机械制造技术基础(第3章).ppt

机械制造技术基础(第三章 金属切削过程及其控制),主讲:肖新华天津工业大学机械工程学院,切削过程是刀具和工件间相互作用，刀具从被加工工件表面上切去多余材料得到预定的尺寸精度和表面质量的过程，是机械制造中的最基本的方法。在此过程中，被加工工件的切削层在刀具的挤压下产生塑性变形，形成切屑被切除掉，同时伴随着很多的物理现象，如力、热、刀具的磨损等，这些物理现象的产生与切削变形有着极为密切的关系。同时刀具的几何角度、刀具材料等对切削力、切削温度和刀具磨损等又有直接的影响。,3.1 概述,3.2金属切削加工的基本概念,3.2.1 切削加工 金属切削加工是利用刀具切去工件毛坯上多余的加工余量，获得具有一定的尺寸、形状、位置精度和表面质量的机械加工方法。3.2.2 切削运动 切削运动就是刀具与工件之间的相对运动，即表面成形运动，切削运动可分解为主运动和进给运动。,1.主运动是切下切屑所需的最基本的运动。在切削运动中,主运动的速度最高、消耗的功率最大，主运动只有一个。2.进给运动是多余材料不断被投入切削,从而加工出完整表面所需的运动。进给运动可以有一个或几个。,3.2金属切削加工的基本概念,分析以下加工方法的主运动和进给运动,3.2.4 切削用量 1.切削速度:2.进给量f；工件或刀具每转一周(或每往复一次)，刀具沿进给方向上的相对位移量。进给速度、进给量和每齿进给量的关系：3.背吃刀量:,hd,bd,3.2金属切削加工的基本概念,3.2.5 切削层参数:切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层，也就是相邻两个加工表面之间的一层金属。1.切削层公称厚度hd；2.切削层公称宽度 bd；3.切削层公称横截面积Ad.,hd,bd,3.2金属切削加工的基本概念,3.3 金属切削加工用的刀具,3.3.1 刀具的结构及参考系 1.刀具切削部分的组成,刀具的组成,其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可看作是车刀的演变和组合。,工件,车刀,f,待加工表面,过渡表面,已加工表面,基面,切削平面,正交平面,2.确定刀具角度的参考平面,正交平面参考系,底平面,正交平面参考系/法平面参考系,3.刀具角度标注,在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。在切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面。主要掌握以下刀具角度：(1)前角0(2)后角0(3)主偏角r(4)副偏角 r(5)刃倾角 s,(1)前角0,前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。,前角0：前刀面与基面间的夹角（在正交平面中测量）。,前角0,(2)后角0,后角0：后刀面与切削平面间的夹角（在正交平面中测量）。,一般为正值。,(3)主偏角r,kr,主偏角r：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角。,(4)副偏角 r,kr,Kr,副偏角r：基面中测量的副主切削刃与进给运动反方向的夹角。,(5)刃倾角 s,(a)s0,(b)s,(c)+s,在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。,3.刀具角度标注,切断刀的标注角度,切断刀的标注角度,4.刀具实际工作角度,产生原因:在实际的切削加工中，切削平面、基面和正交平面位置会发生变化。定义:以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。影响：刀具安装位置对工作角度的影响、进给运动对工作角度的影响。,(1)刀具安装高度非理论高度时,(2)刀具安装偏斜对工作角度的影响,(3)刀具横向进给对工作角度的影响,(4)刀具纵向进给对工作角度的影响,前角增大后角减小,3.3.2 常用刀具种类,1.分类,按照切削刃的多少可分为单刃（如车刀）刀具和多刃刀具（如铣刀）；,按照标准化程度不同可分为标准刀具（如麻花钻、丝锥）和非标准刀具（如拉刀、成形刀具）；,按照尺寸的规格的不同可分为定尺寸刀具（如铰刀、扩孔钻）和非定尺寸刀具（如车刀、刨刀）；,按照刀具组成形式可分为整体式刀具、装配式刀具和复合式刀具。,2 车刀,1切断刀；2左偏刀；3右偏刀；4弯头车刀；5直头车刀；6成形车刀；7宽刃精车刀；8外螺纹车刀；9端面车刀；10内螺纹车刀；11内槽车刀；12通孔车刀；13盲孔车刀,车刀的结构可分为整体式、焊接式、机械夹固式、可转位式、成形车刀等：（1）整体式车刀 其材料为高速钢，因耗用刀具材料多，一般只用作切槽、切断刀。（2）焊接式车刀 是将硬质合金刀片焊接在碳钢或铸铁刀杆的槽上的车刀。