切削原理与刀具3

1、12切切 削削 用用 量量 要要 素素切切 削削 层层 横横 截截 面面 要要 素素切切 削削 要要 素素进给量进给量切削速度切削速度切削深度切削深度切削厚度切削厚度切削宽度切削宽度切削层横切削层横截面积截面积3自由自由切削切削与非与非自由自由切削切削直角直角切削切削和斜和斜角切角切削削切削方式切削方式自由切削：只有一条直线切削刃参与自由切削：只有一条直线切削刃参与切削切削非自由切削：曲线切削刃或主、副切非自由切削：曲线切削刃或主、副切削刃同时参与切削削刃同时参与切削直角切削：切削速度方向与主切削刃直角切削：切削速度方向与主切削刃相垂直的切削相垂直的切削斜角切削：切削速度方向与主切削刃斜角切削

2、：切削速度方向与主切削刃相垂直的切削相垂直的切削4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5 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6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7切削变形过程示意图切削变形过程示意图工工 件件刀 具8图3-4 切削变形实验设备与录像装置9 金属切削过程大致划分出三个变区金属切削过程大致划分出三个变区 第第 一一 变变 形形 区区 刀具第一变形区金属的滑移1011

3、第二变形区的摩擦特性第二变形区的摩擦特性 塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。这是由于受前面的挤压和摩擦进一步加剧变形，在靠近前面处形成第二变形区即摩擦区摩擦区。 摩擦区的特征摩擦区的特征：使切屑底层靠近前面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上（实质上就是滞留层）；切屑弯曲，有摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高等。 滞留层的特点滞留层的特点：滞留层的变形程度要比上层剧烈，约几倍到几十倍，厚度一般约占切屑厚度的1/81/9。12 第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。图3-5 切削部位三个变形区第变形区：已加工面受到后刀面

4、挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。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。13形成条件影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

5、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14带状切屑Real挤裂切屑Real节状切屑Real崩碎切屑Real图3-6 切屑形态照片15国国际际标标准准化化组组织织的的切切屑屑分分类类法法 16国国际际标标准准化化组组织织的的切切屑屑分分类类法法 17带状屑：带状屑： 高速切削塑性金属，高速切削塑性金属，一般应力求避免一般应力求避免C C形屑形屑 ： 切削一般碳钢和合金切削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，槽的车刀

6、时易得，较好较好长紧卷屑：长紧卷屑： 普通车床上较好普通车床上较好发条状卷屑：发条状卷屑： 重型机床上较好重型机床上较好宝塔状卷屑：宝塔状卷屑： 自动机或自动线上较自动机或自动线上较好好螺卷屑螺卷屑 ： 崩碎屑崩碎屑 ： 18v 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） 19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

7、层尺寸厚度变形系数 （3-1） Dchhhh长度变形系数chDLLL （3-2） 201，工件材料强度和硬度越大，变形系数越小工件材料强度和硬度越大，刀屑接触长度减小，引起刀屑名义接触面积的减小。2，刀具前角越大，变形系数越小。3，切削速度越大， 变形系数越小。2122ysOM0图3-10 相对滑移系数)cos(sincos00yS （3-3） 23粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。 图3-11 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

8、外摩擦，也有内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfi24n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。25 在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在刀具前面处粘着一块剖面常呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定状态时，能够代替刀刃进

9、行切削。26积屑瘤或刀瘤的大小和形状27 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化 增大前角，保护刀刃 影响加工精度和表面粗糙度滞留粘接长大切屑刀具图3-23 积屑瘤积屑瘤RealReal28切削塑性金属时，在一定的速度区间内，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊（粘接）并层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，它能够代替刀面和切削刃进行切削，这一小硬块称为积屑瘤。一般容易产生积屑瘤的切削速度区间：1/65/6 m/s29 主要决定于切削温度。在切削温度很低时,切屑与前刀面间呈点接触,摩擦系数较小,故不易形成粘结；在温度很高时,接触面间切屑底层金属呈微熔状态

