金属切削原理课件

金属切削原理PrincipleofMetalCutting

金属切削过程三维切削和二维切削§2-1金属切削过程中的变形变形区的划分切屑的形成过程

一.切断作用与切削作用

1.切断作用楔角大，刀具强度高楔角较大情况工件塑性变形较大工件尺寸精度很低工件表面十分粗糙工件表面加工硬化严重2.切断向切削过渡工件塑性变形减小工件尺寸精度低工件表面粗糙工件表面加工硬化严重3.切削加工形成后角；后刀面所对的工件塑性变形大大减小；工件尺寸精度高；工件表面平整；二.变形区的划分刀具后刀面摩擦区变形区第一变形区第三变形区第二变形区1.第一变形区(剪切区)OA线：始滑移面OM线：终滑移面发生变形的主要区域随着切削速度的增加而变薄，一般厚度0.02-0.2mm，用平面OM表示2.第二变形区(前刀面摩擦区)切屑流出时收到前刀面的摩擦切屑再次产生剪切变形，晶粒伸长，并且纤维化它的变形程度比切屑上层的剧烈几到几十倍3.第三变形区(后刀面摩擦区)已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面挤压摩擦，造成晶粒伸长纤维化和加工硬化直接和加工表面的质量有关4.小结三个变形区汇集在切削刃附近，应力状况复杂，应力大而集中，切削层金属就在此分离三个变形区互有联系，密切相关三.切屑的形成过程挤压弹性变形剪切滑移，塑性变形前刀面挤压与摩擦卷曲流出前刀面滑移剪切力达到τs2.二维切削剪切面切削模型二维切削的剪切面切削模型3.切削形成的本质切削层金属在刀具切削刃作用和前刀面作用下，经受挤压而产生剪切滑移变形的过程§2-2切屑种类和变化1.带状切屑切屑形貌1.内表面光滑；2.外表面毛茸状；3.连续、带状。产生原因1.剪切位移未达到破裂程度，2.剪应力未超过材料极限强度特点1.切削力波动小，切削过程平稳；2.已加工表面粗糙度小；3.需要断屑措施。产生条件1.塑性金属；2.v较高；3.ac较小；4.γ0较大。2.挤裂切屑切屑形貌1.内表面有时光滑有时有裂纹；2.外表面锯齿状。产生原因1.局部剪切位移达到破裂程度，2.剪应力超过材料极限强度。特点1.切削力有波动，切削过程较不平稳；2.已加工表面粗糙度较大。产生条件1.塑性金属；2v较低；3.ac较大；4.γ0较小3.单元切屑切屑形貌1.裂纹贯穿整个切屑；2.切屑为梯形单元。产生原因1.整个剪切面的剪应力超过材料极限强度。特点1.切削力波动大，切削过程不平稳；2.已加工表面粗糙度大；3.刀具易损坏。产生条件1.塑性金属；2.v很小；3.ac很大；4.γ0小。4.崩碎切屑切屑形貌1.不规则的碎块产生原因1.靠近切削刃的局部金属塑性变形很小，被挤裂、脆断。特点1.切削力波动很大，切削过程很不平稳；2.已加工表面粗糙度很大；刀具易崩刃。产生条件3.脆性金属（铸铁、高碳钢、硬铝、石材、玻璃）带状切屑内表面光滑，外表面毛茸状；连续、带状剪切位移未达到破裂程度，τ<τs切削力波动小，切削过程平稳；表面Ra小，需要断屑塑性,v较高,ac较小,γ0较大。挤裂切屑内表面有时光滑有时有裂纹，外表面锯齿状局部剪切位移达到破裂程度，τ>τs切削力波动，切削较不平稳；表面Ra大塑性；v较低；ac较大；γ0较小单元切屑裂纹贯穿整个切屑；切屑为梯形单元。整个剪切面的τ>τs切削力波动大，不平稳；表面Ra大；刀具易损坏。塑性；v很小；ac很大；γ0小。崩碎切屑不规则的碎块塑性变形很小，被挤裂、脆断切削力波动很大，过程很不平稳；表面Ra很大；刀具易崩刃。脆性金属5.小结在实际生产中存在介于上述四种切屑的过渡类型同一种材料，切削条件不同，可以得到不同的切屑选择合适的刀具几何参数和切削用量，可以改变切削类型掌握了切削变化规律，就可以控制其形状和尺寸，以利于卷屑，断屑和排屑§2-3切屑变形的度量生产中，操作者根据切屑的卷曲，颜色和表面状态来判断切削过程外观不一定能真实的反映切屑的变形程度常用的度量切屑变形的方法有变形系数法，剪切角和相对滑移1.变形系数ξ变形系数ξl=l0/lc;ξa=ac/a0，ac切削厚度，a0切削层长度，lc切屑长度，l0切削层长度根据变形后体积不变原则，ξ=ξl=ξaξ