,2 车刀,（3）机械夹固式车刀 简称机夹车刀，是采用普通硬质合金刀片，使用机械夹固的方法将刀片夹持在刀柄上使用的车刀。与焊接式车刀相比，机夹车刀具有以下优点：刀片不经高温焊接，避免了因焊接而引起的刀片硬度下降及热应力所造成的裂纹等缺陷，提高了刀具耐用度及寿命。此外，车刀磨钝后，不必拆动刀杆，只需卸下刀片重磨或更换即可。这样不仅大大缩短了车刀更换和调整的时间，还减轻了工人的劳动强度。这对于重型车床上用大型车刀来讲，其效果尤为显著。刀杆使用寿命长，可多次重复使用，节省了制造刀杆的材料和工时。车刀重磨多次后，尺寸变小，可以装在小一号的刀杆上继续使用，从而提高刀片的利用率。刀片的夹紧元件往往同时起到断屑台的作用，有利于断屑。,2 车刀,与焊接车刀相比，机夹式车刀结构较复杂、不紧凑。常用的刀片夹固结构有上压式、侧压式和弹性夹固式三种。,2 车刀,（4）可转位式车刀 由刀杆、刀片、刀垫和夹紧元件组成。当刀片的切削刃磨钝后，不需要重磨，只要松开夹紧装置，将刀片转过一个位置，重新夹紧后便可用新的切削刃继续加工，当全部切削刃用钝后，更换新的刀片。这种可转位车刀具有寿命长、节约材料、减少辅助时间、效率高等很多优点。,2 车刀,（5）成形车刀 是加工回转体成形表面的专用刀具，主要有平体、棱体和圆体三种，刀具的刃形是根据被加工工件的廓面设计的。主要应用于大批量生产，成形回转体表面。具有加工质量稳定、生产率高、刀具使用寿命长的特点。,2 车刀,3 孔加工刀具,（1）钻孔刀具 常用的钻孔刀具有麻花钻、中心钻、扁钻和深孔钻等，其中最常用的是麻花钻。根据制造麻花钻的材料不同，可分为碳素钢麻花钻、高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻等，由于碳素钢麻花钻的切削性能较差，现在基本上不再使用。高速钢麻花钻使用较普遍，由四部分组成。柄部；颈部；导向部分；切削部分。,麻花钻的结构,麻花钻存在问题,前角变化大；排屑不畅；横刃的切削条件差；散热条件差主、副切削刃磨损剧 顶角、后角和横刃不能够或很难分别控制 孔表面粗糙度大,改进方法,群钻双重顶角等前角曲线刃S形横刃,三尖七刃锐当先,月牙弧槽分两边,一侧外刃开屑槽,横刃磨得低窄尖.,1、降低了钻削抗力，钻钢材时，基本型群钻的轴向 力约比普通麻花钻降低3547，转矩约降低1030。减少了钻削热，降低了切削刃上的温度。2、减轻了切削刃的磨损，提高了钻头的耐用度，从而可提高生产效率35倍。改善了排屑和断屑情况及操作安全性。3、便于切削液流入切削区。4、减轻了钻孔时钻头轴线的倾斜，提高各孔轴线的平行度。5、提高了孔型的圆柱度。6、钻头切入工作快，定心情况好；当需要划线钻孔时，便于钻头的找正。,中心钻分成打中心孔用的中心钻和钻孔定中心用的中心钻。其中打中心孔用的中心钻又有不带护锥中心钻、带护锥中心钻和弧形中心钻三种形式。,深孔钻按工艺的不同可分为钻孔、扩孔、套料三种，按切削刃的多少可分为单刃和多刃，按排屑方式可分为外排屑和内排屑。图为深孔钻工作原理。,扩孔钻是孔精加工前的预加工以及毛坯孔的扩大，如图所示。扩孔加工和钻孔相似，但是由于扩孔钻的齿数多，没有横刃，因此加工效率和精度高。,（2）铰刀,铰刀一般分为手用铰刀和机用铰刀，是孔的精加工刀具。其材料可为高速钢、硬质合金或金刚石。铰刀的结构如图所示，由柄部、颈部和工作部分组成，各部分的作用与钻头相似。工作部分由引导锥、切削部分和校准部分组成。引导锥用于引导铰刀进入底孔，便于切入工件。校准部分除了刮削、挤压并保证孔径尺寸外，还起引导作用。对于手用铰刀校准部分应做得长一些，对于机用铰刀，可稍短一些，导向精度主要由机床保证。,（3）镗刀,镗刀按切削刃数量可分为单刃、双刃和多刃镗刀，按加工表面可分为内孔和端面镗刀，按刀具结构可分为整体式、装夹式和可调式镗刀。单刃镗刀只有一个主切削刃，结构与车刀类似。镗孔的尺寸通过调整镗刀头的位置来保证。双刃镗刀有定装和浮动两种，图所示为双刃浮动镗刀的结构。,多刃镗刀是在一个圆形刀盘的圆周上镶嵌有两个以上单刃镗刀头的镗刀（如图所示），镗孔时每个镗刀头同时参与切削，生产效率高，适合于孔的粗加工。微调镗刀都有一个精密的刻度盘，刻度盘的螺母同刀头的丝杠组成一个精密的丝杠螺母副（如图所示）。当转动刻度盘时，丝杠带动刀头直线运动实现微调。微调镗刀的安装有直角型和倾斜型，直角型用于镗通孔，倾斜型用于镗盲孔。,4铣刀,刀齿分布在圆周表面或端面上的多刃回转刀具加工平面、台阶、沟槽和各种成形表面,比较复杂的用于加工复杂三维曲面的弧面和球面铣刀,在联动轴数较多的数控加工机床上应用很广.,5 拉刀,一般为加工规则复杂内表面的,特别是花键槽,等这一类型表面直线运动；齿很多；排齿间有齿升量；加工效率较高,6 螺纹刀具,单件一般车削加工；也有用板牙加工的；成批的采用切削法和滚压法；滚压法加工的螺栓强度较高,7 齿轮加工刀具,加工方法有成形法和范成法成形法齿轮刀具:盘形齿轮铣刀、指状齿轮铣刀展成法齿轮刀具:滚刀、插齿刀、剃齿刀插齿刀:加工同模数、同压力角的任意齿数的齿轮；既可以加工标准齿轮,也可以加工变位齿轮.,滚刀:渐开线蜗杆、阿基米德蜗杆、选用原则:基本参数(如模数、压力角、齿顶高系数等)相同.