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当前位置:首页 > 机械/制造/汽车 > 机械/模具设计 > 第2章金属切削过程的基本规律21-24
第二章金属切削的基本规律及其应用主要内容一、切削变形与切屑形成二、切削力三、切削热与切削温度四、刀具磨损与刀具寿命金属切削过程:是指通过切削运动,使刀具从工件上切下多余的金属层,形成切屑和已加工表面的过程。在这一过程中产生了一系列的现象,如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。本章主要研究诸现象的成因、作用和变化规律。掌握这些规律,对于合理使用与设计刀具、夹具和机床,保证切削加工质量,减少能量消耗,提高生产率和促进生产技术发展等方面起着重要的作用。金属切削过程2.1切削过程的基本规律2.1.1切削变形金属切削过程与金属受压缩(拉伸)过程比较:如下图(a)所示,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;如下图(b)所示,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。切削变形金属的压缩与切削(a)压缩(b)切削(c)三个变形区切屑形成过程(a)质点滑移过程flash(b)切屑形成模型切削变形与切屑形成一、切削变形区以塑性材料的切屑形成为例,金属切削区可大致划分为:三个变形区:第一变形区第二变形区第三变形区刀具第一变形区第三变形区第二变形区(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宽度为0.02~.2mm,速度越高,宽度越小,可看作一个剪切平面或称滑移面(剪切滑移区)(二)第二变形区(三)第三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)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。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(挤压摩擦回弹区)从变形观点出发,可将切屑归纳为四种形态:带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑切塑性材料:带状切屑节状切屑粒状切屑切削平稳,力波动小滑移量较大,局部切削不平稳,力波动大加工面光洁,断屑难剪应力达断裂强度加工表面粗糙少见↑γ0↑v↓ap↓γ0↓v↑ap↓γ0↓v↑ap↑γ0↑v↓ap切脆性材料:不平稳,表面粗糙应↑γ0↑v↓ac二、切屑类型(1)剪切角•在相同切削条件下,剪切角越大,剪切面积越小,切屑厚度越小,变形越小。•剪切角可采用快速落刀实验获得切屑根部照片再测量得到。o三、变形程度的表示方法(2)变形系数(克赛)•切削厚度与切削层厚度之比•由实验和生产可知,切屑厚度ach大于切削层厚度ac,切屑长度lch小于切削层长度lc。•变形系数l切削层长度与切屑长度之比l=lc/lcha=ach/ac•忽略切屑宽度的变化,有a=l=变形系数能直观反映切屑的变形程度,且容易求得,生产中常用。sin-cossin90sin00OMOMhhDch(3)剪应变•按剪应变即相对滑移关系有•等于滑移距离Δs与单元厚度Δy之比•=s/y,而s=NP,y=MK故•=NP/MK=(NK+KP)/MK=cot+tan(-0))cos(sincosoo变形系数、剪切角和剪应变的关系sin)cos(occhaa以上是按纯剪切观点提出的,而切削过程是复杂的,既有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。如=1时,ach=ac,似乎切屑没有变形,但事实上切屑有相对滑移存在。oocos1sin22四、前刀面上摩擦特点滞流层:接近前刀面的切屑底层晶粒拉长,形成与前刀面平行的纤维层,流速很慢,变形程度非常剧烈。刀-屑接触区可分两部分:粘接区lf1:剪切滑移,内摩擦滑动区lf2:滑动摩擦,外摩擦一般内摩擦力约占总摩擦力的85%在速度不高切削塑性金属形成带状切屑的情况下,滞流层金属粘接在前刀面上,形成硬度很高的鼻形楔形硬块,称为积屑瘤。积屑瘤对切削过程的影响:1.