金属切削原理

金属切削原理及其应用一、切削变形二、切削力三、切削热与切削温度四、刀具磨损与耐用度变化1.1金属切削过程的基本规律一、切削变形变形Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区，剪切面间距0.02-0.2mm。1.切屑的形成图为金属切削过程中的滑移线1.1金属切削过程的基本规律.•（1）第一变形区从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。OA线和OM线之间的区域（图中Ⅰ区）称为第一变形区。•（2）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，使靠近前刀面处的金属纤维化，基本上和前刀面平行。这一区域（图中Ⅱ区）称为第二变形区。•（3）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，造成表层金属纤维化与加工硬化。这一区（图中Ⅲ区）称为第三变形区。1.切屑的形成衡量切屑变形程度的方法（1）相对滑移ε图为切屑形成过程)tan(cot'''royCBCBys1.切屑的形成衡量切屑变形程度的方法(2)切屑厚度压缩比Λh图为切屑形成过程rorochlDlhDhchhΛsincoscot1.切屑的形成碳素钢，合金钢，铜铝合金；黄铜，低速切削钢；铝；铸鉄，黄铜图为切屑类型2.积屑瘤图为积屑瘤与切削刃的金相显微照片2.积屑瘤积屑瘤高度及其实际工作前角2.积屑瘤（1）积屑瘤对切削过程的影响：1)积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。2)积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。3)积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。4)积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。2.积屑瘤（2）积屑瘤的成因：1）工件材料的塑性；2）切削速度；3）刀具前角；4）冷却润滑条件。二、切削力1.总切削力的分解和切削功率（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)1.总切削力的分解和切削功率（1）总切削力的分解rFFxyycosrFFxyxsinzxzyFFFF0.6)~(0.10)7.0~15.0(22222yxzxyzFFFFFF1.总切削力的分解和切削功率（2）切削功率4106cFzPzv单位：kwFz——切削力，单位：N；vc——切削速度，单位：m/min。1.总切削力的分解和切削功率（2）切削功率4106cFzPzv单位：kwPzEP——机床传动效率，一般，取=0.75～0.85。二、切削力2.切削力的经验公式切削力FzFzFzFzKyXCfaFzP2.切削力的经验公式切削力背向力进给力切削时消耗的功率FyFyFyFyKyXCfaFyP4106cFzPzvFxFxFxFxKyXCfaFxPFzFzFzFzKyXCfaFzP2.切削力的经验公式[计算举例]：用YT5硬质合金车刀外圆纵车σb=630MPa的热轧45钢，车刀几何参数为go=10°、r=75°、ls=–5°，切削用量为ap=2mm、f=0.3mm/r、vc=100m/min。试计算切削力Fz、Fy、Fx及切削功率Pz。2.切削力的经验公式[解]：查表2.1得：FzFzFzFzKyXCfaFzP二、切削力3.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。3.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。3.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↑二、切削力标准切削试验：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％。二、切削力由此可见，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。3.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3.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;3.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↓3.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/r3.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3.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↑3.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r对切削力的影响;3.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;三、切削热和切削温度1.切削热的来源与传出图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%三、切削热和切削温度1.切削热的来源与传出图为不同切削速度下的热量传出比例三、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为切削温度的分布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。kvazyXcfpC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）主偏角三、切削热和切削温度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4.切削温度的试验公式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四、刀具磨损与刀具耐用度刀具失效刀具磨损刀具破损四、刀具磨损与刀具耐用度1.刀具磨损的形式图为车刀典型磨损形式四、刀具磨损与刀具耐用度2.刀具磨损的原因(1)擦伤磨损（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）四、刀具磨损与刀具耐用度2.刀具磨损的原因(1)擦伤磨损(2)粘结磨损(3)扩散磨损(4)氧化磨损图为切削温度对磨损影响的示意图①擦伤磨损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3.刀具磨损过程及磨钝标准(1)刀具的磨损过程图为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3.刀具磨损过程及磨钝标准(2)刀具的磨钝标准刀具允许达到的最大的磨损量，称为“磨钝标准”。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3.刀具磨损过程及磨钝标准(2)刀具的磨钝标准图为车刀的径向磨损（2）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vvyxvfCpamTcvvkvxvyfTCvpavmc式中，Cv--与耐用度实验条件有关的系数；m、xv、yv—分别表示对T、ap和f影响程度的指数；Kv—切削条件与实验条件不同的修正系数。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。（1）ap、f、vc对切削生产率的影响材料切除率Q=1000vcapf（mm3/s）（2）ap、f、vc对表面粗糙度的影响表面粗糙度进给量f影响最大切削速度vc次之背吃刀量ap影响最小（3）ap、f、vc对刀具耐用度的影响刀具耐用度：vvyxvfCpamTcv五、切削用量的合理选择切削力背向力进给力切削时消耗的功率FyFyFyFyKyXCfaFyP4106cFzPzvFxFxFxFxKyXCfaFxPFzFzFzFzKyXCfaFzPkvazyXcfpCvkvxvyfTCvpavmc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进给量f;3)最后再按刀具寿命的要求确定一个合适的切削速度vc。五、切削用量的合理选择2.刀具寿命的确定1)刀具的经济寿命TC（min）：按工序加工成本最低的原则确定的刀具寿命。2)刀具的最高生产率寿命TP（min）：按工序加工时间最少的原则确定的刀具寿命。2.刀具寿命的确定计算刀具寿命的近似公式刀具寿命高速钢硬质合金陶瓷经济寿命最高生产率寿命MCtTtctC7MCtTtctC4MCtTtctCctPtT7ctPtT4ctPtT2.2金属切削过程基本规律的应用•刀具材料•刀具几何参数•切削用量•切削液一、工件材料的切削