精度等级相当.旋向相同,滚切直齿用左旋滚刀。,（1）成形齿轮铣刀,成形法加工中齿轮铣刀的刃形和被加工齿轮的齿槽完全相同或者近似，主要有盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀等，如图3-30所示。用于加工直齿、斜齿圆柱齿轮和斜齿齿条等，刀具结构简单、成本低，但是加工精度低、生产效率低，适用于单件小批量生产或者修配场合。,铣齿加工演示,（2）齿轮滚刀,是应用最为广泛的用于加工直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮的刀具，有渐开线、阿基米得和法向直廓三种。理论上加工渐开线齿轮应该用渐开线滚刀，但是由于制造困难，而阿基米德蜗杆轴向剖面的齿形为直线，易于制造，因此生产中常用阿基米得蜗杆代替渐开线蜗杆，如图3-31所示。,滚齿加工,（3）插齿刀,插齿刀是用于加工直齿轮、内齿轮、多联齿轮、人字齿轮和齿条的刀具。标准的直齿插齿刀按其结构特点可以分为盘形、碗形和带锥柄三种，如图3-32所示。盘形的插齿刀主要用于加工直齿外齿轮和大模数的内齿轮；碗形直齿刀主要用于加工多联齿轮和带凸肩的齿轮；锥柄插齿刀主要用于加工内齿轮。,插齿加工,（4）剃齿刀,用于加工未淬硬的直齿、斜齿圆柱齿轮的半精加工。剃齿刀的精度等级为A、B、C三级，分别用于加工6、7、8级齿轮。剃齿刀的使用寿命长、生产率高，但价格高，适合于在成批大量生产中使用。,3.3.3 常用刀具材料,1.刀具材料应具备的性能,高硬度:比工件高,HRC60,高耐磨性:决定其耐用度,足够的强度和韧性:不崩刃,不断,高的耐热性(热稳定性):高温时可以加工,良好的热物理性能和耐热冲击性能,良好的工艺性能:刀具制造成本低,含有较多钨、钼、烙、钒等元素的高合金工具钢较高的硬度(热处理硬度达HRC6267)和耐热性(切削温度可达550600)切速比碳素工具钢和合金工具钢高13倍(因此而得名),刀具耐用度高1040倍,甚至更多可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料制造工艺简单,能锻造,容易磨出锋利的刀刃在复杂刀具(钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)的制造中占有重要地位。,2.高速钢(风钢或锋钢),普通高速钢。是切削硬度在250280HBS以下的大部分结构钢和铸铁的基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于4060m/min。普通高速钢应用最广，约占高速钢总量的75%。按钨、钼含量的不同分为钨系高速钢（如W18Cr4V）和钨钼系高速钢（如W6Mo5Cr4V2）。钨系高速钢综合性能好，适用于制造复杂刀具，工艺性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；强度和韧性显得不够；热塑性差。钨钼系高速钢具有良好的机械性能，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等；工艺性也好，目前各国广为应用。,高性能高速钢。是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成，其耐热性好，在 630650时仍能保持接近 60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。高碳高速钢。它的含碳量的提高，使钢中的合金元素能全部形成碳化物，从而提高钢的硬度和耐磨性，但强度和韧性有所降低，目前很少使用。高钒高速钢（如W12Cr4V4Mo）。是将钢中的钒含量增加到3%5%，由于碳化钒可提高钢的硬度，所以一方面增加了钢的耐磨性，另一方面也增加了钢的刃磨难度。,钴高速钢（如W2Mo9Cr4VCo8）。在钢中加入了钴，可提高钢的高温硬度和抗氧化能力，因此能适用于较高的切削速度，可提高钢的回火硬度和磨削加工性。铝高速钢（如W6Mo5Cr4V2Al）。是我国独创的高性能高速钢，加入铝元素能提高W、Mo在钢中的溶解度，并阻止晶粒长大，从而提高了高温硬度、热塑性和韧性。粉末冶金高速钢。是在用高压惰性气体（氢气或氮气）把钢水雾化成粉末后，再经过热压锻轧成材。这种钢有效地解决了熔炼高速钢的碳化物共晶偏析问题，结晶组织细小均匀。与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢材质均匀、韧性好、硬度高、热处理变形小、质量稳定、刃磨性能好、刀具寿命较高。