《机械设计制造基础》 课件 《机械设计制造基础》 课件 第章 金属

第十四讲

第三章金属切削过程及控制3.1切削过程及切屑类型

3.2切削力

3.3切削热、切削温度、切削液

3.4刀具磨损及刀具耐用度

3.5切削用量的合理选择

3.6磨削加工与砂轮第十四讲3.1切削过程及切屑类型3.1.1.切屑形成过程及切削变形区的划分塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。图3-1所示的金属切削过程中，大致划分为三个变形区。图3-1

第三章金属切削过程及控制第十四讲3.1.2.积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1．积屑瘤的形成及其影响在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面处粘着一块剖面呈三角状的硬块，它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2~3倍，这块粘附在前刀面上的金属硬块称为积屑瘤。如图3-2所示。图3-2

第三章金属切削过程及控制第十四讲

第三章金属切削过程及控制2．积屑瘤对切削过程的影响（1）使刀具前角变大（2）使切削厚度变化（3）使加工表面粗糙度增大（4）对刀具寿命的影响3．防止积屑瘤产生的措施（1）正确选择切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。（2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。（3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。（4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。第十四讲3.1.3.切屑的类型及控制

第三章金属切削过程及控制1．切屑的类型及其分类

图3-3切屑类型

a)带状切屑b)挤裂切屑c)单元切屑d)崩碎切屑第十四讲

第三章金属切削过程及控制2、切屑的控制

根据ISO标准规定，并由我国生产工程学会切削专业委员会推荐的切削分类方法如上图，评判较理想的屑形，应符合：不影响操作者安全、不损伤加工表面、不影响机床正常工作、切屑易于清理等。研究发现，切屑的形状与它的流向和卷曲有关。