，变形

L0a0lcac2.相对滑移ε定义：单位厚度的金属产生的滑移量式中φ是剪切角ε与φ和γ0有关ε

，变形

3.剪切角φ定义：切削速度和剪切面的夹角NP>N’P’,φ<φ’φ

，切屑的剪切滑移距离,变形

4.变形系数和相对滑移的关系5.切屑变形参数的讨论ξ>=1.5:ξ大，ε也大，比较接近实际情况ξ<1.5，特别ξ≈1，或者前角为负时，不能用ξ来表示变形程度切削变形的参数计算都是近似的，有相当的局限性§2-4剪切角的理论公式Φ可衡量切屑变形程度，如果能建立φ=(γ0,β)的理论公式，对预测切屑变形程度和切削力的大小有重要的实际意义1.作用在切屑上的力作用在前刀面法向力Fn和摩擦力Ff作用在剪切面法向力Fns和剪切力Fs2.力的分解计算3.剪切力的理论公式根据最小切削力功原理确定剪切角剪切面在切削时为所需功率最小的方向令dPm/dφ=0,求Pm为最小的剪切角，2φ+β-γ0=π/2(Merchant公式)4.Merchant公式的讨论与试验结果定性上一致，定量上有误差，Merchant公式计算值偏大误差原因：切削刃是圆钝的，不是绝对锋利的剪切面不是平面，而是有一定厚度未考虑金属内部杂质和缺陷的影响用简单的平均摩擦系数和实际情况不符§2-5前刀面的摩擦使用理论公式计算剪切角和试验结果有出入，其中原因之一是用简单的摩擦系数来表示前刀面的摩擦特性，不符合切削过程中的实际情况1.滑动摩擦特性Ar<Aa；Ar=Fn/σyFf=τs·Ar；金属塑性变形，紧密接触，发生粘结，摩擦力是不断剪切粘结点的力摩擦系数μ=Ff/Fn=τs/σy=常数，与Ar无关滑动摩擦又称外摩擦FfFn软材料2.粘结摩擦特性Ar≈Aa剪切作用不只限于表面凹凸不平处，而且发生在较软的金属内部粘结力与粘结面积有关粘结摩擦又称内摩擦3.前刀面的摩擦特性切削过程中，切屑和前刀面的压力很大，存在滑动摩擦和粘结摩擦前刀面上，μ=K/σravσrav随着硬度，ac，v和γ0有关前刀面摩擦分布3.影响前刀面摩擦系数的因素强度、硬度、ac

，或者γ0

，都会导致μ

切削速度对μ也有影响§2-6积屑瘤(BUE)积屑瘤(Built-upedge)在切削塑性金属时，在前刀面靠近切削刃口处粘结着一小块很小很硬的金属楔块ac△acγ0γ0e1.积屑瘤的产生原因切屑底层产生滞留层滞留层与切屑分离，粘结在前刀面f内>f外前刀面和切屑底面的挤压和摩擦逐层滞留粘结形成楔块冲击振动不断破裂，脱落再生2.积屑瘤对切削过程的影响替代切削刃和Aγ切削，减少Aγ和Aα磨损破裂脱落，擦伤Aγ和Aα，发生粘结磨损γ0

，ξac，尺寸精度

轮廓不规则，过切量不一致，Ra破裂，脱落，引起振动，Ra刀具和工件挤压作用增加，残余应力和表面变形增加3.影响积屑瘤的主要因素工件速度和性质切削速度刀具前角冷却润滑条件(1)工件性质影响：塑性

，μ，lf

，易生成BUE避免措施：正火，调质处理；强度，硬度

，塑性

(2)切削速度主要通过θ℃和μ影响BUEf内大，不易产生θ℃,μ,f外

θ℃很高，底层金属变软，μ

，f外

560℃，BUE消失(3)刀具前角γ0

ξ，正压力

，θ℃BUEγ0>40，没有BUE(4)其他切削液

θ℃μBUEac

正压力BUE刀具RaBUE§2-7已加工表面的形成

1.形成因素已加工表面形成与下面因素有关第1变形区rn刀具圆弧半径αoe的小棱面2.形成过程切屑层金属进入第一变形区，晶粒伸长，纤维化由于rn和αoe的存在，Δac被剧烈挤压摩擦进入第三变形区，进一步变形，扭曲，拉长，更加纤维化，形成已加工表面§2-8加工变质层零件损坏往往源于表面缺陷，因此要求机械加工后的零件表面层完整无损，提出了表面完整性的概念1.表面完整性的概念概念：由于受控制的加工方法的影响，导致成品的表面状态没有受到任何损伤，甚至有所增强的现象包括几何方面和物理方面变质层变质的内容大致有：化学变质，热变质，组织纤维化，加工硬化和残余应力2.残余应力概念：没有外力作用下，体内自相平衡的应力分类：残余拉应力产生裂纹，疲劳强度

；残余压应力疲劳强度

原因：热塑性变形，弹性恢复，相变多种因素综合作用的结果(1)原因-热塑性变形切削过程中切削过后压压拉拉(1)原因-里层金属的弹性恢复拉压切削过程中，里层的弹变量是压缩状态切削过程中，里层的弹变量是拉伸状态(1)原因-表层金属的相变压拉形成奥氏体马氏体比容

720冷却(2)影响残余应力的主要因素

(2.1)切削速度VV原因拉/压较低θ℃低，热塑性变形小拉小或压较高热塑性

拉

更高θ℃达相变温度，相变(压)和热塑性(拉)抵消，变化不大(2.2)其他因素f和ap,塑性变形

，残余应力

f的影响较大，v和ap的影响较小γ0

锋利，排屑流畅，切削轻快残余应力

rεrn

，变形摩擦

，残余应力

3.加工硬化经过切削加工，会使工件表层的硬度提高的现象成为加工硬化变形程度

，硬化程度和深度

工件耐磨性

，脆性

(1)产生加工硬化的原因金属强化，弱化和相变的综合结果切削过程中，金属晶粒拉长，扭曲与破碎，阻碍金属进一步塑性变形，而使金属强化切削温度使金属弱化，甚至相变(2)硬化程度的指标硬化深度hy：已加工表面与基体未硬化处的垂直距离硬化程度N：H已加工表面的显微硬度H’基体的显微硬度(3)影响加工硬化的因素Vhy和N；Vhy(淬火相);hy(回火相)f