可用它切削各种难加工材料，特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。,涂层高速钢。它的表面涂层是采用物理气相沉积（PVD）方法，在适当的高真空度与温度环境下进行气化的钛离子与氮反应，在阳极刀具表面生成TiN，其厚度可由PVD时间来决定，一般为28m。涂层高速钢的切削力、切削温度约下降25%，切削速度、进给量和刀具寿命显著提高。适合在钻头、丝锥、成形铣刀和切齿刀具上应用。除TiN涂层外，还有TiC、TiAlN、ALTiN、TiAlCN、DLC和CBC涂层等。,3.硬质合金,用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(碳化钨,碳化钛,碳化钽,碳化铌等)与金属粘结剂(钴,镍,钼等)在高温下烧结而成的粉末冶金制品.硬度:HRA89-93,能耐850-1000C的高温,良好的耐磨性,切速可达100-300m/min,可加工包括淬硬钢在内的多种材料,应用广泛硬质合金的抗弯强度低,冲击韧性差,不锋利,较难加工,不易做成形状复杂的整体刀具常用的硬质合金有K类,P类和M类.,3.硬质合金刀具,K类（相当于我国YG类）。该类硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金。这类合金主要用来加工铸铁、有色金属及其合金。P类（相当于我国YT类）。该类硬质合金由WC、TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金。这类合金主要用于加工钢料。M类（相当于我国YW类）。该类硬质合金是在WC、TiC、Co的基础上再加入TaC或NbC）而成。加入TaC（或NbC）后，改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。为了克服常用硬质合金强度和韧性低、脆性大、易崩刃的缺点，可以通过调整化学成分、细化合金晶粒以及采用涂层刀片等手段来改善其性能。,4.涂层刀具,涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具的基体上，涂覆一层很薄的耐磨性很高的难熔金属化合物而得的。常用的涂层材料有碳化钛（TiC）、氮化钛（TiN）和氧化铝（Al2O3）等。TiC的硬度比TiN高，抗磨损性好，对于会产生剧烈磨损的刀具，TiC的涂层较好。TiN与金属的亲和力较小，润湿性能好，在容易产生黏结的情况下，TiN的涂层较好。在高速切削产生大量热量的场合，以采用AL2O3涂层为好，因为氧化铝在高温下有良好的热稳定性。,陶瓷刀具是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，添加少量金属在高温下烧结而成的。具有以下主要特点：高硬度和耐磨性。常温硬度达9195HRC，可以切削60HRC以上的硬材料。高的耐热性。高温下强度、韧性降低较少。高的化学稳定性。在高温下有较好的抗氧化、抗黏结性能。低的摩擦因数。切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。强度和韧性低。承受冲击载荷的能力较差。热导率低。抗热冲击性能较差。陶瓷刀具一般适用于高速精细加工硬材料，新型的陶瓷刀具也能半精、粗加工多种难加工材料。,5.陶瓷,立方氮化硼（CBN）是由立方氮化硼（白石墨）经高温高压处理转化而成，其硬度高达8000HV，仅次于金刚石。CBN是一种新型刀具材料，它可耐13001500的高温，热稳定性好；它的化学稳定性也很好，温度高达12001300时也不与铁产生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。CBN能对淬硬钢、冷硬铸铁进行粗加工与半精加工，同时还能高速切削高温合金、热喷涂材料等难加工材料。,6.立方氮化硼,金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，其显微硬度达10000HV。金刚石刀具有三类：（1）天然单晶金刚石刀具 主要用于非铁材料及非金属的精密加工。单晶金刚石结晶界面有一定的方向，不同晶面上硬度与耐磨性有较大的差异，刃磨时须注意选择刃磨平面。（2）人造聚晶金刚石 天然金刚石价格昂贵，工业上多使用人造金刚石。人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。人造聚晶金刚石抗冲击强度高，可选用较大的切削用量。结晶面无固定方向，可自由刃磨。,7.金刚石,（3）金刚石烧结体 在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的聚晶金刚石。强度较好，能进行断续切削，可多次刃磨。