《机械设计制造基础》 课件 《机械设计制造基础》 课件 第3章 金属

第十四讲第三章金属切削过程及控制3.1切削过程及切屑类型3.2切削力3.3切削热、切削温度、切削液3.4刀具磨损及刀具耐用度3.5切削用量的合理选择3.6磨削加工与砂轮第十四讲3.1切削过程及切屑类型3.1.1.切屑形成过程及切削变形区的划分塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。图3-1所示的金属切削过程中，大致划分为三个变形区。图3-1第三章金属切削过程及控制第十四讲3.1.2.积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1．积屑瘤的形成及其影响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硬块称为积屑瘤。如图3-2所示。图3-2第三章金属切削过程及控制第十四讲第三章金属切削过程及控制2．积屑瘤对切削过程的影响（1）使刀具前角变大（2）使切削厚度变化（3）使加工表面粗糙度增大（4）对刀具寿命的影响3．防止积屑瘤产生的措施（1）正确选择切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。（2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。（3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。（4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。第十四讲3.1.3.切屑的类型及控制第三章金属切削过程及控制1．切屑的类型及其分类图3-3切屑类型a)带状切屑b)挤裂切屑c)单元切屑d)崩碎切屑第十四讲第三章金属切削过程及控制2、切屑的控制根据ISO标准规定，并由我国生产工程学会切削专业委员会推荐的切削分类方法如上图，评判较理想的屑形，应符合：不影响操作者安全、不损伤加工表面、不影响机床正常工作、切屑易于清理等。研究发现，切屑的形状与它的流向和卷曲有关。I)切屑的流向直角非自由切削斜角切削时II)切削的卷曲一、切削的折断断屑原理：运用力学弯曲变形梁产生的拉应变计算，可得切屑折断条件为：断屑后的屑形：（1）采用断屑槽常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆弧形和全圆弧形。断屑槽位于前刀面上的形式有平行、外斜、内斜三种。外斜式常形成C形屑和6字形屑，能在较宽的切削用量范围内实现断屑。（2）改变刀具角度增大刀具主偏角，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。刃倾角可以控制切屑的流向，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；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）调整切削用量第十四讲3.2.切削力3.2.1.切削力的来源、切削合力及分解第三章金属切削过程及控制1．切削力的来源（1）切削层金属、切屑和工件表面金属的弹、塑性变形所产生的抗力；（2）刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。2．切削力合力及分解为便于测量、计算和实际应用，常将合力Fr分解成三个互相垂直的分力。Fz——主切削力或切向力。它与切削速度v的方向一致。是确定机床的电机功率，计算车刀强度等所必需的。生产中所说的切削力一般都是指主切削力.第十四讲Fy——切深抗力。它是加工表面法线方向上的分力，对加工精度和已加工表面质量影响较大。Fx——进给力或轴向力。该力是检验进给机构强度，计算车刀进给功率所必需的数据。图3-4切削合力与分力第三章金属切削过程及控制第十四讲22zxyFF222zyxFFFcosyxyrFFsinxxyrFF第三章金属切削过程及控制3．切削力的几何合成Fr=+随着刀具材料、刀具几何角度、切削用量及工件材料等加工情况的不同，这三个分力之间的比例可在较大范围内变化，其中Fy约为（0.15～0.7）Fz，Fx约为（0.1～0.6）Fz。第十四讲3.2.2.