10、,起润滑作用，摩擦系数也较小，积屑瘤同样不易形成。在中温区，例如切削中碳钢的温度在300380时，切屑底层材料软化，粘结严重，摩擦系数最大，产生的积屑瘤高度达到很大值。此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。 合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生。 以切削中碳钢为例，从图示的曲线可知，低速（vc3m/min左右）切削时，产生的切削温度很低；较高速（vc60m/min）切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均小，故不易形成积屑瘤。30 在中速（vc20m/min），积屑瘤的高度达到最大值。所以许多中速加工工

11、序，如攻丝、拉孔、钻孔、铰孔等经常由于积屑瘤作用而影响加工表面粗糙度。如同其它精加工工序，为了提高加工表面质量，应尽量不采用中速加工，否则应配合其它改善措施。 在切削硬度和强度高的材料时，由于剪切屈服强度S高，不易切除切屑，即使采用较低的切削速度，也易达到产生积屑瘤的中温区域，为了抑制积屑瘤，通常选用中等以上切削速度加工。同时，切削塑性高的材料，需选用高的切削速度才能消除积屑瘤。 31 影响加工精度和表面粗糙度 保护刀刃 增大前角积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，代替切削刃和前刀面进行切削。积屑瘤具有300左右的前角。包围着切削刃，降低了切屑的变形。 增大切削厚度32第三变形区第三变

12、形区 第三变形区与加工表面的形成关系更为密切。第三变形区与加工表面的形成关系更为密切。 在第三变形区里，后刀面施加法向力在第三变形区里，后刀面施加法向力F FNN和摩接力和摩接力F F于工件。法向力于工件。法向力F FNN使工件产生径向的塑性变形和弹性使工件产生径向的塑性变形和弹性变形。摩擦力变形。摩擦力F F使加工表面产生切向的塑性变形和弹性使加工表面产生切向的塑性变形和弹性变形。变形。 残余应力残余应力：由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用：由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残存的应力。由于外力为零，的情况下，在零件内部所残存的应力。由于外力为零，所以零件内各部

13、分的残余应力，必须彼此保持平衡。所以零件内各部分的残余应力，必须彼此保持平衡。 工件表层加工硬化的成因工件表层加工硬化的成因: :是表层金属在形成已加工表是表层金属在形成已加工表面的过程中经受强烈的塑性变形。面的过程中经受强烈的塑性变形。 33 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）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：34 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13）a）b）c）d）e）图3-13 硬脆材料切削

14、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）flashflash 在机械制造业中，磨削是最常用的加工方在机械制造业中，磨削是最常用的加工方法之一。法之一。 磨削可加工外圆、内孔、平面、螺纹、齿磨削可加工外圆、内孔、平面、螺纹、齿轮、花键、导轨和成形面等各种表面。其加工轮、花键、导轨和成形面等各种表面。其加工精度可达精度可达IT5IT5IT6IT6级，表面粗糙度一般可达级，表面粗糙度一般可达Ra0.08mRa0.08m。磨削尤其适合于加工难以切削的超。磨削尤其适合于加工难以切削的超硬材料硬材料( (如淬

15、火钢如淬火钢) )。磨削的用途非常广泛。磨削的用途非常广泛。36 磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为60 85） 磨粒及切削刃随机分布 磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）37 砂轮砂轮 砂轮是磨削加工中最常用的工具。它是由结合剂将磨砂轮是磨削加工中最常用的工具。它是由结合剂将磨料颗粒黏结而成的多孔体料颗粒黏结而成的多孔体. .38 (1)(1)磨料磨料: :即砂轮中的硬质颗粒。即砂轮中的硬质颗粒。 (2)(2)粒度粒度: :表示磨料颗粒的尺寸大小。表示磨料颗粒的尺寸大小。 (3)(3)结合剂结合剂: :是将磨粒黏合在一起，使砂轮具有必是将磨粒黏合在一起，使