代替刀具切削,保护刀具2.增大前角,减小变形和力3.产生过切及犁沟,↓精度4.增大已加工表面粗糙度积屑瘤对精加工是不利的,应避免它产生:降低工材塑性;合理选切削速度;增大前角;减小进给量;采用润滑液等五、积屑瘤六、已加工表面变形与加工硬化刀刃钝圆半径rn后刀面磨损带VB弹性恢复区CD变形特征:挤压、摩擦与回弹金属进入第一变形区时,晶粒因压缩而变长,因剪切滑移而倾斜。金属层接近刀刃时,晶粒更为伸长,成为包围在刀刃周围的纤维层,最后在O点断裂。已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长,纤维方向平行于已加工表面,金属晶粒被破坏,发生了剧烈的塑性变形,产生加工硬化,表面残余应力,称之为加工变质层。七、影响切削变形的主要因素1工件材料变形系数材料强度σζ•通过试验,可以发现工件材料强度和切屑变形有密切的关系。•从图可以看出,随着工件材料强度的增大,切屑的变形越来越小。2刀具几何参数•刀具前角γO增大时,沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出,金属切屑的变形也会变小。•通过对高速钢刀具所作的切削试验也证明了这一点。在同样的切削速度下,刀具前角γO愈大,材料变形系数愈小。3切削速度随切削速度变化的材料变形系数曲线并不是一直递减,而是在某一段有一个波峰,这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段,一个是积屑瘤这一段,另一个是无积屑瘤段◆积屑瘤段•切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤和切削温度对切屑变形的影响来实现的。•在积屑瘤增长阶段,积屑瘤随着切削速度的增大而增大,积屑瘤越大,实际刀具前角也越大,切屑的变形相对减少,所以在此阶段,切削速度增加时,材料变形系数ξ也减少。•随着速度的增加,积屑瘤增大到一定程度又会消退,在消退阶段,积屑瘤随着切削速度的增加而减小,同时,实际刀具前角也减小,材料的变形将增大,在积屑瘤完全消退时,材料变形将最大。材料变形系数是随着切削速度的增加而减小。主要是因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢,速度低时,金属始剪切面为OA,当速度增大到一定值时,金属流动速度大于塑性变形速度,在OA面金属并未充分变形,相当于始剪切面后移至OA`面终剪切面OM也后移至OM`,第一变形区后移,使得材料变形系数减小。另外,速度越大,摩擦系数减小,材料变形系数也会减小。◆无积屑瘤段进给量(即切削厚度)对切屑变形的影响:◆在无积屑瘤段,进给量f越大,材料的变形系数ξ越小4切削厚度切削力切削力的来源:被切削材料的弹性、塑性变形抗力刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力将切削合力F分解为三个互相垂直的分力Fc、Ff、FpFc—主切削力,与切削速度方向一致Ff—进给力,与进给方向平行,车外圆时称为轴向力Fp—背向力(切深抗力),与进给方向垂直,又称径向力2p2f2cFFFF1、切削力的分解切屑的弹塑性变形抗力工件的弹塑性变形抗力后刀面与工件的摩擦力前刀面与切屑的摩擦力切削力2、切削力与切削功率的计算(一)用指数经验公式计算切削力(二)用单位切削力计算切削力单位切削力p=Fc/AD=Fc/(apf)可查手册∴Fc=pADKFcKFc为切削条件修正系数式中KFc、KFf、KFp为切削条件修正系数,xFc、yFc、zFc等为指数,均可在切削用量手册中查到。CCFCFCFCFnCyxPFCKvfaCF=PPFPFPFPFnCyxPFPKvfaCF=ffFfFfFfFnCyxPFfKvfaCF=(三)计算切削功率1.切削功率Pm(各切削分力功率的总和)Pm=Pc+Pf=(Fcv+Ffnwf×10-3)×10-3≈Fcv(W)式中Fc、Ff为切削力、进给力(N);v为切削速度(m/s);nw为工件转速(r/s);f为进给量(mm/r)2.电动机功率PEPEPm/ηmηm为机床传动效率(四)切削力的测量1.间接测量法(电功率法)(1)测量机床切削消耗的电功率PE(2)计算切削功率Pc=PEηc(3)间接计算切削力Fc=Pc/vc2.