切削功率1000xwFnf第三章金属切削过程及控制定义：消耗在切削过程中的功率称为切削功率。用Pm表示。作用：计算切削功率主要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。切削加工中：主运动消耗的切削功率为Fzvc×10-3（KW）；进给运动消耗的功率为×10-3（KW）；Fy分力方向没有位移，不消耗功率，因此总切削功率为Fz和Fx所消耗功率之和，机床电机功率PE应满足：PE≥Pm/ηm第十四讲3.2.3.影响切削力的因素第三章金属切削过程及控制1．切削用量的影响（1）背吃刀量和进给量的影响。背吃刀量和进给量ｆ对切削力的影响程度不同。（2）切削速度的影响2．工件材料的影响材料强度、硬度越高，材料塑性、韧性越高，切削力会增大。3．刀具几何参数的影响⑴前角的影响刀具几何参数中，前角对切削力的影响最大。前角加大，切削力减小。加工脆性材料，前角的变化对切削力影响不显著。⑵主偏角的影响随着主偏角的变化，影响切削分力Fx、Fy变化从而改变它们之间的比值。第十四讲（3）刃倾角的影响刃倾角对切削力Fy、FX的影响很大。FY随着刃倾角减小而增大；FX随着刃倾角减小而减小。刃倾角对Fz的影响不大。4．刀具磨损的影响刀具后刀面磨损带中间部分的平均宽度以VB表示。磨损面上后角为0度时，VB愈大，摩擦愈强烈，因此切削力也愈大。VB对背向力Fp的影响最为显著。5．切削液的影响切削液具有润滑作用，使切削力降低。切削液的润滑作用越好，切削力的降低愈显著。在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为突出。第三章金属切削过程及控制第十四讲3.3切削热、切削温度、切削液3.3.1.切削热的产生和传导第三章金属切削过程及控制1.切削热的产生。切削时共有三个发热区域，与三个变形区相对应。2.切削热的传出。切削区域的热量由切屑、工件、刀具及周围的介质传散出去。3.3.2.切削温度及其影响因素1.切削温度：一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。2.影响切削温度的主要因素(1)切削用量的影响切削速度对切削温度的影响最大，进给量的影响次之，切削深度的影响最小。第十四讲第三章金属切削过程及控制(2)工件材料对切削温度的影响(3)刀具几何参数的影响前角增大时，变形和摩擦减少，产生的热量少，切削温度低；适当减小的主偏角，既能使切削温度降低较大幅度，又能提高刀具强度，对提高刀具耐用度起到一定的作用，但是工艺系统应有足够的刚性。(4)刀具磨损对切削温度的影响(5)切削液对切削温度的影响第十四讲3.3.3.切削液的作用及其选择第三章金属切削过程及控制1．切削液的作用(1)切削液的冷却作用；(2)切削液的润滑作用；(3)切削液的清洗作用；(4)切削液的防锈作用。2.切削液的类型及选用(1)常用切削液种类a)水溶性切削液有良好的冷却作用和清洗作用。主要包括水溶液和乳化液、离子型切削液等。广泛应用于普通磨削和粗加工中。乳化液是由95%~98%的水加入适量的乳化油（矿物油、乳化剂及其他添加剂配制而成）形成的乳白色或半透明切削液。乳化液中加入一定量的油性添加剂、防锈添加剂和极压添加剂，可配成防锈乳化液或极压乳化液，低浓度乳化液主要起冷却作用，适用于磨削、粗加工；高浓度乳化液主要起润滑作用，适用于精加工及复杂工序。第十四讲第三章金属切削过程及控制b)非水溶性切削液主要包括切削油、极压切削油及其固体润滑剂等。切削油有各种矿物油、动植物油和加入矿物油与动植物油的混合油，主要起润滑作用。生产中常使用矿物油。极压切削油是在切削油中加入硫、氯、磷等极压添加剂而组成的，它在高温下不破坏润滑膜，具有较好的润滑、冷却效果，特别在精加工、关键工序和难加工材料切削时效果更佳。(2)切削液的选用•金属切削过程中，要根据加工性质、工件材料、刀具材料和加工方法等来合理选择切削液。•粗加工时以冷却为主，精加工时以润滑为主；使用硬质合金刀具一般不用切削液。第十四讲第三章金属切削过程及控制•钻孔、攻丝、拉削等加工属于半封闭、封闭状态的排屑方式，其摩擦严重，易用乳化液或极压切削油。成形刀具、齿轮刀具由于要求保持形状及尺寸精度，因此要采用润滑性能好的极压切削油或高浓度极压切削油。•磨削加工时一般常用乳化液和离子型切削液。•加工高强度钢、高温合金等难加工材料时，选用极压切削油或极压乳化液较好。