人造金刚石目前主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料时主要用于有色金属的高速精细切削。金刚石不是碳的稳定状态，遇热易氧化和石墨化，用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力强，刀具寿命低。,刀具材料与切削速度,77,刀具材料与耐磨性,3.3.4 磨料与磨具,1.磨料 磨料是砂轮的主要成分，直接担负切削工作。磨料应该具有高硬度、高耐热性和一定的韧性，在磨削过程中受力破碎后还要能形成锋利的几何形状。常用的磨料有氧化物系、碳化物系和超硬磨料系三类.,表3-2 磨料的特性和使用范围,2.粒度,粒度表示磨料颗粒的尺寸大小，分为磨粒（直径大于40m）和微粉（直径小于40m）。磨粒以每平方英寸的网眼数来表示，如60表示磨粒刚能通过每英寸60个孔眼的筛网。粒度号越大，磨粒越细。微粉是以颗粒的实际尺寸分级，如W20表示为直径为20m的微粉。W后的数字越小，微粉越细。粗磨加工选用颗粒较粗的砂轮，以提高生产效率；精磨加工选用颗粒较细的砂轮，以减小加工表面粗糙度值。砂轮与工件接触面积大时，选用颗粒较粗的砂轮，防止烧伤工件。,表3-3 常用粒度及使用范围,3.结合剂,结合剂的作用是将磨粒黏结在一起，形成具有一定形状和强度的砂轮。常用的结合剂种类有陶瓷、树脂、橡胶和金属结合剂（常用青铜）。,4.硬度,砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。砂轮硬度高，磨粒不容易脱落；反之磨粒容易脱落。砂轮的硬度分七个等级。磨削时，如砂轮硬度过高，则磨钝了的磨粒不能及时脱落，会使磨削温度升高而造成工件烧伤；若砂轮太软，则磨粒脱落过快不能充分发挥磨粒的磨削效能。工件硬度较高时应选用较软的砂轮；工件硬度较低时，应选用较硬的砂轮；砂轮与工件接触面较大时，选用较软的砂轮；磨薄壁件及导热性差的工件时选用较软的砂轮；精磨和成形磨时，应选用较硬的砂轮；砂轮粒度号大时，应选用较软的砂轮。,表3-5 砂轮的硬度等级名称及代号,5.组织,砂轮的组织是指磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨料在砂轮体积中所占的比例越大，组织越紧密；反之，则组织越疏松。砂轮的组织分为紧密（组织号03）、中等（组织号47）和疏松（组织号812）三个类别。6.砂轮形状 砂轮是用结合剂把磨粒黏结起来，经压坯、干燥、焙烧及车整而成。它的特性决定于磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸等。常用砂轮形状、代号及主要用途见表3-7。,3.4金属切削过程中的变形,金属切削过程中，刀具从工件上切下多余金属，形成切屑和已加工表面，产生切削力、切削热、刀具磨损、积屑瘤等现象，这些现象的成因、作用及变化规律都是以切削过程为基础的。研究金属切削过程对于保证加工质量、提高生产效率、降低生产成本具有十分重要的意义。,90,没有副刃参加切削，且s=0。,3.4.1 切屑的形成过程及变形区的划分,切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。图所示是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图。OA滑移线称作始滑移线，OM称作终滑移线。流线表明被切削金属中的某一点在切削过程中流动的轨迹。切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：,3.4.1 切屑的形成过程及变形区的划分,第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,图3-5 切削部位三个变形区,第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。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。,1.第一变形区又称基本变形区。2.第二变形区3.第三变形区,第一变形区的金属滑移,切削变形,3.4.1 切屑的形成过程及变形区的划分,如图2.2(b)所示，对于切削层 来说，移至剪切面AB时，产生滑移后形成切屑 上。这个过程连续进行，切削层便连续地通过前刀面转变为切屑。,图2.2（b）切屑形成过程,此图与形成切屑时的实际变形较接近，故称之为切屑形成模型。剪切面AB与切削速度 之间的夹角 称为剪切角。由此可知，第变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。,3.4.2 前刀面的挤压与摩擦及其对切削变形的影响,1.切屑的受力分析 在直角自由切削的情况下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上的正压力Fns和剪切力Fs。