第二章-金属切削过程及其物理现象

第二章金属切削过程物理现象本章主要内容：刀具的结构、材料切削过程的基本现象切削用量的选择第一节切削变形与切屑的形成金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过程，在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，产生许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀具磨损和加工硬化等。第一节切削变形与切屑的形成一.切削过程及切屑种类1.切屑形成过程：对塑性金属进行切削时，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。•当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形。在OA面上，应力达到材料的屈服强度，则发生塑性变形，产生滑移现象。第一节切削变形与切屑的形成•随着刀具的连续移动，原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力和变形也逐渐加大。在终滑移面OE上，应力和变形达到最大值。•越过OE面，切削层金属将脱离工件基体，沿着前刀面流出而形成切屑。第一节切削变形与切屑的形成三个变形区：(1)第一变形区I：从OA线到OE线内的区域，伴随沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化。(2)第二变形区II：切屑与前刀面磨擦的区域，切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，切屑弯曲，切削与刀具接触温度升高。(3)第三变形区III：工件已加工表面与后刀面接触的区域，存在纤维化与加工硬化，变形较密集。第一节切削变形与切屑的形成2.切屑的类型及切屑控制(图a∽c为切削塑性材料，图d为切削脆性材料)切削类型切削条件特征a)带状切屑切削厚度较小,切削速度较高,刀具前角较大内表面光滑,外表面毛茸b)挤裂切屑切削速度较低,切削厚度较大,刀具前角较小内表面有裂纹,外表面呈锯齿形c)单元切屑相比b)进一步减小刀具前角，减低切削速度整个单元被切离d)崩碎切屑加工硬脆材料时切削厚度较大时产生形状是不规则的,表面是凸凹不平的第一节切削变形与切屑的形成切屑控制：•“不可接受”的切屑：切削条件恶劣导致。影响主要有拉伤工件的已加工表面；划伤机床；造成刀具的早期破损；影响操作者的安全。•切屑控制：在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。第一节切削变形与切屑的形成•“可接受”的切屑标准：不妨碍正常的加工；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运。•切削控制的措施：在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。第一节切削变形与切屑的形成断屑槽的基本形式：L：切屑在前刀面上的接触长度R：卷屑槽半径第一节切削变形与切屑的形成3.积屑瘤现象在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。（积屑瘤的形成过程：）第一节切削变形与切屑的形成切屑瘤对切削过程的影响：1)实际前角增大2)增大切削厚度，可能引起振动3)是加工表面粗糙度增大4)对刀具寿命有影响第一节切削变形与切屑的形成积屑瘤产生原因分析：积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。第一节切削变形与切屑的形成通过分析积屑瘤产生原因可以得出防止积屑瘤的主要方法：1)降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；2)采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；3)采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；4)增大刀具前角，以减小切屑于前刀面接触区的压力；5)适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。第二节切削力和切削功率一、切削力的来源与分解（1）总切削力的分解1）切削力Fc(Fz)2）背向力Fp(Fy)3）进给力Ff(Fx)一、切削力的来源与分解（1）总切削力的分解rFFxyycosrFFxyxsinzxzyFFFF0.6)~(0.10)7.0~15.0(22222yxzxyzFFFFFF二、切削的经验公式2.切削力的经验公式切削力FzFzFzFzKyXCfaFzP二、切削的经验公式切削力背向力进给力FyFyFyFyKyXCfaFyPFxFxFxFxKyXCfaFxPFzFzFzFzKyXCfaFzP三、切削功率的计算（2）切削功率1000cFcPev单位：kwFc——切削力，单位：N；vc——切削速度，单位：m/s。三、切削功率的计算（2）切削功率1000cFcPcv单位：kwPeEP——机床传动效率，一般，取=0.75～0.85。四、影响切削力的因素总切削力的来源有两个方面：一是克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力；二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。四、影响切削力的因素1）工件材料的性能对切削力有显著的影响。工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。四、影响切削力的因素2）切削用量对切削力的影响。a）背吃刀量ap和进给量f对切削力的影响;背吃刀量ap进给量fAD↑↑↑↑变形抗力摩擦力切削力↑四、影响切削力的因素标准切削试验：刀具材料P10，工件材料45钢σb=650Mpa，车刀几何参数为go=10°、r=45°、ls=0°。FzFzK0.751.0CfaFPz即，ap增大一倍，Fz也增大一倍；而f增大一倍，Fz只能增大68%～80％。四、影响切削力的因素由此可见，从减小切削力和节省动力消耗的观点出发，在切除相同余量的条件下，增大f比增大ap更为有利。