刀几何参数为：切削用量为：试用指数公式计算切削力。,查表得公式中指数和系数，所给条件与表中条件相同，故 ：,（N）,（N）,（N）,（KW）,第三节 切削热与切削温度,一、切削热的来源与传出,1、切削热的来源,2、切削热的传出,1、切削热的来源,如果忽略进给运动所消耗的功，并假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热可由下式算出：,2、切削热的传出,(1)车削加工：50%86%由切屑带走，10%40%传入车刀，3%9%传入工件，1%左右通过辐射传入空气。(2)钻削加工：28%由切屑带走，14.5%传入刀具，52.5%传入工件，5%左右传入周围介质。(3)磨削加工：4%由磨屑带走， 12%传给砂轮， 84%传入工件。,二、切削温度的测量热电偶法,切削温度是指切削区（切屑，工件，刀具接触处）的平均温度。温度的高度取决于切削热的产生和传出。测量方法：自然热电偶法测量切削区域的平均温度 工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。人工热电偶法测量刀具、切屑、工件上指定点的温度，并可得出温度分布场。, 用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极。, 可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。,切削温度及分布,TJ University,切削温度分布, 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。,影响切削温度的因素,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。,经验公式,（3-12）,切削用量增大，切削温度增加。速度进给量背吃刀量（大小）,在保证生产率的前提下，为了有效地控制切削温度，选用大的背吃刀量和进给量比选用大的切削速度要有利得多。 -合理选择切削用量的重要依据之一。,（2）切削用量,影响切削温度的因素,刀具几何参数的影响,前角o切削温度前角增大，切削变形和摩擦减小，切削热减少，切削温度降低。但前角过大，又使刀头部分散热体积减小，反而不利于切削温度的降低。主偏角r切削温度主偏角减小使主切削刃工作长度增加，散热条件改善，从而使切削温度降低。负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小,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,影响切削温度的因素,刀具磨损的影响,冷却液的影响 切削液的冷却、润滑作用，使切削温度降低。,刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区金属的变形增加；同时，磨损后的刀具与工件的摩擦增大，两者均使切削热增多，切削温度升高。,各种刀具材料切削不同工件材料时，都有一个最佳的切削温度范围。,四、切削热的限制和利用,硬质合金刀具切削钢时，切削温度在800左右其性能达到最佳状态,（一）利用切削温度自动控制切削速度或进给量 （二）利用切削温度与切削力控制刀具磨损,刀具在切削过程中，刀具在高压、高温、强烈的摩擦条件下，切削刃由锋利逐渐变钝以失去切削能力。正常磨损：机械磨损，热、化学磨损非正常磨损：破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）,第四节 刀具的磨损与刀具耐用度,一、刀具磨损的形式,正常磨损形式： 1、后刀面磨损（VB） 2、前刀面磨损（KB）（月牙洼磨损） 3、前、后刀面同时磨损(VB、 KB),后刀面磨损：一般在切削脆性金属（如铸铁）或以较低的速度和较小的切削厚度（0.1mm）切削塑性材料发生,前刀面磨损（KB）（月牙洼磨损）：多发生在切削塑性金属，切削速度较高和切削层公称厚度较大（0.5mm）时,前、后刀面同时磨损：切削塑性金属，采用中等切削速度和中等进给量时（0.10.5mm），多为前、后刀面同时磨损。,刀具磨损形式,1.硬质点磨损,2.粘结磨损,3.扩散磨损,切削时，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。,切削时，切屑、工件与前、后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于切屑在滑移过程中产生剪切破坏，带走刀具材料，从而造成粘结磨损。,在切削高温下，使工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩散置换造成的刀具磨损，称为扩散磨损,（5）相变磨损,（4）化学磨损,在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨损，称为化学磨损。