I)切屑的流向

直角非自由切削

斜角切削时II)切削的卷曲一、切削的折断断屑原理：运用力学弯弯曲变形梁梁产生的拉拉应变计算算，可得切切屑折断条条件为：断屑后的屑屑形：（1）采用断屑屑槽常用的断屑屑槽截面形形状有折线线形、直线线圆弧形和和全圆弧形形。断屑槽槽位于前刀刀面上的形形式有平行行、外斜、、内斜三种种。外斜式式常形成C形屑和6字形屑，能能在较宽的的切削用量量范围内实实现断屑。。（2）改变刀具具角度增大刀具主主偏角，切切削厚度变变大，有利利于断屑。。减小刀具具前角可使使切屑变形形加大，切切屑易于折折断。刃倾倾角可以控控制切屑的的流向，为为正值时，，切屑常卷卷曲后碰到到后刀面折折断形成C形屑或自然然流出形成成螺卷屑；；为负值时时，切屑常常卷曲后碰碰到已加工工表面折断断成C形屑或6字形屑。（3）调整切削削用量第十四讲3.2.切削力3.2.1.切削力的来来源、切削削合力及分分解第三章金属属切削过程程及控制1．切削力的的来源（1）切削层金金属、切屑屑和工件表表面金属的的弹、塑性性变形所产产生生的抗抗力；（2）刀具与切切屑、工件件表面间的的摩擦阻力力。2．切削力合合力及分解解为便于测量量、计算和和实际应用用，常将合合力Fr分解成三个互相垂直的的分力。Fz——主切削力或或切向力。。它与切削速速度v的方向一致致。是确定定机床的电电机功率，，计算车刀刀强度等所所必需的。。生产中所所说的切削削力一般都都是指主切切削力.第十四讲Fy——切深抗力。。它是加工表表面法线方方向上的分分力，对加加工精度和和已加工表表面质量影影响较大。。Fx——进给力或轴轴向力。该力是检验验进给机构构强度，计算车车刀进给功功率所必需的数数据。图3-4切削合力与与分力第三章金属属切削过程程及控制第十四讲第三章金属属切削过程程及控制3．切削力的的几何合成成Fr=+随着刀具材材料、刀具具几何角度度、切削用用量及工件件材料等加加工情况的不同同，这三个个分力之间间的比例可可在较大范范围内变化化，其中Fy约为（0.15～0.7）Fz，Fx约为（0.1～0.6）Fz。第十四讲3.2.2.切削功率第三章金属属切削过程程及控制定义：消耗在在切削过程中中的功率称为为切削功率。用Pm表示。作用：计算切切削功率主要要用于核算加加工成本和计计算能量消耗耗，并在设计计机床时根据据它来选择机机床主电动机机功率。切削加工中：：主运动消耗的的切削功率为为Fzvc×10-3（KW）；进给运动消耗耗的功率为×10-3（KW）；Fy分力方向没有有位移，不消消耗功率，因此总切削功功率为Fz和Fx所消耗功率之之和，机床电机功率率PE应满足：PE≥Pm/ηm第十四讲3.2.3.影响切削力的的因素第三章金属切切削过程及控控制1．切削用量的的影响（1）背吃刀量和和进给量的影影响。背吃刀刀量和进给量量ｆ对切削力力的的影响响程度不同。。（2）切削速度的的影响2．工件材料的的影响材料强度、硬硬度越高，材材料塑性、韧韧性越高，切切削力会增大大。3．刀具几何参参数的影响⑴前角的影影响刀具几何参数数中，前角对对切削力的影影响最大。前前角加大，切切削力减小。。加工脆性材材料，前角的的变化对切削削力影响不显显著。⑵主偏角的的影响随着主偏角的的变化，影响响切削分力Fx、Fy变化从而改变变它们之间的的比值。第十四讲（3）刃倾角的影响响刃倾角对切削削力Fy、FX的影响很大。。FY随着刃倾角减减小而增大；；FX随着刃倾角减减小而减小。。刃倾角对Fz的影响不大。。4．刀具磨损的的影响刀具后刀面磨磨损带中间部部分的平均宽宽度以VB表示。磨损面面上后角为0度时，VB愈大，摩擦愈愈强烈，因此此切削力也愈愈大。VB对背向力Fp的影响最为显显著。5．切削液的影影响切削液具有润润滑作用，使使切削力降低低。切削液的的润滑作用越越好，切削力力的降低愈显显著。在较低低的切削速度度下，切削液液的润滑作用用更为突出。。第三章金属切切削过程及控控制第十四讲3.3切削热、切削削温度、切削削液3.3.1.切削热的产生生和传导第三章金属属切削过程程及控制1.切削热的产生生。切削时共有三个发热区域域，与三个变变形区相对应应。2.切削热的传出出。切削区域的热热量由切屑、、工件、刀具具及周围的介介质传散出去去。3.3.2.切削温度及其其影响因素1.切削温度：一般指前刀面面与切屑接触触区域的平均均温度。2.