机械制造技术基础电子教案(张世昌)-3ppt课件

1、MMT切屑的形成过程切削力及其影响因素切削热与切削温度积屑瘤、残余应力和加工硬化刀具磨损与刀具寿命切削用量的选择高速加工技术MMTMMT没有副刃参加切削，且s = 0图3-1 直角、斜角自由切削与不自由切削a直角切削直角切削b斜角切削斜角切削c不自由切削不自由切削MMT FABOM45a正挤压正挤压FABOM45b偏挤压偏挤压OMFc切削切削图3-2 金属挤压与切削比较MMT图3-3 切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角剪切角MMT图3-4 切削变形实验设备与录像装置MMT 图3-5 切削部位三个变形区此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。MMT形成条件影

2、响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表3-1 切屑类型及形成条件

3、MMT带状切屑Real挤裂切屑Real单元切屑Real崩碎切屑Real图3-6 切屑形态照片MMTv 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。v 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果图3-7）图3-7 切屑的卷曲图3-8 断屑的产生v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形常需有断屑装置，图3-8） MMT切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。LchhDhchLD图3-9 切屑与切削层尺寸 （3-1） DchhhhchDLLL （3-2） MMTysOM0图3-10 相对滑移系数)cos(sincos00yS

4、（3-3） MMT 图图3-11 切屑与前刀面的摩擦切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。lfolfiMMTn切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDhDhACFE图3-12 已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。MMT GGC （3-4）式中 G 裂纹扩展单位长度时释放的能量应变能 释放率）； GC 裂纹扩展单位长度时所需的能量裂纹扩 展阻力）。K1K1C （3-

5、5）式中 K1 应力强度因 子； K1C K1临界值。对于型张开型裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：MMT a）b）c）d）e）图3-13 硬脆材料切削过程a大规模挤裂大块破碎切除）b空切c小规模挤裂小块破碎切除）d小规模挤裂次小块破碎切除）e重复大规模挤裂大块破碎切除）flashflashMMT MMT 图3-14 磨屑形成过程a平面示意图 b截面示意图MMTMMTrFcFFpFf pFfFf pFf pfv图3-15 切削力的分解F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力MMTFFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK

6、（3-6）式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。MMT1FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAafaf（3-7）式中 Fc 主切削力N）； v 主运动速度m/s）。 （3-8）310()ccPFvKWMMT式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 （3-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（3-

7、9）指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率MMT强度高加工硬化倾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 vm/min） 981784588主切削力FcN）图3-16 切削速度对切削力的影响MMT图3-17 前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff图3-18 主偏角r对切削力的影响主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200MMTMMTMMT切削热由切屑、工件、刀具和周围介质切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具图3-19 切削热的来源与传出cccvFPq（3-11）式

8、中，QD , QFF , QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量MMTTJ University750刀具图3-20 二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削条件：干切削， 预热611CMMTq 切削用量的影响 式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。 经验公式ZyxcpC vfa （3-12）刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.480.10铣

9、削80钻削150硬质合金车削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2 切削温度的系数及指数MMTq 刀具几何参数的影响 q 工件材料的影响 vcm/min）图3-21 切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q 刀具磨损的影响 q 冷却液的影响 MMT工件

10、和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。mV图3-22 人工热电偶工件刀具金属丝小孔MMT磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体 磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。MMTMMT滞留粘接长大切屑刀具图3-23 积屑瘤积屑瘤RealRealMMT未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。MMTMMT已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工表面严重变形层内金属晶格拉长

11、、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化00100%HHNH（3-13）式中 H 硬化层显微硬度HV）； H0 基体层显微硬度HV）。指硬化层深入基体的距离hdm）MMT距表面深度HVH0hiH0图3-24 加工硬化与表面深度的关系MMTMMT形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量形式：后角=0的磨损面参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料, v 较小, hD 较小；加工脆性材料影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量VBVBmaxa) KTKBb)图3-25 刀具磨损形态MMT破损裂纹、崩刃、破碎等），卷刃刀刃塑性变形）图3-26 刀具磨损

12、过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具磨损过程3个阶段图3-26）常取后刀面最大允许磨损量VB磨钝标准MMT粘结磨损加剧MMT111TpmnpCTvfa（3-14）式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数 。52.250.75TpCTvfa（3-15）可见v 的影响最显著；f 次之；ap 影响最小 。用硬质合金刀具切削碳钢b= 0.763GP a时，有：MMT图3-27 不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度Tmin）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200