,当切削温度达到或超过刀具材料的相变温度时，刀具材料中的金相组织将发生变化，硬度显著下降，引起的刀具磨损称为相变磨损。,1、磨粒磨损（硬质点磨损） 低速低温下磨损的主要原因 2、粘结磨损3、相变磨损4、扩散磨损5、氧化磨损,高速、高温下磨损的主要原因,注：不同的刀具材料在不同的使用条件下造成磨损的主要原因是不同的。,高速钢刀具：磨粒磨损和粘结磨损是正常磨损的主要原因，相变磨损是使它产生急剧磨损的主要原因。硬质合金刀具：在中、低速时，磨粒磨损和粘结磨损是正常磨损的主要原因，在高速切削时刀具磨损主要由磨粒磨损、扩散磨损和氧化磨损所造成。扩散磨损是使硬质合金刀具产生急剧磨损的主要原因。,1、初始磨损阶段2、正常磨损阶段有效工作阶段3、急剧磨损阶段不宜使用,三、刀具磨损过程和磨钝标准,（一）刀具磨损过程,（二）刀具磨钝标准,在使用刀具时，应控制刀具在产生急剧磨损之前必须重磨或更换新刀刃。这时刀具的磨损量称为磨损限度或磨钝标准。常用后刀面（1/2背吃刀量处）均匀磨损区宽度VB表示（mm）。,粗加工的磨钝标准：使用寿命最长经济磨钝标准；精加工的磨钝标准：保证零件加工精度和表面粗糙度， VB值较小工艺磨钝标准,国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以是以下任何一种：（1）VB=0.3mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取 VB max=0.6mm；（3）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）,表2-3 硬质合金车刀的磨钝标准,1、刀具耐用度定义,四、刀具耐用度（T）,刀具刃磨后，从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止所经过的总切削时间T（min）。刀具刃磨后，从开始切削到磨损量达到达到磨钝标准所加工零件数量或走刀次数。刀具刃磨后，从开始切削到磨损量达到达到磨钝标准所经过的切削路程。,在相同切削条件下切削某种工件材料时，比较不同刀具材料的性能；同一刀具材料切削各种工件材料时，比较材料的切削加工性；判断刀具几何参数是否合理。,刀具耐用度的作用：,2.影响刀具耐用度的因素：,工件材料的强度、硬度越高，导热性越差，耐用度就会越低。,(1) 工件材料的影响,(2)切削用量的影响,切削速度对耐用度的影响,（1）切削速度vc与刀具耐用度T的关系,式中：A与切削条件有关的系数； m切削速度对耐用度影响程度的指数，其值 越小，影响越大。当车削中碳钢和灰铸铁时，m值大致为：高速钢车刀，m0.11；硬质合金焊接刀，m0.2；硬质合金可转位车刀，m0.250.3；陶瓷车刀，m0.4。,通常：x y z，即：影响大 小：vc f ap,2、进给量 f 和背吃刀量 ap 与刀具耐用度T的关系,为了减少刀具磨损、提高刀具耐用度，应该选大的背吃刀量、较大的进给量和合适的切削速度。,（3）刀具的影响,刀具角度： 前角增大，刀具耐用度增加。 前角过大，刀具耐用度降低。 刀尖圆弧半径增大或主偏角减小，刀具耐用提高。,（3）刀具的影响,刀具耐用度确定,式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；T 为刀具耐用度。令f，ap为常数，有：,使工序时间最短的刀具耐用度。以车削为例，工序时间：,将上式代入式（4-14），对T求导，并令其为0，可得到最大生产率刀具耐用度为：,（3-16）,（3-17）,又：,（3-18）,式中 C0 工序成本； Cm 机时费； Ct 刀具费用； tm ，ta ，tc ，T 含义同前。,使工序成本最小的刀具耐用度。仍以车削为例，工序成本为：,（3-19）,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济耐用度为（图3-28）,刀具耐用度确定,3. 刀具耐用度的合理数值,最高生产率耐用度Tp最低成本耐用度Tc,刀具耐用度并不表征刀具的切削性能，而是人为的规定值。刀具耐用度并不是越高越好。,确定刀具耐用度时应考虑：,.刀具制造和刃磨的难易程度、成本刀具装卸或调整时间的长短工件情况,复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。,高速钢车刀：3090min硬质合金焊接车刀：60min90min高速钢钻头：80120min硬质合金铣刀：120180min齿轮刀具：200300min组合、自动机床及自动线用刀具：240480min 可转位车刀：1530min,本章结束,