影响切削温度度的主要因素素(1)切削用量的影影响切削速速度对对切削削温度度的影影响最最大，，进给给量的的影响响次之之，切切削深深度的的影响响最小小。第十四讲第三章章金属属切削削过程程及控控制(2)工件材材料(3)刀具几何参数的影响前角增大时，变形和摩擦减少，产生的热量少，切削温度低；适当减小的主偏角，既能使切削温度降低较大幅度，又能提高刀具强度，对提高刀具耐用度起到一定的作用，但是工艺系统应有足够的刚性。(4)刀具磨损对切削温度的影响(5)切削液对切削温度的影响第十四讲3.3.3.切削液液的作作用及及其选选择第三章章金属属切削削过程程及控控制1．切削液液的作作用(1)切削液液的冷冷却作作用；；(2)切削液液的润润滑作作用；；(3)切削液液的清清洗作作用；；(4)切削液液的防防锈作作用。。2.切削液液的类类型及及选用用(1)常用切切削液液种类类a)水溶性性切削削液有有良良好的的冷却却作用用和清清洗作作用。。主要包包括水水溶液液和乳化液液、离子型型切削削液等等。广广泛应应用于于普通通磨削削和粗粗加工工中。。乳化液液是由95%~98%的水加加入适适量的的乳化化油（（矿物物油、、乳化化剂及及其他他添加加剂配配制而而成））形成成的乳乳白色色或半半透明明切削削液。。乳化化液中中加入入一定定量的的油性性添加加剂、、防锈锈添加加剂和和极压压添加加剂，，可配配成防防锈乳乳化液液或极极压乳乳化液液，低低浓度度乳化化液主主要起起冷却却作用用，适适用于于磨削削、粗粗加工工；高高浓度度乳化化液主主要起起润滑滑作用用，适适用于于精加加工及及复杂杂工序序。第十四讲第三章章金属属切削削过程程及控控制b)非水溶溶性切切削液液主要包包括切切削油油、极极压切切削油油及其其固体体润滑滑剂等等。切切削油油有各各种矿矿物油油、动动植物物油和和加入入矿物物油与与动植植物油油的混混合油油，主主要起起润滑滑作用用。生生产中中常使使用矿矿物油油。极压切切削油油是在在切削削油中中加入入硫、、氯、、磷等等极压压添加加剂而而组成成的，，它在在高温温下不不破坏坏润滑滑膜，，具有有较好好的润润滑、、冷却却效果果，特特别在在精加加工、、关键键工序序和难难加工工材料料切削削时效效果更更佳。。(2)切削液液的选选用金属切切削过过程中中，要要根据据加工工性质质、工工件材材料、、刀具具材料料和加加工方方法等等来合合理选选择切切削液液。粗加工工时以以冷却却为主主，精精加工工时以以润滑滑为主主；使使用硬硬质合合金刀刀具一一般不不用切切削液液。第十四讲第三章章金属属切削削过程程及控控制钻孔、、攻丝丝、拉拉削等等加工工属于于半封封闭、、封闭闭状态态的排排屑方方式，，其摩摩擦严严重，，易用用乳化化液或或极压压切削削油。。成形形刀具具、齿齿轮刀刀具由由于要要求保保持形形状及及尺寸寸精度度，因因此要要采用用润滑滑性能能好的的极压压切削削油或或高浓浓度极极压切切削油油。磨削加加工时时一般般常用用乳化化液和和离子子型切切削液液。加工高高强度度钢、、高温温合金金等难难加工工材料料时，，选用用极压压切削削油或或极压压乳化化液较较好。。第十四讲3.4刀具磨磨损和和耐用用度第三章章金属属切削削过程程及控控制3.4.1刀具磨磨损形形态及及其原原因1．刀具具磨损损形态态刀具正正常磨磨损时时，按按其发发生的的部位位不同同，可可分为为前刀面面磨损损、后后刀（1）前刀面磨损。切削塑性材料时，当切削速度较高，切削厚度较大时较容易产生前刀面的磨损。前刀面磨损量的大小，用月牙洼的宽度KB和深度KT来表示。（2）后刀面磨损。加工脆性材料时，由于形成崩碎切屑，一般出现后刀面的磨损；切削塑性材料时，当切削速度较低，切削厚度较薄时较容易产生后刀面的磨损。第十四讲前刀面磨磨损后刀面磨磨损第三章第十四讲第三章金金属切削削过程及及控制由于在大大多数情情况下，，后刀面面都有磨磨损，而而且磨损损量VB的大小对对加工精精度和表表面质量量的影响响较大，，测量也也比较方方便。故故一般常以后刀刀面磨损损带的平平均宽度度VB来衡量刀刀具的磨磨损程度度。2．刀具磨磨损的原（1）磨料磨损；（2）粘结磨损；（3）相变磨损；（4）扩散磨损；（5）化学磨损。从以上磨损的原因可以看出，对刀具磨损起主导作用的是切削温度，在低温时，以磨料磨损为主，在较高的温度下，以粘结、扩散和化学磨损为主。第十四讲3.4.2.刀具磨损损过程及及磨钝标标准1．刀具磨磨损过程程课件内容容说明（（正文24号字）第三章金金属切削削过程及及控制第十四讲2．