金属切削过程的基本理论.ppt

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1、教学目的与要求:通过本章的学习,掌握金属切削变形、切削力、切削热和刀具的破损与磨损的原因和刀具耐用度的基本概念。教学内容摘要：本章主要介绍切削变形区、变形程度的表示方法、切削力的来源与影响因素；切削热的产生与传出、计算、对切削加工的影响；刀具磨损与破损的形态、磨损的原因和刀具耐用度的选用。教学重点与难点：重点是切削变形程度的表示方法、切屑的种类及积屑瘤成因、切削力的影响因素、切削热的计算及影响因素分析、刀具磨损与破损的原因和刀具耐用度的选择。难点是切削变形、切削力与切削热影响因素分析。,研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论,对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成

2、本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。,在金属切削过程(cutting process)中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。,一、切屑的形成过程及切屑类型,（一）切屑的形成过程,切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程。,第一节 金属切削层的变形,压缩变形后沿45o方向开裂,(a)压缩,塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂,（b）切削

3、,以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。,金属切削层的变形和切屑,金属切削过程与挤压过程相似。切塑性金属时：1）金属受前刀面的挤压,在OA(始滑移面)以左产生弹性变形;2）应力逐渐变大，在AOE内产生塑性变形;3）应力达到强度极限，在OE(终滑移面)上发生剪切滑移;4）在OE(终滑移面)以上,金属被切离形成切屑。塑性金属的切削过程经历了四个阶段：弹性变形、塑性变形、剪切滑移和切离过程。,切削塑性金属的三个变形区,（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 加工硬化,一般速度范围内一区

4、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）,（二）第二变形区,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。,（挤压摩擦区）,（三）第三变形区,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。,（挤压摩擦回弹区）,刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离,刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程：,绝对滑移 S相对滑移 变形系数 剪切角,二、金属切削变形程度的表示方法,1.绝对滑移 S，相对滑移,切屑厚度hch与切削层的厚度hD之

5、比称为厚度变形系数，用h 表示，h=hch/hD；而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用l表示，l=l/lc。变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。,2.变形系数,剪切角:剪切角是出自金属切削层产生剪切滑移的一个特定参数。,=45-+0 刀和屑界面的摩擦角（）；tan=；为刀和屑界面的摩擦系数。当刀和屑界面出现粘结和滞留层时，值（内磨擦）比一般外摩擦时大得多。,剪切角 剪切面积变形程度切削力。剪切角 变形系数,影响切削变形和前刀面摩擦系数的主要因素,工件材料切削厚度刀具前角切削速度进给量上述五个因素是影响前刀面摩擦系数的主要因素。,切削厚度ac增加时，也略为下降，如10钢

6、的ac从0.1mm增大到0.18mm，从0.74降至0.72。,切削厚度：切削厚度增加，正应力随之增大，略为下降，变形系数下降,=s/av,工件材料：增加，值下降，变形系数越小,工存材料的强度、硬度提高，切削温度增高，摩擦系数下降，剪切角增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形。而切削塑性较高的材料，则变形较大。,前角对变形系数的影响,增大前角0，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切屑变形减小。,前角对摩擦系数的影响,增大前角0，摩擦系数增加。,切削速度：随着v增大，值先升后降,切削速度对变形系数的影响,以中碳钢为例。,vc 超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升

7、高，致使摩擦系数下降，故变形系数h减小。,vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数h减小,vc20m/min时，h值最小,vc在20 40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小，h增大。,此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。,进给量对变形系数的影响,第二节 切屑的类型,带状切屑外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。形成条件：用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量，切削塑性材料优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。缺点：切屑连续不断，不

8、太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施。,挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。形成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小,粗加工中等硬度的钢材料 特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙,单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下,当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑。,崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑。当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀

9、尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。,切屑的控制,1)切屑的形状,2)卷屑和断屑,在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时,常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料,形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤，或称刀瘤。,（一）什么是积屑瘤,当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。,（二）积屑瘤的形成原因,（三）积屑瘤对起削过程的影响,积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，

10、能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。使实际前角增大，切削轻快。,因此，粗加工时可利用积屑瘤。,积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。此外，还会导致切削力的变化，引起振动，并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。,在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。,采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc3m/min和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；适当增大刀具前角、减小切削变形；适当的热处理

11、来提高工件材料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向。,（四）抑制或消除积屑瘤的措施,第三节 切削力,切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力(cutting force)。,1.切削力的来源,切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。,通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc、进给力 Ff、背向力 Fp。,总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80%90%。Fc消耗的功率最多，约占总功率的90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不

12、可少的参数。,总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。,总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总功的1%5%。是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数,计算切削功率(cutting power)Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。主运动消耗的切削功率 PcFcc/6010-3（kW）机床电机功率 PE=Pcm（m0.750.85）。,单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用p表示：

13、N/mm2P=Fz/Ac=Fz/(f ap)式中，Fz主切削力（N）；Ac切削面积（mm2）；ap背吃刀量（mm）f进给量（mm）,用单位切削力计算主切削力,kC=Fc/AD=Fc/(apf)=FC/(bDhD)(3-12)式中 AD-切削面积（mm2）；ap-背吃刀量（mm）；f-进给量（mm/r）；hD-切削厚度（mm）；bD-切削宽度（mm）。已知单位切削 kc,求主切削力FcFc=kcapf=kchDbD,1.工件材料,影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦

14、系数越大，切削力也就越大。,2.切削用量,进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加。,图3-19 切削速度对切削力的影响,切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力Fc无明显的影响。在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。,前

15、角的影响:o 切削变形切削力。（塑性材料）,3.刀具几何参数,负倒棱的影响,主偏角对切削力的影响,FyFxycosr；FxFxysinr 当主偏角r加大时，Fy减小，Fx加大。,刃倾角对切削力的影响,后刀面磨损对切削力的影响,刀具材料对切削力的影响,刀具材料对切削力影响很小，但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因而是对切削力也有一定的影响对于加工同一种材料，切削用量相同的情况下，刀具材料对切削力的影响一般按立方碳化硼（CBN）刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，切削力依次增大。,切削液对切削力的影响,以冷却为主的水溶液对切削力影响很小，而润滑性能强的切削油能

16、较明显地降低切削力，因其可降低摩擦和塑性变形。其他因素 刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。,1研究金属切削变形过程有什么意义?2研究金属切削变形过程有哪些实验方法？3怎样划分金属切削变形区?4在第一变形区里发生了怎样的变形?5怎样衡量金属切削变形程度？6切屑有哪些种类?各种类切屑有什么特征?各种类切屑在什么情况下形成?7试描述积屑溜现象及成因。8积屑瘤对切削过程有哪些影响?9试述影响切削变形的因素及其影响。,10切屑形状有哪些种类?11为什么要研究切削力?说明切削力在切削原理和实际应用中的作用。12分析切削力的来源。13切削合力为什么要分解为三个分力?说明各分力的作用与应用价值。14何谓单位切削力?有何用途?15如何计算切削功率？16切削力有哪些影响因素?分别说明它们的影响规律。,作 业,本讲结束,谢谢!,