，ap

hy和N

工件材料塑性

硬化

工件导热性

硬化

γ0，α0hy和N§2-9切屑变形程度的变形规律影响因素工件材料切削用量刀具几何参数刀具材料冷却润滑1.工件材料塑性

，强度

，屈服极限

，在较小应力作用下塑性变形塑性

，塑变能力增加，变形量大2.切削速度(1)对塑性材料BUEγoeξ变形时间ξVμ，VμV很高θ℃变软，塑性

，底部微熔对脆性材料：Vξ2.切削速度(2)vξIIIIIIIV0v1v2v3ABBUE，γoe

，ξ

A点，BUE最高，γoe最大，ξ最小BUE,γoe,ξ

BUE消失,γoe=γo,ξ最大

变形时间

，μ，θ℃，ξ

金属变软，切屑底部微熔，对ξ影响小3.进给量f(ac)ac’ac’f,ac

总变形量

，ac’增加很少，平均变化程度ξ4.刀具几何参数(1)γoξrε

切削刃上参加工作的曲线部分ξ切削刃曲线部分各点γ0是变化的，越靠近刀尖，γ0ξ流向干扰

附加变形ξ4.刀具几何参数(2)Κr

acξrε≠0，参加工作的切削刃曲线部分

，ξ公式（1－22）知，γ0和λ0一定，γ0’，ξrε≠0，3个因素起作用，rε＝0，第1个因素起作用金属切削原理PrincipleofMetalCutting

切削力§3-1切削力的来源切屑的弹塑性变形抗力工件的弹塑性变形抗力后刀面与工件的摩擦力前刀面与切屑的摩擦力§3-2切削合力、分力和切削功率

1.切削合力、分力2.切削分力的作用-Fz主切削力(切向分力)Fz使车刀产生弯矩，是计算切削功率的依据。2.切削分力的作用-Fy吃刀抗力(径向分力)Fy使工件产生弯曲，影响加工精度，是计算系统刚度的依据。2.切削分力的作用-Fx进给抗力(轴向分力)Fx作用在进给结构上，是计算进给机构强度的依据3.Fx、Fy和Fz的比较Fz:Fy:Fx=1:0.4:0.25Fr=(Fz2+Fy2+Fx2)0.5Fr=1.11Fz4.切削功率切削功率是各切削分力功率的总和，车削过程中可以简化为，第二项忽略不计§3-3影响切削力的因素工件材料切削用量刀具几何参数刀具磨损切削条件刀具材料一.工件材料强度硬度

τsξ，Fr同样的ξ，强度硬度

，Fr同样的Fr，强度硬度

，ξ强度硬度相同，塑性μFr二.切削用量

1.apap

1倍

Ac1倍ac’(严重变形部分)比例不变Fr1倍ap2apfac’ac2.fap

1倍

Ac1倍ac’(严重变形部分)比例

Fr68-86%ap2fac’2acf3.VBUEroeFBUEroeFθ，μ，ξ，t变

FABA：BUE最大B：BUE消失4.切削用量对F的影响ap>f>v从降低切削力出发，选用大的v和f比ap有利三.刀具几何参数

1.γ0γ0

切入工件困难，ξF加工塑性较大的材料，γ0的影响比加工塑性小的金属显著2.κrΚr

ac

ξFzΚr

参加切削的圆弧

ξ

Fz

Κr

γ0’Fz

Κr

影响Fx和Fy的比例Κr

Fz先

后

，变化10％左右3.λsF与v的夹角

不直线上升切削刃lseFz

lseFz

－45°15°⊥切削刃的分力Fy

⊥切削刃的分力Fx

4.rεrε

参加切削的圆弧

，切削刃上的平均κrFy

，Fx

rε

圆弧刃上变形Fz稍

§3-4切削力的测量测力仪的种类电阻应变式测力仪及其工作原理电阻应变式测力仪八角环电阻应变式测力仪一.测力仪的种类机械式-位移液压式-位移电阻式-应变（电阻应变片）压电式-应力（压电晶体）1.电阻应变片种类金属式丝式箔式半导体式材料康铜和镍铬合金φ在0.012-0.05mmR在100Ω以上(1)测量电路当R1R4=R2R3时，ΔU=0，电桥平衡(2)测力原理R1，R4受拉伸电阻变大R2，R3受压缩电阻变小ΔU输出与Fz成正比通过事先标定曲线，由ΔU知FzFzΔU2.八角环电阻应变式测力仪不受干扰的测出Fz，Fx，Fy使用上下两个扁圆环组成(1)应变圆环Fy和Fx共同作用：R1、R2、R3、R4测Fy，R5、R6、R7、R8测Fx，分别接入两个电桥电路。Fx作用PR点R5R6拉应力，QS点R7R8压应力，两个BD结点无应变Fy作用R1R2拉应力，R3R4压应力PQRS无应变(2)八角环圆环的缺点不易固定夹紧在Fx作用下有滚动的可能与壳体为线接触，接触变形大，刚度差将它一切两半，制成近似39.6°的八角环式，安装可靠，刚性好，贴片方便(3)布片与电桥(4)三向分力互不干扰Fy和FxFy和FzFy作用下Rz1Rz2Rz3Rz4电阻增量相同Fz作用下Ry1Ry2Ry3Ry4受压缩；Ry5Ry6Ry7Ry8受拉伸，相互抵消，不破坏平衡条件Fx和FzFx作用下Rx1Rx2Rx3Rx4无变化Fz作用下Rx1Rx2Rx3Rx4受压缩；Rx5Rx6Rx7Rx8受拉伸；相互抵消3.电阻应变仪的小结测力仪弹性元件电桥应变仪（动态）记录仪切削力变形ΔU放大4.压电式测力仪(1)刚性好，灵敏度高可测试动态切削力压电效应：某些晶体外力作用下产生电场，外力去除后，重新回到不带电的状态使用最多的是石英SiO24.压电式测力仪(2)纵向压电效应横向压电效应剪切压电效应§3-5切削力的经验公式的建立切削力实验方法单因素法：改变一个因素而使其他因素保持不变，测出切削力多因素法：同时改变多个因素，测出切削力数据处理方法图解法最小二乘法1.经验公式Kfz:试验条件的修正系数CFz:系数，等于ap=1,f=1,v=1时的切削力xFz:ap对切削力的影响程度yFz:f对切削力的影响程度zFz:v对切削力的影响程度2.计算示例计算切削力公式(1)确定试验条件校准测力仪，选定工件材料、刀具材料、刀具几何参数、切削速度等实验条件实验条件工件材料45钢（正火）HB187刀具结构材料规格前角后角副后角主偏角副偏角刃倾角刀尖圆弧半径外圆YT154K1615º7º5º75º15º0º0.2切削用量工件直径dw