刀具的的磨钝标标准刀具磨损损到一定定限度就就不能继继续使用用，这个个磨损限限度称为第三章金金属切削削过程及及控制第十四讲第三章金金属切削削过程及及控制3.4.3.刀具耐用用度1．刀具耐耐用度的的定义所谓刀具具耐用度度（又称称刀具寿寿命）是指刃磨磨后的刀刀具自开开始切削削直到磨磨损量达达到磨钝钝标准为为止实际际用于切切削的时时间，以以T表示，单单位为分分钟。2．刀具耐用度的经验公式由于切削速度对切削温度影响最大，因而对刀具磨损影响最大，因此切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素。它们的关系是用实验方法求得的。第十四讲第三章金金属切削削过程及及控制3.切削用量量对刀具具耐用度度的影响响程度切削速度度v对刀具耐耐用度的的影响最最大，进进给量f次之，背背吃刀量量最小。。在保证一一定刀具具耐用度度的条件件下，为为提高生生产率，，应首先先选取大大的背吃吃刀量，，然后选选取较大大的进给给量，最最后选择择合理的的切削速速度。3.4.4.刀具耐用用度的选选择1．最大生生产率耐耐用度Tp2．最低成成本耐用用度Tc比较Tp与Tc，可知Tp＜Tc，当刀具成成本Ct越低，则则Tc越接近Tp第十四讲第三章金金属切削削过程及及控制一般常根据最最低成本来确确定刀具耐用用度当任务紧迫或或生产中出现现不平衡的薄薄弱环节时，，才采用最大大生产率耐用用度。另外，简单的刀具如如车刀、钻头头等，耐用度度选的低些；；结构复杂和和精度高的刀刀具，如拉刀刀、齿轮刀具具等，耐用度度选得高些；；装卡、调整比比较复杂的刀刀具，如多刀刀车床上的车车刀，组合机机床上的钻头头、丝锥、铣铣刀以及自动动机及自动线线上的刀具，，耐用度应选选的高一些，，一般为通用用机床上同类类刀具的2~4倍；生产线线上的的刀具具耐用用度应应规定定为一一个班班或两两个班班，以以便能能在换换班时时间内内换刀刀。第十五讲3.5切削用用量的的合理理选择择3.5.1.制定切切削用用量时时考虑虑的因因素第三1.生产率率机床的的切削削效率率可以以用单单位时时间内内切除除的材材料体体积Q(mm/mm)表示：：Q=afv。可知，，Q同切削削用量量三要要素a、f、v均有着着线性性关系系，它它们对对机床床切削削效率率影响响的权权重是是完全全相同同的。。仅从从提高高生产产效率率看，，切削削用量量三要要素a、f、v中任一要素素提高一倍倍，机床切切削效率都都能提高一一倍。2.机床功率第十五讲第三章金属属切削过程程及控制3.刀具寿命由刀具的寿寿命计算公公式，我们们知道a、f、v对刀刀具具的的寿寿命命影影响响是是依依次次增增强强的的，，所所以以在在刀刀具具寿寿命命一一定定的的前前提提下下，，兼兼顾顾生生产产率率的的要要求求，，应应该该尽尽可可能能的的选选取取大大的的背背吃吃刀刀量量a。4.表面粗糙度进给量f的大小直接影影响表面粗糙糙度，而背吃吃刀量的大小小对其没有直直接的影响。。结论：首先选取尽可可能大的背吃吃刀量a，其次选取尽尽可能大的进进给量f，最后按照刀刀具耐用度和和机床功率的的限制确定合合理的切削速速度v。第十五讲第三章金属切切削过程及控控制3.5.2.切削用量三要要素的选用1．背吃刀量ap的选用背吃刀量ap根据加工余量量确定。粗加工时，一一般是在保留留半精加工和和精加工余量量的前提下，，尽可能用一一次进给切除除全部加工余余量，以使走走刀次数最少少。半精加工时，，通常取ap=0.5～2mm。精加工时背吃吃刀量不宜过过小，通常取取ap=0.1～0.4mm。2．进给量f的选用粗加工时，进进给量f的选用主要受受切削力的限限制。在工艺艺系统刚性和和机床进给机机构强度允许许的情况下，，合理的进给给量应是它们们所能承受的的最大进给量量。半精加工和精精加工时，进进给量f的选用主要受受表面粗糙度度和加工精度度要求的限制制。因此，进进给量f一般选得较小小。第十五讲第三章金属切切削过程及控控制3．切削速度v的选用(1)用公式计算切切削速度v(2)用查表法确定定切削速度v(3)在确定切削速速度时，还应应考虑以下几几点：①精加工工时，应尽量量避开产生积积屑瘤的速度度区；②断续切切削时，应适适当降低切削削速度。③在易产产生振动的情情况下，机床床主轴转速应应选择能进行行稳定切削的的转速区进行行。④加加工工大件件、细细长件件、薄薄皮件件及带带铸、、锻外外皮的的工件件时，，应选选较低低的切切削速速度。。