切削过程的基本规律-成都电子机械高等专科学校

2.2切削过程的基本规律2.2.1切削力1.切削力分析及切削功率（1）切削力的产生①、切削力的概念：刀具在切削过程中克服加工阻力所需的力。②、切削力的产生A、克服被加工材料对弹性变形的抗力B、克服被加工材料对塑性变形的抗力C、克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工表面间的摩擦力。切削力的产生（2）切削合力及分力Fr＝FD＝合力Fr＝Ff——进给力FP——背向力Fc——切削力FD为总合力在切削层尺寸平面上的投影22DcFF22fpFF222fpcFFF切削合力及分解（3）切削功率概念：切削过程中所消耗的功率称为切削功率Pc。背向力FP在力的方向无位移，不做功，因此切削功率为进给力Ff与切削力Fc所做的功。根据功率公式切削功率：Pc＝（Fcυc＋Ffnf/1000）×10-3KW式中，Fc切削力（N），υc切削速度（m/min），Ff进给力（N），n工件转速（r/s），f进给量（㎜）由于Ff消耗功率一般小于1％～2％，可以忽略不计，因此功率公式可简化为：Pc＝Fcυc×10-3KW２.切削力的计算：（1）指数公式指数公式应用较广，它的形式如下：上式中，C、C、C为被加工金属的切削条件系数，K、K、K为当加工条件与经验公式条件不同时的修正系数。cFpFfFcFpFfF（2）单位切削力公式①概念：单位切削力指单位切削面积上的切削力。公式：Kc==（N/㎜2）式中，Fc切削力（N），AD切削面积（㎜2），ap背吃刀量(㎜)，f进给量（㎜/r）。Kc可以查表。DcAFfaFpc３.影响切削力的因素（1）工件材料（2）切削用量①、背吃刀量ap与进给量f影响②、切削速度（3）刀具几何参数①、刀具前角②、刀具主偏角κr和刀尖圆弧半径③、刀具刃倾角λs（4）刀具材料与切削液（1）工件材料一般材料的强度愈高，硬度越大，加工硬化性越强，塑性变形越大，加工此材料所需的切削力也越大。有多种因素影响时，综合考虑。如奥氏体不锈钢，虽然强度、硬度低，但加工硬化能力大，因此切削力也较大。铜、铝塑性变形大，但加工硬化小，切削力较低。（2）切削用量背吃刀量ap与进给量f影响因为切削面积AD＝apf，所以背吃刀量ap与进给量f的增大都将增大切削面积。切削面积的增大将使变形力和摩擦力增大，切削力也将增大，但两者对切削力影响不同。由于进给量f的增大会减小切削层的变形，所以背吃刀量ap对切削力的影响比进给量f大。在生产中，如机床消耗功率相等，为提高生产效率，一般采用提高进给量而不是背吃刀量的措施。积屑瘤产生阶段，由于刀具实际前角增大，切削力减小。在积屑瘤消失阶段，切削力逐渐增大，积屑瘤消失时，切削力Fc达到最大，以后又开始减小。（与对变形系数的影响一样，都有马鞍形变化。）2502753003254080120160200切削速度(m/min)切削力Fc(9.8N)υc切削速度对切削力的影响（3）刀具几何参数前角γO：对切削力影响最大。切削力随着前角的增大而减小。这是因为前角的增大，切削变形与摩擦力减小，切削力相应减小。刀具主偏角κr：①对切削力Fc的影响不大，κr＝60o～75o时，Fc最小，因此，主偏角κr＝75o的车刀在生产中应用较多。②背向力Fp随主偏角κr的增大而减小。③进给力Ff随主偏角κr的增大而增大。刀尖圆弧半径增大，切削变形增大，切削力也增大。相当于κr减小对切削力影响。（4）刀具材料与切削液刀具材料影响到它与被加工材料摩擦力的变化，因此影响切削力的变化。同样的切削条件，陶瓷刀切削力最小，硬质合金次之，高速钢刀具切削力最大。切削液的正确应用，可以降低摩擦力，减小切削力。１.切削热的产生与传导切削热产生的原因:①、在金属切削过程中，切削层发生弹性与塑性变形②、切屑、工件与刀具的摩擦也产生了大量的热量。切削热产生的区域：①、剪切面，②、切屑与刀具前刀面的接触区，③、刀具后刀面与工件过渡表面接触区。2.2.2切削热与切削温度金属切削层的塑性变形产生的热量最大，即主要在剪切面区产生。切削热量的近似计算公式：Q＝Fcυc（J/s）实际上是切削力所做的功。其中：切削力Fc（N），切削主运动速度υc（m/s）。切削产生的热量在各种介质中传送的比例切削产生的热量主要由切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）传出，如不考虑切削液，则各种介质的比例参考如下：（1）车削加工切屑，50％～86％；刀具，10％～40％；工件，3％～9％；空气，1％。切削速度越高，切削厚度越大，切屑传出的热量越多。（2）钻削加工切屑，28％；刀具，14.5％；工件，52.5％；空气5％。切削温度的分布（1）切削最高温度并不在刀刃，而是离刀刃有一定距离。对于45钢，约在离刀刃1㎜处前刀面的温度最高。（2）后刀面温度的分布与前刀面类似，最高温度也在切削刃附近，不过比前刀面的温度低。（3）终剪切面后，沿切屑流出的垂直方向温度变化较大，越靠近刀面，温度越高，这说明切屑在刀面附近被摩擦升温，而且切屑在前刀面的摩擦热集中在切屑底层。（1）切削用量经验公式：高速钢刀具(加工材料45钢)：θ＝140～170afv硬质合金刀具(加工材料45钢)：θ＝320afv切削用量三要素υc、ap、f中，切削速度υc对温度的影响最显著，因为指数最大，切削速度增加一倍，温度约增加32％；其次是进给量f，进给量增加一倍，温度约升高18％，背吃刀量ap影响最小，约7％。主要的原因是速度增加，使摩擦热增多；f增加，切削变形减小，切屑带走的热量也增多，所以热量增加不多；背吃刀量ap的增加，使切削宽度增加，显著增加热量的散热面积。1.008.0p3.02.045.035.005.0p15.041.026.0影响切削温度的因素（2）刀具的几何参数前角γo：前角γo增大，切削温度降低。因前角增大时，单位切削力下降，切削热减少。主偏角κr：主偏角κr减小，切削宽度bD增大，切削厚度减小，因此切削温度也下降。（3）工件材料P54材料的强度与硬度增大时，单位切削力增大，因此切削热增多，切削温度升高。导热系数影响材料的传热，因此导热系数大，产生的切削温度低。例如，低碳钢，强度与硬度较低，导热系数大，产生的切削温度低。