mm

转速nr/min

切削速度vr/min8138096(2)固定f，测量ap与Fz关系固定f=fo=0.3，改变ap(ap=1,2,3,4)，测出并记录不同ap对应的切削力Fz，在双对数坐标图上绘出lgFz=f(ap)关系图f=fo=0.3ap(mm)1234Fz(N)627.81130.11757.92385.7lgFz2.7978213.0531173.2449943.377616(3)确定Fz与ap的关系lgFz=f(ap)关系图600算截距，ap＝1，Fz＝600N量斜率得Fz=600*ap(4)固定ap

，测量f与Fz关系固定ap=apo=3，改变f(f=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)，测出并记录不同f对应的切削力Fz，在双对数坐标图上绘出lgFz=f(f)关系图ap=apo=3f(mm)0.10.20.30.40.5Fz(N)627.81255.61757.9219.742762.5lgFz2.79783.09883.2452.3423.441(5)确定f与ap的关系lgFz=f(f)关系图4900算截距，f＝1，Fz＝4900N量斜率得Fz=4900*f0.84(6)求系数CFz当f=f0=0.3mm/rCFz·ap·(0.3)0.84=600apCFz=600/(0.3)0.84≈1648当ap＝3mm时CFz·(3)1·

f0.84=4900·f0.84CFz=4900/3=1640CFz=(1648+1640)/2≈1640得经验公式Fz=1640·ap·f0.84(7)修正系数的获得经验公式是在一定条件下获得的，条件改变计算力肯定有误差，必须修正金属切削原理PrincipleofMetalCutting

切削热和切削温度§4-1切削热的来源及其传出一.切削热的产生刀具后刀面热源区剪切面热源区前刀面热源区变形功变形功和摩擦功变形功和摩擦功切削热的组成Q=Qp+QfQp变形功Qf摩擦功Q=Fz×V/60(J/s)二.切削热的传出Q切削热Qt刀具Qw工件Qc切屑Qm介质影响切削热传出的因素1.工件材料的导热系数KK

工件和切屑传出热量

切削区域温度

工件升温快K

工件和切屑传出热量

切削区域温度

刀具磨损快2.刀具材料的导热系数KtKt

刀具传出热量多

切削区域温度

影响切削热传出的因素3.刀具的散热面积散热面积主要是前后刀面与切屑工件的接触面积。散热面积

热量不易传出aw

散热面积正比增大ac

散热面积稍有增大工件硬度

切屑与前刀面接触面积

散热面积

影响切削热传出的因素4.周围介质的状况性能良好的冷却液良好的冷却方式喷雾冷却内压加压三.切屑、工件和刀具上的温度分布θ前刀面>θ切屑>θ工件切屑底部θ高；离底线越远θ越低A前刀面上离切削刃一定距离A处温度最高后刀面温度一般比前刀面低工件上最高温度在刀尖与工件接触附近，工件材料性质与切削温度的分布§4-2影响切削温度的主要因素切削温度与切削热的区别：切削热仅与热量的产生有关，而与热量的传出无关切削温度不仅与热量的产生有关，而且与热量的传出有关。与切削热的大小及其传出快慢有关。一.影响切削温度的因素切削用量刀具几何参数刀具磨损工件材料切削液1.切削速度的影响W=(Fz*V/60)θ切屑流速加快，摩擦加剧ξ，故不正比增加θ=Cθv*Vx2.进给量的影响fθ，但增速较慢fF，但是F的增加为f的68％-86％,所以热量的增加没有f增加快fac

切屑的热容

由切屑带走的热量

切削温度

较慢θ=Cθf*fy3.切削深度的影响随着ap增加，θ增加不明显apF产生热量正比增加ap

切削刃工作长度

，改善了散热条件θ不明显θ=Cθap*apZ综上所述影响程度V>f>ap从θ看，选大的ap和f比大的V有利4.切削温度经验公式θ=CθVx*fy*apZCθ:系数，取决于工件材料，代表v=1，f=1，ap=1时的切削速度x,y,z:指数，反应该因素对θ的影响程度，x>y>z5.其他因素对θ的影响刀具几何参数：γθ;κγθ刀具磨损：磨损