这两对力的合力互相平衡，如下图所示。将两对力都画在切削刃的前方，可得到如右下图所示的力关系图。,可推导出如下公式 F=Fc=Fcos(o)=Fp=Fsin(o)=,2.切削变形程度,切削变形程度有三种不同的表示方法：变形系数、相对滑移和剪切角。（1）变形系数在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都大于工件切削层厚度hd，而切屑长度lch却小于切削层长度lc。切屑厚度hch与切削层厚度hd之比称为厚度变形系数，切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数。由图3-38可得：,=,根据体积不变原理，可得：,（2）相对滑移,由于切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移（剪应变）来衡量切削过程的变形程度。如图所示，平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，其相对滑移为：,=cot+tan(o),（3）剪切角,在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。图所示为直角自由切削状态下的作用力分析，在垂直于切削合力F方向的平面内剪应力为零，切削合力F的方向就是主应力的方向。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应为45，即Fs与F的夹角应为45，故有：,+o=,分析可知：前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦因数，有利于改善切削过程。,刀具前角对切削变形的影响 切削厚度对切削变形的影响,3.影响切屑变形的因素,（1）工件材料材料越脆，塑性越小，强度越高、切削变形越小。材料塑性越大，强度越低、切削变形越大。,3.影响切屑变形的因素,（2）刀具前角 增大刀具前角，剪切角 将随之增大，变形系数h将随之减小；但增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力av减小，使摩擦角 和摩擦因数增大而导致 减小。由于后一方面影响较小，h还是随着增大而减小。,（3）切削速度vc 在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度vc越大，变形系数h越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度越高，切削变形越不充分，导致变形系数下降。此外，提高切削速度还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度s因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦因数减小，使变形系数h下降。（4）进给量f 进给量越大，变形越小。（4）切削层公称厚度hd 在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度hd越大，变形系数h越小。,积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,定义：在切速不高，而且又能连续切削的情况下，加工一般的钢料或其它塑性材料时，在刀具的前刀面常常粘结一块硬度很高的呈三角形的硬块，这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。切削条件：（1）中速连续切削（2）一般钢料或其他塑性材料,现 象:（1）刀具前刀面产生硬度很高的硬块；（2）工件表面粗糙度增大；形成原因：切屑与刀具前刀面在一定的压力和温度下，由于内外摩擦的作用，使切屑聚积在刀具的前刀面，发生加工硬化，形成了比工件材料硬度高的一个硬块，粘在刀具前刀面。,积屑瘤,积屑瘤对切削过程的影响1.实际切削前角增大：切削力小了，变得轻快；2.切厚增大：；3.表面粗糙度加大；4.影响刀具使用寿命。,防止积屑瘤产生的办法（1）避开中速切削加工；（2）采用润滑性能好的切削液；（3）增大刀具前角，减小接触面积和接触力；（4）适当增加工件硬度，减小加工硬化现象的产生。,3.5 金属切削过程中切屑的类型及控制,3.5.1 切屑的类型与分类 在切削不同材质的工件，不同的切削参数时，会得到不同的切屑类型。（1）带状：在切削塑性材料，速度较高，前角较大时会得到，微观情况下，有时可见剪切面，是最为常见切屑类型。,（2）节状切屑：在切削厚度大、切速低、前角小时，由于剪切力大于材料的强度，使得切屑产生锯齿状的裂纹和断裂。