不锈钢与45钢相比，导热系数小，因此切削温度比45钢高。（4）切削液切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度都有很大关系。切削液的导热性越好，温度越低，则切削温度也越低。从导热性能方面来看，水基切削液优于乳化液，乳化液优于油类切削液。2.2.3刀具磨损与耐用度1.刀具的磨损形式（1）前刀面磨损①、特点：在前刀面上离切削刃小段距离有一月牙洼，随着磨损的加剧，主要是月牙洼逐渐加深，洼宽变化并不是很大。磨损程度用洼深KT表示。（2）后刀面磨损①、特点：在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行的磨损带。②、C、B、N三个区C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损严重，最大值VC；B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损量VBmax；N区处于切削刃与待加工表面的相交处，磨损严重，磨损量以VN表示，此区域的磨损也叫边界磨损，加工铸件、锻件等外皮粗糙的工件时，N区区域容易磨损。（3）破损刀具破损比例较高，硬质合金刀具有50％～60％是破损。特别是用脆性大的刀具连续切削或加工高硬度材料时，破损较严重。它又分为以下几种形式：①、崩刃特点是在切削刃产生小的缺口，尺寸与进给量相当。硬质合金刀具连续切削时容易产生。②、剥落特点是前后刀面上平行于切削刃剥落一层碎片，常与切削刃一起剥落。陶瓷刀具端铣常发生剥落，另外硬质合金刀具连续切削也发生。③、裂纹特点是垂直或倾斜于切削刃有热裂纹。由于长时间连续切削，刀具疲劳而引起。④、塑性破损特点是刀刃发生塌陷。是由于切削时高温高压作用引起的。2.刀具的磨损原因：（1）硬质点磨损（2）粘结磨损（3）扩散磨损（4）氧化磨损（5）相变磨损（1）硬质点磨损因为工件材料中含有一些碳化物、氮化物、积屑瘤残留物等硬质点杂质，在金属加工过程中，会将刀具表面划伤，造成机械磨损。低速刀具磨损的主要原因是硬质点磨损。（2）粘结磨损加工过程中，切屑与刀具接触面在一定的温度与压力下，产生塑性变形而发生冷焊现象后，刀具表面粘结点被切屑带走而发生的磨损。一般，具有较大的抗剪和抗拉强度的刀具抗粘结磨损能力强，如高速钢刀具具有较强的抗粘结磨损能力。（3）扩散磨损由于切削时高温作用，刀具与工件材料中的合金元素相互扩散，而造成刀具磨损。硬质合金刀具和金刚石刀具切削钢件温度较高时，常发生扩散磨损。金刚石刀具不宜加工钢铁材料。一般在刀具表层涂覆TiC、TiN、Al2O3等，能有效提高抗扩散磨损能力。（4）氧化磨损硬质合金刀具切削温度达到700o～800o时，刀具中一些C、CO、TiC等被空气氧化，在刀具表层形成一层硬度较低的氧化膜，当氧化膜磨损掉后在刀具表面形成氧化磨损。（5）相变磨损在切削的高温下，刀具金相组织发生改变，引起硬度降低造成的磨损。总的来说，刀具磨损可能是其中的一种或几种。对一定的刀具和工件材料，起主导作用的是切削温度。在低温区，一般以硬质点磨损为主；在高温区以粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损等为主。积屑瘤对金属切削过程产生的影响问题？（1）实际刀具前角如何变化？（2）实际切削厚度如何变化？（3）加工后表面粗糙度如何变化？（4）切削刀具的耐用度如何变化？（1）实际刀具前角增大刀具前角γo指前刀面与基面之间的夹角，其概念将在后节详细论述。如图所示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个γb角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大,现为γo＋γb。刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。（2）实际切削厚度增大由图2-9可以看出，当切削瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加了一个△hD，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，这个厚度△hD的增加并不是固定的，因为切削瘤在不停变化，它是一个产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振动。（3）加工后表面粗糙度增大积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。（4）切削刀具的耐用度降低从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少了刀具磨损。积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。课堂问题避免积屑瘤的发生的措施？避免积屑瘤的发生的措施P45①、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。②、调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑对刀具前刀面的压力。③、调低切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面温度降低，避免粘结现象的发生。或采用较高的切削速度，增加切削温度，因为温度高到一定程度，积屑瘤也不会发生。⑤、更换切削液，采用润滑性能更好的切削液，减少切削摩擦。影响切削变形的因素问题？1．随着工件材料强度的增大，切屑的变形如何变化？2．当刀具前角γO增大时，金属切屑的变形趋势？刀尖圆弧半径越大，表面的切削变形是增大还是减小？3．随切削速度变化的材料变形系数曲线是一直递减的吗？为什么？4．在无积屑瘤段，进给量f越大，材料的变形系数ξ如何变化？1．工件材料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。变