变形

磨损

变形

工件材料：强度

，导热系数θ切削液：热容和导热性θ二.温度经验公式的建立

1.确定试验条件校准测力仪，固定工件材料(TC4)、刀具材料、刀具几何参数等实验条件(2)固定f,ap

，测量V与θ关系固定f=fo=0.2，ap=apo=2改变V(V=40,50,60,70)，测出并记录不同V对应的切削温度θ，在双对数坐标图上绘出lgθ=f(V)关系图f=fo=0.2ap=apo=2v(m/min)40506070θ

(℃)695758815863lgθ2.8422.882.912.936(3)固定V,ap,测量f与θ关系固定V=Vo=50，ap=apo=2,改变f(f=0.1,0.2,0.3,0.4)，测出并记录不同f对应的切削稳定θ，在双对数坐标图上绘出lgθ=f(f)关系图V=Vo=50ap=apo=2f(mm)0.10.20.30.4θ

(℃)654758856882lgθ2.8162.882.9322.945(4)固定V,f,测量ap与θ关系固定V=Vo=50，f=fo=0.2,改变ap(ap=1,2,3,4)，测出并记录不同ap对应的切削温度θ，在双对数坐标图上绘出lgθ=f(ap)关系图V=Vo=50f=fo=0.2ap(mm)1234θ

(℃)718755787804lgθ2.8562.8782.8962.905(5)求出斜率和截距斜率截距θ－v0.393157θ－f0.1941044θ－ap0.082718(6)写出三直线方程(7)求系数Cθ1f=fo=0.2，ap=apo=2时(8)求系数Cθ2v=vo=50，ap=apo=2时(9)求系数Cθ3f=fo=0.2，v=vo=50时(10)求系数Cθ(11)得经验公式§4-3切削热的测量自然热电偶法人工热电偶法红外测温法一.自然热电偶利用不同化学成分的工件和刀具材料组成，热电偶的两极分别与机床绝缘，构成热点回路，根据温差电动势测定刀具温度。1.测温原理两种不同的导体（半导体）在其热端和冷端之间由于电子的能量不同而形成一个热电势，记录电热势的数值，通过事先标定的热电势标定曲线，折算出温度。热端θmv冷端θ0冷端θ0中间导体定律当中间有第三金属的时候，只要金属两端温度相等，不影响整个回路的电动势均匀导体定律两导线材料相同，不产生电动势2.组成

热电势的计算EABC=eAB(θ)±eBC(θ0)±eAC(θ1)

注意点工件与刀具都必须与机床绝缘导线与工件或刀具的连接点需保持在室温，以免产生附加电动势不同的刀片与不同的工件材料应进行专门标定3.特点简单易行；可以测得接触面的平均温度；不能最高温度位置不能测非导体，不能测量温度分布4.补偿电路外加一个与附加热电偶值相等而极性相反的热电势，其大小随刀片的温度改变而改变5.热电偶的标定6.热电偶的快速标定EAB:镍铬镍铝标准热电偶EAC:待定热电偶镍铬镍铝试件CABEACEAB二.人工热电偶人工热电偶的特点需要破坏工件或刀具实用性差不能得到切削区域的温度分布不能得到接触面积的平均温度可是用在陶瓷等非导体上三.红外测温法红外测温法的特点非接触式测量，不破坏工件测量被测面的温度分布可以用于非导体材料测量容易受干扰本章重点影响切削热传出的主要因素影响切削温度的主要因素切削温度的测量(自然热电偶)金属切削原理PrincipleofMetalCutting

切削条件合理选择

切削条件对以下因素产生影响生产率加工质量生产成本切削条件涉及以下几方面工件材料的切削加工性刀具的切削性能刀具切削部分的材料合理的刀具几何参数切削液刀具耐用度和切削用量的合理选择§6-1工件材料的切削加工性可加工性

可加工性的刀具耐用度指标材料可加工性的改善

难加工材料一.材料的切削加工性定义：一定条件下工件材料切削加工的难易程度材料可加工性的衡量：刀具耐用度、已加工表面的完整性、切屑的控制通常使用刀具耐用度作为衡量切削加工性的指标二.衡量切削加工性的指标绝对指标vT：刀具的耐用度为T分钟时，某种材料加工时允许的切削速度。vT越大，材料的可加工性越好。相对指标Kr：以抗拉强度的45＃钢的V60为基准（V60），把其它材料的V60与之相比。三.材料切削加工性的改善改善途径调整化学成分，发展易切钢进行合适的热处理改变工艺方法，如低碳钢冷拉降低塑性改变切削条件，如选择合适的刀具材料，几何参数，切削用量与切削液等四.难加工材料

高强度钢、不锈钢、高温合金、钛合金等材料硬度高（高温硬度高）；加工硬化大；有高硬度的硬质点；导热性差，切削温度高；强度大，特别是高温强度大；化学活性大；弹性变形大