第十五讲3.6磨削加加工与与砂轮轮3.6.1.砂轮特特性第三章章金属属切削削过程程及控控制砂轮是由磨磨料加加结合合剂用用制造造陶瓷瓷的工工艺方方法制制成的的，它它由磨磨料、、结合合剂、、气孔孔三要要素组组成。。决定砂轮轮特性的的五个要要素分别别是：磨磨料、粒粒度、结结合剂、、硬度和和组织。。1．磨料氧化物系系:棕刚玉A；白刚玉玉WA。碳化物系系：黑碳碳化硅C；绿碳化化硅GC。高硬磨料料系：人人造金刚刚石D；立方氮氮化硼CBN。2．粒度粒度表示示磨料尺尺寸的大大小。当当颗粒尺尺寸较大大时，常常用粒度度号表示示其粒度度，即以以其能通通过的筛筛网上每每英寸长长度上的的孔数来来表示粒粒度。粒粒度号越越大，磨磨料越细细。当磨磨料直径径≤40μm时，粒度度以实际际尺寸表表示，称称为微粉粉。第十五讲第三章金金属切削削过程及及控制3．结合剂剂结合剂的的作用是是将磨料料粘和在在一起，，使砂轮轮具有一一定的强强度、气气孔、硬硬度、抗抗腐蚀和和抗潮湿湿等性能能。常用用的结合合剂有陶陶瓷结合合剂、树树脂结合合剂、橡橡胶结合合剂和金金属结合合剂。4．硬度砂轮的硬硬度反映映磨料与与结合剂剂的粘接接强度。。砂轮硬硬，磨料料不易脱脱落；砂砂轮软，，磨料容容易脱落落。一般般情况下下，工件件材料硬硬度较高高时应选选用较软软的砂轮轮；但若若工件材材料太软软，则材材料易使使砂轮堵堵塞，故故也要选选用软些些的砂轮轮；磨削削薄壁件件及导热热性差的的工件时时，选用用较软的的砂轮；；砂轮与与工件的的磨削接接触面大大时，砂砂轮硬度度应选软软些，使使磨料容容易脱落落，以防防止砂轮轮堵塞；；砂轮粒粒度号大大时，选选用较软软的砂轮轮，以防防止砂轮轮堵塞；；精磨与与成形磨磨时，应应选用硬硬些的砂砂轮，以以利于保保持砂轮轮的廓形形。5．组织砂轮组织织表示磨磨料、结结合剂、、气孔三三者之间间的比例例关系。。磨料第十五讲从左到右右依次为为：紧密密、中等等、疏松松第三章金金属切削削过程及及控制在砂轮总总体积中中所占比比例越大大，则气气孔越小小（少）），砂轮轮组织越越紧密；；反之亦亦然。砂轮组织织级别分分为紧密密、中等等、疏松松三大类类。紧密密组织砂砂轮适用用于重压压下的磨磨削；中中等组织织砂轮适适用于一一般磨削削；疏松松组织砂砂轮不易易堵塞，，适用于于平面磨磨、内圆圆磨等磨磨削接触触面大的的磨削，，以及磨磨削热敏敏性强的的材料或或薄壁工工件。第十五讲3.6.2.磨削过程程及其机机理1.磨料切削削刃的形形状特征征每颗磨料料都可以以看作是是一把微微小的刀刀具。微微小磨料料的切削削刃的几几何形状状是不确确定的，，而且切切削刃的的排列（（凹凸、、刃距））是随机机分布的的，磨削削厚度非非常薄，，在几个个微米以以下；磨磨削速度度高达1000～7000m/min，磨削点点的瞬时时温度可可达1000℃以上，使使去除相相同体积的材料料所消耗耗的能量达到到车削时时的30倍。2.磨料的磨磨削过程程第三章金金属切削削过程及及控制第十五讲3.6.3.磨削力和和磨削用用量1．磨削力力磨削力有有以下主要特征征：（1）单位磨磨削力值值Kc很大.（2）背向力力Fy最大。在正常磨磨削条件件下，Fy/Fz的比值约约为2.0～2.5。2．磨削用用量（1）砂轮线线速度砂轮线速速度一般般比车削削速度大大10～15倍左右，，但太高高时，可可能会产产生振动动或工件件表面烧烧伤。一一般=30～35m/s；第三章金金属切削削过程及及控制第十五讲第三章金金属切削削过程及及控制（2）工件速速度V粗磨时，，通常取取Vw=15～85m/min；精精磨磨时时为为15～50m/min。外外圆圆磨磨时时，，速速比比q=Vc/Vw=60～150；内内圆圆磨磨时时，，q=40～80。Vw太低低时时工工件件易易烧烧伤伤；；Vw太高高时时磨磨床床可可能能产产生生振振动动。。（3）磨磨削削深深度度ap粗磨磨时时，，可可取取ap=0.01～0.07mm；精精磨磨时时，，可可取取ap=0.0025～0.02mm；镜镜面面磨磨削削时时，，可可取取ap=0.0005～0.0015mm。（4）砂砂轮轮轴轴向向进进给给量量fa砂轮轮轴轴向向进进给给量量fa是指指工工件件每每转转一一转转或或每每一一往往复复时时砂砂轮轮的的轴轴向向位位移移量量（（mm），，设设砂砂轮轮宽宽度度为为b（mm），，则则：：粗粗磨磨时时，，取取fa=（0.3～0.85）b；精精磨磨时时，，取取fa=（0.1