直接测量法(测力仪法)机械式液压式电测式电阻应变式(常用)电磁式电感式电容式压电式原理三、影响切削力的因素•工件材料•切削用量•刀具几何参数•刀具磨损•切削条件•刀具材料(一)工件材料的影响●工件材料的强度、硬度越高,剪切屈服强度τs越大,Fc越大●强度↑、摩擦系数μ↓,摩擦角β↓,剪切角Φ↑,变形系数↓,Fc又有所减少综合上述两种影响可见:Fc仍然增大,不是成正比增大(二)切削用量的影响背吃刀量ap↑→AD成正比↑,单位切削力p不变,ap的指数约等于1,因而切削力成正比增加f↑→Ac成正比↑,但p略减小,f的指数小于1,因而,f↑→正反两方面:f增加1倍,hD也增加1倍,FC也增加一倍;但f增加,↓,FC↓。综合两方面:切削力增加但与f不成正比速度v对F的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况在无积屑瘤阶段,v↑→变形程度↓→切削力减小ap2apfac’acap2fac’2acf1.在积屑瘤增长阶段,随v↑→积屑瘤高度↑变形程度↓,F↓2.在积屑瘤减小阶段,v↑→变形程度↑,F↑3.在无积屑瘤阶段,随v↑,温度升高,摩擦系数↓变形程度↓→F↓(三)刀具几何参数1.前角γ0的影响加工塑性材料时,γ0↑→剪切角Φ↑→变形程度↓→F↓加工脆性材料时,切削变形很小,γ0对F影响不显著γ0>30°或高速切削时,γ0对F影响不显著2.主偏角κr的影响(1)κr对Fc影响较小,影响程度不超过10%κr在60°~75°之间时,Fc最小。(2)κr对径向力Fp、轴向力Ff影响较大Fp=FncosκrFf=FnsinκrFp随κr增大而减小,Ff随κr增大而增大3.刃倾角λs的影响(1)λs对Fc影响很小(2)λs对Fp、Ff影响较大Fp随λs增大而减小,Ff随λs增大而增大4.负倒棱bγ1的影响bγ1与f之比增大,切削力随之增大。当切钢bγ1/f≥5或切铸铁bγ1/f≥3时,切屑从前面流出时,刀-屑接触长度Lff。但:bγ1f时,正前角γ0仍起作用;bγ1f时,正前角γ0不起作用,而是负倒棱。切削力趋于稳定,接近于负前角的状态。5.刀尖圆弧半径rε的影响(1)rε对Fc影响很小(2)Fp随rε增大而增大Ff随rε增大而减小rε增大相当于κr减小的影响(六)刀具材料按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序,切削力依次增大。(五)切削液切削液润滑作用越好,力减小越显著,低速时更突出。刀具磨损后刀面平均磨损带宽度VB越大,摩擦越强烈,切削力也越大。VB对背向力Fp影响最显著切削热与切削温度主要内容•切削热的产生•切削热的影响因素•切削热的测量•切削热的经验公式一、切削热的产生和传散刀具变形功变形功和摩擦功变形功和摩擦功切削热产生于三个变形区,切削过程中消耗的能量约98%转换为热能,切削热q≈Pm≈Fcvc=CFcapf0.75vc-0.15KFcvc=CFcapf0.75vc0.85KFc切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质向外传出Q切削热Qt刀具Qw工件Qc切屑Qm介质CCFCFCFCFnCyxPFKvfaC+=1q≈Pm≈Fcvc二、切削温度测定原理及分布自然热电偶法人工热电偶法温度分布规律:1.剪切区等温线与滑移线相近OM线温度比OA线上温度高剪切滑移相等的地方温度相等,剪切变形是切削热的第一来源2.前后刀面最高温度点不在刀刃上切屑上最高温度比剪切区温度高切屑底层温度比上层温度高摩擦是切削热的又一来源切削温度θ一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度3.切屑带走的热量最多三、影响切削温度的主要因素两个方面:切削热的产生与传出1、切削用量由实验得出切削温度经验公式如下θ=Cθvzθfyθapxθ式中系数可查表:zθ在0.26~0.41之间,yθ在0.15,xθ在0.05切削用量↑时切削温度↑,其中v对θ影响最大,进给量f的影响比v小,背吃刀量ap的影响很小。2、刀具几何参数1.前角γ0的影响γ0↑→变形程度↓→Fc↓→θ↓但γ0>20°时,因散热面积↓,对θ的影响减小2.主偏角
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