§6-2刀具切削性能提高刀具切削性能的措施设计合理，制造质量高；合理选材；合理的几何参数

刀具切削部分的材料

1.刀具材料应具备的性能强度和韧性硬度和耐磨性耐热性其他性能(1)强度和韧性强度:抗弯强度σb(GPa或者Kg/mm2)韧性：冲击韧性ak(KJ/m2或者Kg/cm2))(2)硬度和耐磨性影响耐磨性的因素：硬度；硬质点性质数量和分布；显微组织；抗粘结性工具钢HRC60～65高速钢HRC60～70硬质合金HRA89~94陶瓷HRA91~95立方氮化硼(CBN)HV8000～9000金刚石HV1000(3)耐热性(红硬性)高温下保持高硬度的能力，通常采用刀具材料硬度显著降低时的温度表示工具钢200～250℃高速钢550～600℃硬质合金800～1000℃陶瓷1200℃立方氮化硼(CBN)1400～1500℃金刚石700℃以下(4)其他性能良好的导热性抗粘附性高温高压下刀具与工件材料在接触面处抵抗熔结的能力工艺性热处理性能，可加工性，刃磨性能2.刀具材料的种类及其选用高速钢硬质合金陶瓷金刚石立方氮化硼(1)高速钢(HHS)高速钢HHS：W、Mo和Cr含较高的合金工具钢，许用切削速度高于一般的合金工具钢。W、Mo溶于基体，提高红硬性；W、Mo、Cr等形成高硬度的碳化物，提高硬度和耐磨性。高速钢HHS的分类钨系高速钢工艺性好，通用性好；但硬度不高W18Cr4V钼系高速钢韧性好、碳化物细小均匀；但易脱碳，淬火温度范围窄W6Mo5Cr4V2高钴高速钢高温硬度高，基体强度高，耐磨性好；但价格昂贵。W2Mo9Cr4VCo8高碳高钒高速钢高温硬度高，韧性好，耐磨性好；但价格昂贵，难刃磨。W12Cr4V4Mo高钒含铝高速钢耐磨性好，硬度高，可磨性差W6Mo5Cr4V2Al稀土高速钢晶粒细小，碳化物分布均匀，韧性最好；但价格较贵。W14Cr4VMnReHHS的选择根据工件材料的性质：一般选择通用型，难加工材料选高钴、高钒高速钢。根据工件的形状和刀具的类型：简单刀具可选择高钒高速钢，复杂刀具可选择钨系、钼系低钴高速钢（不可选高钒高速钢），钻头选钼系高速钢。根据加工方式：断续加工选用韧性较好的钼系高速钢和稀土高速钢。若选用高钴、高钒高速钢必须采用适当的热处理，提高其韧性(2)硬质合金由高硬度高熔点的金属碳化物和金属粘结剂组成，经过粉末冶金方法制造的。金属碳化物有：WC、TiC、TaC、NbC等，金属粘结剂有：Co、Mo、Ni等。金属碳化物具有高硬度、高熔点、化学稳定、热稳定等特点，因而硬质合金的耐磨性和红硬性较好，刀具的耐用度较高。同类硬质合金粘结剂含量越多刀具的韧性越好，但硬度越低。硬质合金的选用钨钴类钨钴钛类通用类符号YGYTYW成分WC＋CoWC、TiC＋CoWC、TiC、TaC(NbC)＋Co牌号YG8YT14YW3硬度/红硬性低/低高/高较高/高强度和韧性大小大导热性大小抗氧化和粘结性低高高工件材料脆性材料塑性材料塑性、脆性材料均可刀具磨损后刀面磨损前刀面磨损前、后刀面磨损切削力重载、大切削力(3)陶瓷以为Al2O3或Si3N4为主要成分，添加少量粘结剂高温烧结而成的一种微晶显微组织的刀具材料。特点：硬度很高、耐磨性好、耐热性高、化学稳定、摩擦系数低、强度和韧性差，脆性大，易崩刃，刃磨困难。用途：主要用于精加工和半精加工，大件零件和高精度零件加工。(4)金刚石天然，PVD、CVD。特点：硬度最高、耐磨性好、摩擦系数最低、导热系数最大、强度和韧性不高，热稳定性差，刃磨困难，和铁和钛有很强的化学亲和力。用途：主要用于有色金属及其合金、非金属材料的半精加工、精加工和超精加工。不由于加工黑色金属、钛及其合金。(5)立方氮化硼

由较软的六方氮化硼经过高温高压法转化而成。特点：硬度很高、耐磨性好、耐热性高、化学稳定、摩擦系数低。可直接加工淬火钢、铸铁、高温合金等，可以使工件产生残余压应力。二.合理的刀具几何参数前角后角主偏角刃倾角1.前角的功用及选择前角的功用影响切削区的变形程度：前角↑