16、砂轮具有必要的形状和强度。要的形状和强度。 (4)(4)硬度硬度: :指磨粒在磨削力的作用下，从砂轮表面指磨粒在磨削力的作用下，从砂轮表面脱落的难易程度。脱落的难易程度。 (5)(5)组织组织: :指磨粒在砂轮中占有体积的百分数指磨粒在砂轮中占有体积的百分数( (即即磨粒率磨粒率) )。 39404142J 生产中常用的外圆、内圆和平面磨削，一般生产中常用的外圆、内圆和平面磨削，一般具有四个运动：具有四个运动： 1 1主运动主运动 2 2进给运动进给运动 (1)(1)圆周圆周( (直线直线) )进给运动进给运动 (2)(2)径向进给运动径向进给运动 (3)(3)轴向进给运动轴向进给运动43 常

17、用形状有平形(P)、碗形(BW)、碟形(D)等，砂轮的端面上一般都有标志。从管理和选用方便的角度出发，砂轮参数的表示顺序是形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、线速度。如如： PSA 400 100 127 V(A) 60 L 5 B 25 依次为：形状形状 外径外径 厚度厚度 孔径孔径 磨料磨料 粒度粒度 硬度硬度 组织组织 结合剂结合剂 最高工作线速度最高工作线速度(m(ms)s)44 弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出

18、 具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有 图3-14 磨屑形成过程a）平面示意图 b）截面示意图4546 1磨削力的特殊性 2磨削温度的特殊性 磨削热对加工过程的影响主要表现在如下几个方面： (1)工件表面烧伤 (2)工件表面产生残余应力，甚至开裂 (3)工件热变形，薄片零件变形更大 3磨削过程的特殊性47*工件的磨削质量是指尺寸精度、形状误差和表面质量，其保证措施如下：1 1尺寸精度和形状误差的保证措施 为获得高精度的磨削尺寸，必须采用循环磨削(称为无火花磨削法)将磨削分为三个阶段。(1)初磨阶段 实际磨削深度小于磨床刻度盘显示值，这是由于工艺系统弹性变形造成的。(2)稳定阶段 实际磨削深度等于

19、磨床刻度盘显示值。此时，工艺系统变形减小，趋于稳定。(3)清磨阶段 完全不进给再磨一段时间。48(1)尽可能选大直径砂轮，提高磨削速度。(2)重新平衡，重新修整砂轮。(3)调整头架主轴和工件装夹，提高磨削工艺系统的刚性。(4)调整主轴电动机转子，再次达到动平衡。(5)增大磨削液的浇注量，合理安装喷嘴位置。(6)正确选择砂轮，粒度再粗些，硬度再软些，保证砂轮无堵塞，切削刃锋利。(7)适当减小进给量，或分粗、精磨削。 表面质量的保证措施49 1砂轮磨损 (1)磨粒变钝，磨削力增大，磨削温度升高，但表面粗糙度值变小。 (2)磨粒溃落。 (3)表面堵塞。 2砂轮修整 常用单晶金刚石修整器修整砂轮。修整

20、时，应根据具体的磨削条件，选择不同的修整用量，以满足相应的磨削要求。 50 一、高速磨削一、高速磨削 磨削速度磨削速度cc50m50ms s的磨削称为的磨削称为高速磨削高速磨削。据有关资料介绍，我国高速磨床的磨削速度可据有关资料介绍，我国高速磨床的磨削速度可达达8080120m120ms s，发达国家的磨削速度可达，发达国家的磨削速度可达200m200ms s以上。以上。u高速磨削对磨床的要求主要有如下几个方面：高速磨削对磨床的要求主要有如下几个方面： (1)(1)砂轮电动机功率要比一般电动机功率大一倍砂轮电动机功率要比一般电动机功率大一倍左右；左右； (2)(2)砂轮径向和轴向跳动要小，轴承负荷能力要砂轮径向和轴向跳动