13、100806050切削速度vm/min）MMT式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；T 为刀具寿命。令f，ap为常数，有：10001000mwwwwmppLdLdtTvfaA fa 使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：mv TA将上式代入式4-14），对T求导，并令其为0，可得到最大生产率刀具寿命为：momactttttT（3-16）（3-17）1opcmTtm又：MMT0mmmamcmttCtCtCtCCT（3-18）式中 C0 工序成本； Cm 机时费； Ct 刀具费用； tm ，ta ，tc ，T 含义同前。使工序成本最小的刀具

14、寿命。仍以车削为例，工序成本为：（3-19）1topcmCmTtmC仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为图3-28）tmCm刀具费用taCmC0刀具耐用度Top本钱 图3-28 经济寿命MMT规定刀具切削时间，离线检测切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍 MMT钻头破损 检测器图3-29 声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号flashMMTMMT1. 确定切削深度确定切

15、削深度 ap尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分 2 次走刀，第一次走刀的切削深度取单边余量的 2/33/4 。2. 确定进给量确定进给量 f3. 确定切削速度确定切削速度 v根据规定的刀具耐用度确定切削速度 v （计算或查表）4. 校验机床功率校验机床功率(仅对粗加工仅对粗加工) 310cF vP 310cPvF （3-20）式中 P 机床电机功率KW）； 机床传动效率； Fc 主切削力N）。由：，可导出：MMT求设计变量：X = x1, x2, , xn T ，使目标函数 f (X)min ，并满足约束条件：g i (X)0 （i = 1, 2, , m）（3-21）1111000mom

16、acwwmPTpmnptttttTDLtvfaCTvfa 1以最大生产率为优化目标使工序时间为最短MMT（3-22）1111000mommamcmtwwmPTpmnptCtCtCtCCTDLtvfaCTvfa （3-23）1111000mctmPTpmnpMRRHCtCCTMRRvfaCTvfa2以最小生产成本为优化目标使工序成本为最小3以最大利润为优化目标使单位成本金属去除率最大MMTminmaxminmaxfffvvv（3-24）1机床结构参数限制2加工表面粗糙度限制0.0321afRr（3-25）式中 Ra 表面粗糙度m）； r 刀尖圆弧半径mm）。3机床功率的限制FFccccxyFpF

17、CafKvP（3-26）式中各符号含义同前。MMT即函数求极值的方法。不能考虑约束条件，只适于处理简单问题。21(,)()max(),0nPPiiP XMfXMgX（3-27）可利用设置惩罚函数，将约束优化问题转化为无约束优化问题处理。惩罚函数的表达式：式中 Ra 惩罚函数； r 原目标函数； Mp 惩罚因子一个很大的数）； 21max(),0npiiMgX 惩罚项；0()0max(),0()()0iiiigXgXgXgXMMTfv0图3-30 田川法寻优过程示意图fminfmaxvminvmaxPPmax约束边界Pop可行域等值线PcopMMTMMTq 高速加工定义MMT图3-31 Salo

18、mon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区0 600 1200 1800 2400 3000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金8501600 1200800400切削温度/切削适应区非铁金属MMT图3-32 高速与超高速切削速度范围 10 100 1000 10000切削速度Vm/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金q 高速加工的切削速度范围MMTq 高速加工的特点RealRealMMTq 高速加工的应用MMTMMT刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6

19、Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 I

20、T7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料 表3-3 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比MMT图3-36 金刚石左与CBN右原子结构碳原子氮原子硼原子MMTq 天然金刚石MMTq 聚晶金刚石MMT表3-4 聚晶金刚石应用实例加工对象 硬度 加工方式 工艺参数 加工效果铝合金 端铣 v=4000m/mim Ra0.8-0.4m共晶硅 HRC71 车削 v=600m/mim

21、一次刃磨切削行程800km铝合金 f = 0.1mm/r Ra0.8m，刀具寿命为 硬质合金的50倍共晶硅 HRC71 铣削 v=2900m/mim 刀具寿命为硬质合金的80倍 vf=0.018mm/齿 Ra0.8m玻璃纤维 HRA87 车削 v=500m/mim 刀具寿命为硬质合金的强化塑料 150倍，Ra0.8-0.4m热塑性醋 铣削 v = 4500m/s 比硬质合金寿命提高380倍酸盐 vf=10mm/min Ra=0.8m高Si-Al 铣削 v=2200m/mim Ra=0.8m铸造件 铝合金 钻削 v=360m/mim 以钻代镗， Ra=0.8mMMTq 聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) q 1970年问世500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 温度/BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37 PCBN刀具高温硬度MMTMMT800750700650600 30 40 50 60 70 硬度HRC（V=320m/mim