,（3）粒状切屑：当上述切削条件进一步发生变化时，切屑的裂纹扩展到整个接触面时，形成单元切屑。,（4）崩碎切屑：加工脆性材料、切厚较大，切削力超过了抗拉极限，形成崩碎切削。容易崩刀，表面质量差。,112,3.5.2 切屑的控制措施,在实际生产中，有的切屑到一定长度以后会自动折断，有的会缠绕在刀具或工件上，影响切削加工的正常进行。因此切屑的控制具有重大意义，在自动化加工中显得尤为重要。切屑的控制包括切屑的流向控制和切屑的折断（断屑）两方面内容。,1.切屑的流向控制,控制切屑的流向可使已加工表面不被切屑划伤，便于对切屑进行处理，从而使切削过程顺利进行。影响切屑流向的主要参数是刀具刃倾角s，主偏角r及前角。以车削外圆为例，当s为正值时，切屑流向待加工表面；当s为负值时，切屑流向已加工表面，如图3-43所示。r=90时，切屑流向已加工表面。为负值时，由于前刀面的推力作用，切屑常流向待加工表面。因此，控制切屑的流向可以采用控制刀具几何参数来实现。,2.断屑,切屑经第、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 在刀具的前刀面上设置断屑槽可以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，能加速切屑的折断。常用断屑槽的截面形状有折线形、直线圆弧形和全圆弧形，如图3-44所示。折线形和直线圆弧形适用于碳钢、合金钢和不锈钢加工；全圆弧形的槽底前角大，适用于加工塑性高的金属材料和重型刀具。,2.断屑,根据断屑槽在前刀面上的布置方式，可分成平行式、外斜式和内斜式，如图3-45所示。外斜式能在较宽的切削用量范围内实现断屑，它使s为负值，切屑易折成小段流向已加工表面。内斜式断屑范围窄，适用于背吃刀量较小的半精加工和精加工。平行式居于二者之间。,2.断屑,（2）调整切削用量 在切削用量中，对断屑影响最大的是进给量，其次是背吃刀量。提高进给量f使切削厚度增大，在切屑受卷曲或碰撞时易折断，对断屑有利，但增大f会增大加工表面粗糙度。背吃刀量增大对断屑作用不大，只有当同时增大进给量时，才能有效断屑。降低切削速度，能使切屑变形较充分，对断屑有利。（3）其他断屑方法 在刀具前刀面上安装可调距离和角度的断屑挡块，能达到稳定断屑的目的。不足之处是减小了排屑空间。采用断续切削、摆动切削或振动切削能使切屑厚度变化，在切屑厚度较小处产生应力集中，从而达到断屑目的。在参与切削的较长切削刃（如钻头、圆柱铣刀、拉刀等）上开分屑槽，使切屑分段流出，便于排屑和容屑.,2.断屑,3.6 金属切削过程中的切削力和切削功率,刀具与工件的相互作用会产生切削力，切削力的大小与切削热、刀具磨损、切削效率和加工质量有密切关系，切削力也是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。3.6.1 切削力 刀具切入工件，使工件材料发生变形所需要的力，称为切削力。有三个主要来源：,1）克服被加工材料弹性变形的抗力（前、后刀面都存在）2）克服被加工材料塑性变形的抗力（前、后刀面都存在）3）克服前、后刀面所受摩擦阻力,3.6.1 切削力,上述四个力的总和就是切削力的合力，为实际应用，将上述力分解为x、y、z方向上的三个力，以车削加工为例，这三个力分别为：,：轴向力或进给力，与进给方向相反，在刀具的基面内，是计算进给功率的依据；,3.6.1 切削力,：切深抗力、径向力、吃刀力或背向力，同在基面内，使工件产生挠度误差，计算机床零件和刀具强度的依据，也与切削过程的振动有关；,3.6.1 切削力,：切削力或切向力，与基面垂直，且与加工表面相切，是计算刀具强度、机床功率等所必需的。,3.6.1 切削力,由图可知：在上述三个分力中：Fc最大、Fp次之、Ff最小。,3.6.1 切削力,做功的只有 和 两个力，因此消耗的总功率为：,功率计算的第二项所占比例不到第一项的12，可以略去不计，那么：,如果考虑机床的传动效率，那么电机的功率为：,3.6.2 切削功率,由于影响切削力的因素很多，切削过程很复杂，因此，对于切削力的理论计算，国内外学者做了大量的工作，但是计算结果和实验结果还有很大的差距，因此在实际生产中都以实验测得的结果为依据，建立经验公式，现在主要测量方法有：一类是间接测量，如将应变片贴在滚动轴承外环上进行测量、测量刀架变形量等。另一类是直接测量，常用的测力仪有电阻应变片式测力仪和压电式测力仪。,3.6.3 切削力的测量,1.电阻应变片式测力仪,将若干电阻应变片紧贴在测力仪的弹性元件的不同受力位置上，分别连接成电桥。在切削力的作用下，电阻应变片随着弹性元件发生变形，使应变片的电阻值改变，破坏了电桥的平衡，即有与切削力大小相应的电流输出，经放大、标定后就可读出三个方向上的切削分力值。这种测力仪具有灵敏度高、量程范围大、测量精度高等特点。如图所示为八角环车削测力仪的测量原理。,1.电阻应变片式测力仪,1.电阻应变片式测力仪,2.