前刀面的挤压↓

塑性变形↓

切削在前刀面的摩擦阻力↓

切削力↓

切削热↓。影响切削刃与刀头的强度、受力性质、散热条件：前角↑

切削刃与刀头的强度↓

力的方向变化，散热条件变坏，刀具易磨损，易崩刃。不同材料的刀尖受力点不同前角的刀尖受力情况2.前角选择前角选择工件材料塑性选较大的前角脆性选较小的前角强度(硬度)高选较小的前角强度(硬度)低选较大的前角刀具材料强度高韧性好选较大的前角强度低脆性大选较小的前角3.后角功用及选择后角功用.减小后刀面与工件的接触面积，减小后刀面磨损影响刀尖圆弧半径：后角↑，尖圆弧半径↓，刀具越锋利影响切削刃强度、散热体积：后角↑，切削刃强度↓，散热条件变坏在同样的VB下影响刀具的耐用度：VB不变，后角↑，刀具切削的金属体积增加，刀具耐用度↑。后角选择精加工选较大的后角粗加工选较小的后角4.主偏角功用和选择主偏角的功用影响切削分力Fx、Fy比例：主偏角↓，Fy↑，系统刚度较高影响切削刃的工作长度和切削厚度：在进给量和切深不变时，主偏角↓，切削刃的工作长度↑，切削厚度↓，单位长度切削刃负载↓，刀具耐用度↑。影响残余面积和散热条件：主偏角↑，刀尖圆弧半径↑，残余面积↓，散热条件改善。主偏角的选择工件材料强度高的工件材料选较小的主偏角。工艺系统刚度工艺系统刚度较好，选较小的主偏角；工艺系统刚度较差，选较大的主偏角加工方式粗加工、半精加工，选较大的主偏角。单件小批生产，选用主偏角为90°的适用性好的刀具。5.刃倾角的功用及选择刃倾角的功用控制切屑流出方向：刃倾角大于零，切屑朝操作者和床头方向流出，不会碰上已加工表面。刃倾角小于零，切屑朝工件已加工表面方向流出。影响刀尖的强度：刃倾角大于零，刀尖最高，切削时刀尖先于刀面和工件接触，有冲击时易崩刃；刃倾角小于零，刀尖最低，切削时刀面先于刀尖和工件接触，有利于保护刀尖。影响实际前角和实际刀尖圆弧半径：刃倾角↑，实际前角↑，实际刀尖圆弧半径↓，刀具锋利，较大的刃倾角可以切削很薄的切削层，因而微量精加工时，常用较大的刃倾角。刃倾角的选择工件材料强度(硬度)高时，选较小的刃倾角，负刃倾角。加工情况一般钢材和铸铁精车：0°～5°粗车：0°～－5°一般冲击载荷:-5°～-15较大冲击载荷:-30°～-45微量精车、精铇、精镗45°～75°强力切削-10°～-20°§6-3刀具耐用度和切削用量的合理选择刀具耐用度的合理选择切削用量的制定切削过程的优化一.刀具耐用度的合理选择原则刀具耐用度的选择依据最大生产率耐用度：依据单件工序工时最低原则制定的刀具耐用度，tp。经济耐用度：依据单件工序成本最低原则制定的刀具耐用度，tc。1.工序费用与刀具耐用度的关系2.经济耐用度tc原则单件工序费用＝加工费用＋换刀费用＋刀具使用成本＋辅助费用tm：工序切削加工工时；tct：一次换刀所需时间；tot：除换刀以外的辅助时间；M：单位时间内工序分摊的企业费用；Ct：刀具成本；t：刀具耐用度tm：工序切削加工工时；tct：一次换刀所需时间；tot：除换刀以外的辅助时间；M：单位时间内工序分摊的企业费用；Ct：刀具成本；t：刀具耐用度经济耐用度tc计算单件工序成本最低，令dC/dt=0其中m是刀具耐用度Vtm＝A中的指数，tc对于的速度为经济切削速度vc3.最大生产率耐用度tp原则单件工序工时最低，令dtw/dt=0其中m是刀具耐用度Vtm＝A中的指数，tp对于的速度为最大生产率切削速度vp

4.两种刀具耐用度的比较二.切削用量的制定和切削过程最优化

1.切削用量的制定从刀具耐用度分析：对刀具耐用度影响的顺序为v>f>ap生产率用单位时间切除的金属量Zw=V*f*ap切削用量的制定原则：在工艺系统强度和刚度允许的条件下，首先选择尽可能大的切深ap，其次根据加工条件和要求选用所允许的最大f，最后根据刀具耐用度选择合适的v

2.切削过程的优化切削过程的优化：根据最优化目标，找出切削过程的最佳加工条件最优化目标最低的单件生产成本最大生产率最大单件利润等约束条件机床的功率、速度、进给量工件的刚度、精度、表面粗糙度刀具的刚度、强度、磨损最小切深、积屑瘤、断屑等最优化目标最低的单件生产成本最大生产率最大单件利润等约束条件机床的功率、速度、进给量工件的刚度、精度、表面粗糙度刀具的刚度、强度、磨损最小切深、积屑瘤、断屑等3.切削过程的计算机优化流程图金属切削原理与刀具PrincipleofMetalCuttingandCuttingTools

磨削基础

磨削是常用的精加工方法精度：5－7级，甚至±1微米表面粗糙度：Ra0.8-Ra0.1,甚至Rz0.01硬材料的有效加工手段§7-1砂轮的特性与选择常用磨削工具：砂轮、砂布、砂带、油石等砂轮磨料和结合剂烧结而成的多孔体

砂轮的六因素：磨料，粒度，结合剂，组织，硬度，尺寸1.磨料磨料具备的条件硬度高、红硬性好；有一定的强度和韧性；有锋利的边刃

常用的磨料系列

成

分

显微硬度(HV)氧化物系

Al2O32000～2300碳化物系

SiCBC2800～4500超硬磨料

CBN8000～9000金刚石8000～100002.粒度粒度：磨料颗粒的大小，分12、14、16、20、24、30、36、46、60、70、80、100、120、150、180、240、280共17级。数字表示每英寸上的筛眼数，数字越大，表示粒度越细。比280号还细的磨料粒度用W表示，如W2.5表示微粉的尺寸在1.5～2.5微米。3.结合剂结合剂：将磨料粘结成各种形状和尺寸的砂轮，直接影响砂轮的强度、耐热性和耐用度。砂轮强度：砂轮在离心力作用下不被破坏的能力，用安全速度表示，一般取30m/s。结合剂的选择种类主要成分特点应用场合无机类陶瓷黏土、生长石、滑石、硼玻璃、硅石等

化学稳定性好、耐酸碱、耐高温，但脆性大、易碎裂

磨削厚度大、轴向力小、速度小于35m/s

金属青铜

强度高、韧性好，但自砺性差

金刚石砂轮

有机类树脂酚醛、环氧

弹性好，但化学稳定性差，不耐酸碱，温度不能超过200℃

磨狭窄的沟槽、切割磨片、热敏材料的磨具

橡胶人造橡胶

弹性好，但化学稳定性差，不耐酸碱，温度不能超过200℃

磨狭窄的沟槽、切割磨片、热敏材料的磨具、导轮、抛光轮。

4.硬度硬度：结合剂对磨料的粘结力。粘结力越大，磨料越不易脱落，砂轮的硬度越高。砂轮自砺性：砂轮上磨粒钝化后，磨削力增大，表层的磨粒自行脱落，里层有锋利边刃的磨料露出，代替磨钝的磨粒参加磨削。砂轮自砺性与砂轮硬度有关:硬度高，磨粒不易脱落，自砺性差；硬度低，磨粒易脱落，自砺性好。砂轮硬度的选择磨削条件

