《机械制造技术》切削过程及其控制

切削过程及其控制切削过程是刀具和工件材料相互作用，刀具从工件表面上切去多余材料得到预期零件表面的过程。第一节金属切削刀具基础第二节金属切削过程中的变形第三节切屑的类型及控制第四节切削力第五节切削热和切削温度第六节刀具磨损和刀具寿命第七节刀具几何参数和切削用量的合理选择第八节磨削原理一、金属切削加工的基本概念二、刀具角度三、刀具材料第一节金属切削刀具基础一、金属切削加工的基本概念（一）切削运动与切削中的工件表面1、主运动和进给运动2、合成运动3、切削中的工件表面（二）切削用量1、切削速度2、进给量3、背吃刀量（三）切削层的参数1、切削层公称厚度2、切削层公称宽度3、切削层公称横截面积用刀具切除工件，刀具和工件间必须有一定的相对运动，该运动由主运动和进给运动组成；使刀具和工件产生相对运动以进行切削的运动，称为主运动，主运动的速度称为切削速度，用Vc表示；使切削能持续进行，以形成所需工件表面的运动，称为进给运动，进给运动的速度称为进给速度，用Vf表示。主运动和进给运动合成后的运动，称为合成切削运动；外圆车削时，合成切削运动速度Ve的大小和方向由下式确定：Ve=Vc+Vf。在切削过程中，工件有三个变化着的表面：待加工表面，工件上即将被切除的表面；已加工表面，切去多余材料后形成的新的工作表面；过渡表面，加工时切削刃正在形成的表面，它处于已加工表面和待加工表面之间。切削用量三要素是：切削速度Vc；进给量f；背吃刀量Ap。切削刃相对于工件的主运动速度为切削速度，计算时应选取刀刃上速度最高的点进行计算：其中：d：完成主运动的工件（或刀具）的最大直径（mm）n：工件（或刀具）的转速)min(1000msmdnvc或_)min(rsr或工件或刀具每转一周（或每往复一次）时，两者在进给运动方向上的相对位移量为进给量，计算公式是：：进给速度：每齿进给量，单位是mm/z：刀齿数：进给量，单位是mm/r。fvzfznfnvffzfz刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值称为背吃刀量；外圆车削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离：：工件上待加工表面直径（mm）：工件上已加工表面直径（mm）)(2mmddamwpdwdm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；切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。切削层公称厚度是指垂直于过渡表面度量的切削层尺寸：：切削层公称厚度：主偏角：反映了切削刃单位长度上的切削负荷hDkhrDfsinhDkrhD切削层宽度是指沿过渡表面度量的切削层尺寸；：反映了切削刃参加切削的工作长度•kabrpDsinbDbD切削层公称截面面积是指切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积，对于车削：aBHApddDfAD切削刀具的种类繁多，结构各异，但是各种刀具具有共同的特征，外圆车刀是最基本、最典型的刀具，其切削部分与其他刀具刀齿的切削部分基本相同，下面以车刀为例。(一)刀具切削部分的构造二、刀具角度刀具上承担切削工作的部分称为切削部分，它由六个基本结构要素组成：（3刀面2刃线1尖点）前刀面，切屑沿其流出的刀具表面；主后刀面，与工件上过渡表面相对的刀具表面；副后刀面，与工件上已加工表面相对的刀具表面；主切削刃，前刀面与主后刀面的交线，承担主要切削工作；副切削刃，前刀面与副后刀面的交线，协同主切削刃完成切削工作，最终形成已加工表面；刀尖，连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，是一段小圆弧或一段直线。二、刀具角度(二)刀具的标注角度1、刀具标注角度的参考系2、刀具的标注角度前角后角（副后角）主偏角副偏角刃倾角车刀的标注角度图3、刀具的工作角度进给运动对工作角度的影响刀具安装位置对工作角度的影响刀具要实现从工件上切除材料，就必须有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，必须引入一个由三个参考平面组成的空间坐标系。组成刀具标注角度参考系的参考平面：基面Pr，通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面；切削平面Ps，通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面；正交平面Po，通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。前角：在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角；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。0后角：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角；后角一般为正值。副后角'：在副正交平面内测量副后刀面与切削平面的夹角；副正交平面为垂直于副切削刃在基面上投影的平面。00主偏角：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。kr副偏角：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。kr'刃倾角：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。外圆车刀的上述六个标注角度是独立的，它们的大小会之间影响切削过程。sr'roo'osPo-PoPoPoP´oP´oP´o-P´oPsPs向vfor刀具角度标注图横向进给运动对工作角度的影响：纵向进给运动对工作角度的影响：ooeooeooeooe刀具安装高低对工作角度的影响；刀杆中心线与进给方向不垂直对主偏角和副偏角的影响：ArreArrekkkk''三、刀具材料（一）刀具材料的性能要求（二）常用刀具材料1、高速钢2、硬质合金（三）其他刀具材料1、陶瓷2、立方氮化硼3、人造金刚石较高的硬度和耐磨性；足够的强度和韧性；较高的耐热性；良好的导热性和耐热冲击性能；良好的工艺性。