第十四讲3.4刀具磨损和耐用度第三章金属切削过程及控制3.4.1刀具磨损形态及其原因1．刀具磨损形态刀具正常磨损时，按其发生的部位不同，可分为前刀面磨损、后刀面磨损及前、后刀面磨损三种形式.（1）前刀面磨损。切削塑性材料时，当切削速度较高，切削厚度较大时较容易产生前刀面的磨损。前刀面磨损量的大小，用月牙洼的宽度KB和深度KT来表示。（2）后刀面磨损。加工脆性材料时，由于形成崩碎切屑，一般出现后刀面的磨损；切削塑性材料时，当切削速度较低，切削厚度较薄时较容易产生后刀面的磨损。第十四讲前刀面磨损后刀面磨损第三章金属切削过程及控制第十四讲第三章金属切削过程及控制由于在大多数情况下，后刀面都有磨损，而且磨损量VB的大小对加工精度和表面质量的影响较大，测量也比较方便。故一般常以后刀面磨损带的平均宽度VB来衡量刀具的磨损程度。2．刀具磨损的原因（1）磨料磨损；（2）粘结磨损；（3）相变磨损；（4）扩散磨损；（5）化学磨损。从以上磨损的原因可以看出，对刀具磨损起主导作用的是切削温度，在低温时，以磨料磨损为主，在较高的温度下，以粘结、扩散和化学磨损为主。第十四讲3.4.2.刀具磨损过程及磨钝标准1．刀具磨损过程课件内容说明（正文24号字）第三章金属切削过程及控制第十四讲2．刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。通常按后刀面磨损宽度来制定磨钝标准。国际标准化组织（ISO）统一规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准。如右图所示。第三章金属切削过程及控制第十四讲12111TmmmpCTvfa第三章金属切削过程及控制3.4.3.刀具耐用度1．刀具耐用度的定义所谓刀具耐用度（又称刀具寿命）是指刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止实际用于切削的时间，以T表示，单位为分钟。一把新刀从开始投入切削到报废为止总的实际切削时间，称为刀具总寿命。因此刀具总寿命等于这把刀的刃磨次数（包括新刀开刃）乘以刀具耐用度。2．刀具耐用度的经验公式由于切削速度对切削温度影响最大，因而对刀具磨损影响最大，因此切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素。它们的关系是用实验方法求得的。第十四讲第三章金属切削过程及控制3.切削用量对刀具耐用度的影响程度切削速度v对刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，背吃刀量最小。在保证一定刀具耐用度的条件下，为提高生产率，应首先选取大的背吃刀量，然后选取较大的进给量，最后选择合理的切削速度。3.4.4.刀具耐用度的选择1．最大生产率耐用度Tp2．最低成本耐用度Tc比较Tp与Tc，可知Tp＜Tc，当刀具成本Ct越低，则Tc越接近Tp第十四讲第三章金属切削过程及控制一般常根据最低成本来确定刀具耐用度当任务紧迫或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才采用最大生产率耐用度。另外，简单的刀具如车刀、钻头等，耐用度选的低些；结构复杂和精度高的刀具，如拉刀、齿轮刀具等，耐用度选得高些；装卡、调整比较复杂的刀具，如多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及自动机及自动线上的刀具，耐用度应选的高一些，一般为通用机床上同类刀具的2~4倍；生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便能在换班时间内换刀。第十五讲3.5切削用量的合理选择3.5.1.制定切削用量时考虑的因素第三章金属切削过程及控制1.生产率机床的切削效率可以用单位时间内切除的材料体积Q(mm/mm)表示：Q=afv。可知，Q同切削用量三要素a、f、v均有着线性关系，它们对机床切削效率影响的权重是完全相同的。仅从提高生产效率看，切削用量三要素a、f、v中任一要素提高一倍，机床切削效率都能提高一倍。2.机床功率由公式Pm≈FzV／1000×60,可知切削功率Pm同切削速度V、切削力Fz有线性关系。但是a、f、v对切削力的影响却是不同的，同等条件下，背吃刀量a对切削力Fz的影响比进给量f的要大。因此，在一定范围的机床功率条件下，为了保证生产率，尽可能选取大的进