压电式测力仪,压电式测力仪的工作原理是利用石英晶体或压电陶瓷的压电效应来进行测量。受力时，压电材料的表面将产生电荷，电荷的多少与所受的压力成正比而与压电晶体的大小无关，用电荷放大器转换成相应的电压参数从而测量出切削力的大小。这种测力仪具有灵敏度高、线性度高和抗干扰性较好、无惯性等特点，特别适合于测量动态力和瞬间力。,3.6.4 切削力计算的经验公式和估算,1.计算切削力的指数公式:,2.单位切削力单位切削力 指单位切削面积上的切削力切削力,3.6.5 影响切削力的因素,1.工件材料的影响 工件材料的强度、硬度越高，加工硬化的程度越大，切削力越大。切削脆性材料时，被切材料的塑性变形及与前刀面的摩擦都比较小，切削力相对较小。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。,2.切削用量的影响,（1）背吃刀量ap和进给量f 背吃刀量ap和进给量f增大时，变形抗力和摩擦力随之增大，会使切削力增大，但两者的影响程度不同。ap增大时，变形系数不变，切削力成正比增大；f增大时，切削力只增加68%86%。,2.切削用量的影响,（2）切削速度vc 切削塑性金属时，切削速度对切削力的影响与切削速度范围有关。在无积屑瘤产生的切削速度范围（高速）内，随着vc的增大，切削力减小。这是因为vc增大时，切削温度升高，摩擦因数减小，从而使h减小，切削力下降。在产生积屑瘤的切削速度（低速或中速）内，随着vc的增大，积屑瘤逐渐长大，刀具的实际前角也逐渐增大，从而切削力减小。当积屑瘤增长到一定程度后会自行脱落，此时刀具实际前角减小，切削力会突然增大。因此在积屑瘤形成的切削速度范围内，切削力有所波动。,3.刀具角度的影响,（1）前角o o增大，切削层的变形减小，切削力下降。同时，前角对切削力的影响程度随着切削速度的增大而减小。前角增大对切削力减小的影响程度与被加工材料的力学性能有关。切削塑性材料时，o对切削力的影响较大；切削脆性材料时，由于切削变形很小，o对切削力的影响不显著。,3.刀具角度的影响,（2）主偏角 从切削力分解中可以看出，主偏角增大，切削力Fc减小，背向力Fp减小，进给力Ff增大。但是当大到一定程度后，刀尖圆弧半径的作用加大，将导致Fc增大。（3）刃倾角 在很大范围内（4510）内变化时，对Fc基本没有什么影响。但是继续增大，Fp减小，Ff增大。（4）刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径增大，切削变形增大。在圆弧切削刃上各点的主偏角的平均值减小，背向力增大。,4.其他因素,（1）刀具磨损 后刀面磨损将使刀具与工件已加工表面的摩擦和挤压加剧，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。但前刀面影响比后刀面磨损对切削力的影响小。（2）切削液 使用以冷却作用为主的切削液（如水溶液）对切削力影响很小，使用润滑作用强的切削液（如切削油）能减小刀具与工件、切屑的摩擦，从而减小切削力。（3）刀具材料 刀具材料与工件材料间的摩擦因数直接影响切削力的大小。在相同切削条件下，陶瓷刀具切削力最小，硬质合金次之，高速钢的切削力最大。除上述因素外，当切屑的卷曲和排屑不畅时也会使切削力增大。,3.7 金属切削过程中的切削热和切削温度,3.7.1 切削热的产生和传导1、切削热的产生 被加工工件所消耗的能量除了一部分消耗在克服切屑的弹、塑性变形所需要的外，主要变成了热，因此说切削热的主要来源有：被加工材料的弹、塑性变形产生的热量Qb。刀具前刀面与切屑摩擦所产生的热量Qm。刀具后刀面与工件已加工表面摩擦所产生的热量Qn。,2.切削热的传导,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。各部分传出的热量，因工件材料、刀具材料、切削用量、刀具角度等的不同而不同。工件材料的导热系数高，由切屑和工件传导出去的热量就多，切削区温度低。工件材料导热系数低，切削热传导慢，切削区温度高，刀具磨损快。刀具材料的导热系数高，切削区的热量向刀具内部传导快，可以降低切削区的温度。,切削区域的热量被切屑、工件、刀具和周围介质传出，不同的加工方法，不同刀具材料，不同的工件材料有很大差别车削加工时，切削热5086由切屑带走，车刀带走4010，工件带走93钻削加工时，切屑带走28，刀具传出14.5，工件传出52.5，周围介质5,3.7.2 切削温度的测量与分布,切削温度指前刀面与切屑接触区域的平均温度。可以近似的认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和。与切削力的计算方法不同，切削区的温度可以较为准确的理论推算出来，如有限元法，但最为可靠的方法是对切削温度进行实际测量。,1.自然热电偶法,2.人工热电偶法,利用人工热电偶法可测量刀具或工件上某一定点