四、影响切削力的因素2）切削用量对切削力的影响。b）切削速度Vc对切削力的影响;切削塑性材料时四、影响切削力的因素3）刀具几何参数对切削力的影响。a）前角go对切削力的影响;↑刀刃锋利↑↓前角go变形抗力切削力↓四、影响切削力的因素3）刀具几何参数对切削力的影响。a）前角go对切削力的影响;前角对切削力的影响ap=4mmf=0.25mm/r四、影响切削力的因素3）刀具几何参数对切削力的影响。b）主偏角Kr对切削力的影响;rFFxyycosrFFxyxsin四、影响切削力的因素3）刀具几何参数对切削力的影响。c）刃倾角ls对切削力的影响;ls↑↓背前角gp↑侧前角gfFp↓Ff↑四、影响切削力的因素3）刀具几何参数对切削力的影响。d）刀尖圆弧半径re对切削力的影响;四、影响切削力的因素3）刀具几何参数对切削力的影响。e）使用切削液对切削力的影响;第三节切削热和切削温度1.切削热的产生与传散图2-25切削热的来源与传导加工方法切屑工件刀具车削50~80%10~40%5%铣削70%30%5%钻、镗削30%50%15%磨削4%80%12%第三节切削热和切削温度图2-26不同切削速度下的热量传出比例第三节切削热和切削温度2.切削温度的分布a）法平面内的切削温度分布b）刀具前面上的切削温度分布图2-27切削温度的分布3.影响切削温度的主要因素(1)切削用量在切削用量中，切削速度对切削温度的影响最大。随着切削速度的提高，材料切除率随之成正比例的增加。但随着切削速度的提高，切屑变形相应减小，所以，切削功和切削热虽然有所增高，但不可能成正比例的增高，因此，切削温度也不会成正比例的增高。cvFzQ3.影响切削温度的主要因素(1)切削用量高速钢刀具140~1700.08~10.2~0.30.35~0.45硬质合金钢刀具3200.050.150.26~0.41切削用量对切削温度的影响程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃刀量最小。zyXcfpvaCCyxz3.影响切削温度的主要因素因此，若要切除给定的余量，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。上述切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规程时，确定切削用量的原则。3.影响切削温度的主要因素(2)刀具几何参数1）前角2）主偏角3.影响切削温度的主要因素(3)工件材料工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削热相应增多，切削区的平均温度降低。例如，合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削45钢的切削温度。3.影响切削温度的主要因素(4)切削液3.影响切削温度的主要因素切削温度的实验公式是由标准切削实验得来的。实验条件如下：C620-1改装无级调速车床，工件与刀片材料切削对为YT15–45钢，切削速度vc=60m/min～200m/min，进给量f=0.4mm/r～0.6mm/r，背吃刀量asp=0.5mm～3.0mm。01.007.026.0273pafcv第四节刀具磨损和刀具寿命刀具失效刀具磨损刀具破损第四节刀具磨损和刀具寿命一.刀具磨损和破损图2-30车刀典型磨损形式第四节刀具磨损和刀具寿命二.刀具磨损的原因(1)磨料磨损（任何切削温度）(2)粘结磨损(3)扩散磨损（高速切削）(4)氧化磨损（高速切削）(5)相变磨损四、刀具磨损与刀具耐用度二.刀具磨损的原因(1)磨料磨损(2)粘结磨损(3)扩散磨损(4)氧化磨损图2-33切削温度对磨损影响的示意图①磨料磨损②粘结磨损③扩散磨损④氧化磨损四、刀具磨损与刀具耐用度三.刀具磨损过程及刀具磨损限度1.刀具的磨损过程图2-31硬质合金车刀的典型磨损曲线YD05-30CrMnSiA；go4º，ao8º，r45º，ls-4º；vc=150m/min，f=0.2mm.r，asp=0.5mm四、刀具磨损与刀具耐用度三.刀具磨损过程及刀具磨损限度2.刀具的磨损限度刀具允许达到的最大的磨损量，称为“磨损限度”。对于一般刀具，常以后面磨损带高度VB的允许极限值作为磨钝标准，定尺寸刀具和自动化生产中的精加工刀具，常以径向磨损量NB的允许值作为磨钝标准。四、刀具磨损与刀具耐用度三.刀具磨损过程及刀具磨损限度1.刀具的磨钝标准图2-31车刀的径向磨损1.刀具的磨钝标准1）精加工VB＝0.1mm～0.3mm；粗加工VB＝0.6mm～0.8mm。2）工艺系统刚性较差时，应规定较小的磨钝标准；3）粗车钢件，特别是粗车合金钢和高温合金时，磨钝标准要比粗车铸铁时取得小些。4）加工同一种工件材料时，硬质合金刀具的磨钝标准要比高速钢刀具取得小些。四、刀具磨损与刀具耐用度4.刀具耐用度(1)定义刃磨或换刃后的刀具，自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为刀具耐用度，符号用T，单位用min或s。四、刀具磨损与刀具耐用度4.刀具耐用度(2)刀具耐用度与切削用量的关系yzfCtpaTcxv式中，Ct--与耐用度实验条件有关的系数；x、y、z—分别为切削用量对刀具寿命影响程度的指数。四、刀具磨损与刀具耐用度4.刀具耐用度(2)刀具耐用度与切削用量的关系切削用量对刀具T的影响程度与切削用量对切削温度θ的影响程度是一致的，切削速度对刀具寿命的影响最大，其次是进给量，背吃刀量的影响很小。四、刀具磨损与刀具耐用度4.刀具耐用度(2)刀具耐用度与切削用量的关系制订工艺规程时，如果既要保证较长的刀具寿命，又要追求较高的切削效益，那么，确定切削用量就应该遵循下列原则：采用尽可能大的背吃刀量，采用能满足已加工表面粗糙度要求的尽可能大的进给量，再根据所确定的刀具寿命值，按切削用量与刀具寿命的关系公式计算切削速度。五、切削用量的合理选择什么是合理的切削用量？它是指在保证加工质量的前提下，充分利用刀具和机床的性能，能获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。五、切削用量的合理选择1.切削用量选择的原则在机床、刀具、工件的强度以及工艺系统刚性允许的条件下:1)首先选择尽可能大的背吃刀量ap;2)其次选择在加工条件和加工要求限制下允许的