2456418'VCMWVCWror高速钢是加入较多的钨（W）、钼（MO）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢；高速钢具有较高的硬度（62～67HRC）和耐热性；在高温(500～600°C)下仍能切削；强度高、韧性好（常用材料中最好），可在有冲击、振动的场合应用；高速钢制造工艺性好，适合制造各类刀具，尤其是形状复杂的刀具，如钻头、拉刀、齿轮刀具等，优于其它材料；高速钢按性能分为普通高速钢和高性能高速钢；普通高速钢的典型牌号有：W18综合性能好，M2抗弯性和韧性高，可承受较大冲击；高性能高速钢的典型牌号有：M42综合性能好，501性能相当，成本较低；加入钴、铝等合金元素后使耐热性好，高温硬度较高。124568492'AVCMWVCCMWrooro硬质合金是用高硬度、难熔的金属化合物和金属粘结剂在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品；硬质合金的常温硬度达89～93HRA，在高温800～1000°Ｃ还能进行切削，刀具寿命比高速钢高几倍至几十倍；硬质合金的强度和韧性差，常温下冲击韧性是高速钢1/8～1/30，承受切削振动和冲击的能力较差；常用于制造车刀和面铣刀，以及尺寸较小的复杂刀具；可采用整体制造，但其成本高，是高速钢的8～10倍。ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类；Ｐ类（YT类）硬质合金由W，TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金；主要加工钢料；常用牌号有YT5，YT15等；K类（YG类）硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金；主要加工铸铁、有色金属及合金；常用牌号YG6，YG8等；M类（YW类）硬质合金是在WC，TiC，Co的基础上再加入TaC而成，有通用硬质合金之称，可加工铸铁、有色金属、钢料，高温合金和不锈钢；常用牌号YW1，YW2等。OAl32用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类：氧化铝（）基陶瓷，硬度高达91～95HRA，耐磨性和耐热性好，但抗弯性和韧性差；氮化硅（）基陶瓷，具有较高的抗弯性和韧性。NSi43立方氮化硼（CBN）是一种新型刀具材料；立方氮化硼是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成，硬度到达8000HV，仅次于金刚石；立方氮化硼的化学稳定性好，高温下不与铁产生化学反应；耐高温1300～1500°Ｃ，热稳定性好。金刚石可分为：天然金刚石和人造金刚石，由于价格昂贵，工业上多用人造金刚石；人造金刚石是借助某些合金的触媒作用，在高温高压条件下由石墨转化而成，硬度高达6000～10000HV，是目前已知的最硬物质，可用于加工硬质合金、陶瓷、铝合金等高硬度、高耐磨材料；金刚石刀具不适于加工铁族元素，它和铁族元素的亲和力大，刀具寿命低。第二节金属切削过程中的变形一、切屑的形成过程二、切削变形程度三、前刀面上的摩擦四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响五、影响切屑变形的因素一、切屑的形成过程1、变形区的划分（三个变形区）切削变形的力学本质，类似于工件材料受挤压而产生剪切滑移的塑性变形；剪切角2、切屑的受力分析在直角自由切削下，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；这两对力的合力相互平衡；Fn和Ff的合力是F，称为切屑形成力。实验表明：剪切角与切削力F有直接关系，剪切角大，剪切面积变小，切削省力；剪切角小，剪切面积变大，切削费力。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，切削过程中，切削层金属的变形大致分为三个区域；第一变形区：OA到OM线，产生塑性变形——剪切滑移（近切削刃处切削层内形成的变形区）；第二变形区：与前刀面接触的切削层内的变形区——挤压摩擦，金属纤维化（切屑流出时，与前刀面接触的切屑底层受摩擦作用后产生的变形区）；第三变形区：近切削刃处，已加工表面层内的变形区——挤压摩擦，金属纤维化与加工硬化（在已加工表面上与后刀面挤压摩擦形成的变形区）。从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。剪切面与切削速度方向的夹角。挤压剪切应力剪切滑移塑性变形分离切屑。二、切削变形程度切削变形程度的三种表示方法：1、变形系数2、相对滑移3、剪切角)tan(cot0MKKPNKMKNPyS4o即：分析上式可知：前角增大时，剪切角随之增大，变形减小；摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。o4o三、前刀面上的摩擦刀屑界面上正应力和切应力的分布粘结接触区上各点的摩擦系数粘结接触区平均摩擦系数粘结区：属内摩擦。其内摩擦力与接触面积成正比，而与法向力无关；滑动区：遵循库仑定律，第二变形区通常以内摩擦为主。)(1s粘结接触区上各点的摩擦系数：式中：距切削刃X点处的正应力。)(avsAsADDsnfdxxdxxOAbbFF00111)()(＝平均粘结接触区平均摩擦系数：式中：分别为粘结接触区的摩擦力和正压力；：切削层公称宽度；：粘结接触区平均正压力。avＦｎ　11,FfbD四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1、积屑瘤的形成2、积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤的防止和控制措施刀屑面在法向力和切向力的作用下，由于接触峰点发生了强烈的塑性变形，破坏了峰点表面的氧化膜和吸附膜，使峰点发生了金属对金属的直接接触，同时由于峰点上发生了强烈的塑性变形，接触峰点的温度升高，从而使正在接触的峰点金属发生了焊接。高温只限于这些正在接触的峰点，就整个摩擦物体温度并不高，因此，峰点的焊接称之为冷焊。冷焊在前刀面的金属称为积屑瘤；在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块，它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2~3倍，这块粘附在前刀面上的金属即为积屑瘤；位置：第二变形区；原因：摩擦＋塑性变形、堆积、硬化；形成条件：切削塑性材料、中等速度、形成带状切屑。积屑瘤对切削过程的影响：使刀具实际前角变大，使切削力减小（有利）；使切削厚度变化（先增大后减小），使切削力产