工件硬度

工件种类

加工接触面

磨削种类

砂轮粒度

高低有色金属、橡胶、树脂

淬火钢

大

小精磨、成形磨

粗磨

细粗砂轮硬度软硬软硬软硬硬软软硬5.组织磨料、结合剂、气孔三者比例关系。磨料的比例越大，则砂轮越紧密。砂轮组织选择组织组织号选用紧密类0、1、2、3重压力磨削、成形磨削、精密磨削

中等类

4、5、6、7一般情况下的磨削

疏松类

8、9、10、11、12接触面较大的磨削、热敏材料的磨削、薄壁件磨削、软质材料磨削

6.形状与尺寸

平形、薄片、筒形、碗形、碟形等。同一形状有多种规格的尺寸。§7-2磨削运动和磨削要素磨削运动磨削要素一.磨削运动磨削方法：外圆磨内圆磨平面磨无心磨外圆磨示意图1.砂轮的旋转运动V即磨削速度，主运动v↑,Ra↓，但受砂轮的强度限制，常用30－35m/s2.工件旋转运动Vw又称圆周进给运动，即工件速度vw↑，生产率↑，工件磨削烧伤↓；但vw过大，振动↑，工件Ra↑。3.轴向进给运动fa工件转动一圈，工件和砂轮在砂轮轴线方向的相对移动。根据砂轮宽度B选择。粗磨fa＝(0.3~0.85)B精磨fa＝(0.2~0.3)B4.径向进给运动fr工作台两个行程之间砂轮在半径方向上的相对位移。粗磨fr＝0.01~0.07mm/行程精磨fr＝0.005~0.02mm/行程二.磨削要素单个磨粒的切削厚度acgmax当量磨削厚度aceq

1.单个磨粒切削厚度的计算2.单个磨粒切削厚度公式l-相邻两磨料的圆周距离:l↓（砂轮组织密），acgmax↓Vw-工件转速:Vw↑，acgmax↑，但磨粒的负荷增加，砂轮磨损快。

V-砂轮转速:Vw↑，acgmax↓，可使工件表面质量得到改善。B-砂轮宽度:砂轮宽度↑，同时参与磨削的磨粒个数成比例↑，acgmax↓。

fr-径向进给量:acgmax与fr成正比，fr提高一倍，acgmax只提高41.4%，所有在刚度允许的情况下，采用fr↑，fa↓，可以提高生产率（深磨法）。

fa-轴向进给量:fa↑，同一时间磨去的金属量成比例↑，acgmax↑。do-砂轮直径;do↑，acgmax↓，磨粒的负荷降低，工件表面质量改善。dw-工件直径:dw↓，acgmax↑。3.当量磨削厚度磨粒分布和切削的随机性使得很难以“切削厚度”的概念为基础来研究磨削过程CIRP提出以当量磨削厚度的概念作为研究磨削过程的基本参数当量磨削厚度的概念单位宽度的砂轮切除的金属量，沿着砂轮速度方向铺成一条宽度相同，长度为l的假想金属带，金属带的厚度就是aceq。单位时间砂轮切除的金属体积Zw当量磨削厚度的意义aceq与磨削力，表面粗糙度和金属去除率有着良好的线性关系Aceq不能反应与砂轮有关的参数，与磨削温度没有明显的线性关系§7-3磨削原理砂轮的几何特性切屑的形成过程磨削力与磨削过程

磨削热与磨削温度一.砂轮的几何特性1.砂轮的几何特征磨粒在砂轮的圆周方向、半径方向均随机分布；实际参与磨削的有效切削刃数量随磨削工艺变化磨粒形状不规则，以八面菱形为最多2.磨粒的特点刀尖角为90～120°，负前角；切削刃为空间曲线，前刀面为空间曲面，且形状不规则；磨粒的切削刃有几个到几十个微米的圆角；经过修整，磨粒上会出现微刃。二.切屑的形成过程磨削的切削厚度很薄，为0.005-0.05mm过程分为滑擦，刻划，切削三个阶段1.切屑形成过程的三个阶段划擦阶段磨粒挤压工件，产生弹性变形刻划阶段磨粒前方和两侧金属产生塑性变形而隆起，切削阶段磨粒前方金属层的厚度达到临界值，金属滑移成为切屑。2.磨屑的形状三.磨削力与磨削过程的三个阶段1.磨削力的特征产生：工件弹性变形和塑性变形的阻力；磨粒与切屑、磨粒与工件之间的摩擦力特点：摩擦力所占比例大；径向分力Fy大于切向分力Fz，Fz大于轴向分力Fx。材料的塑性越小，Fy/Fz就越大。2.磨削的三个阶段由于磨削时径向分力Fy很大，在磨削过程中工件在半径方向的变形很大，同时磨削的深度fr很小，在磨削过程中fr会发生变化：fr实<fr名；fr实≈fr名；fr实>0，fr名＝0三种情况。fr实实际磨削深度；fr名名义径向进给量

fr名粗磨阶段tm1

光磨阶段tm3稳定阶段tm2

frfr实<fr名

fr实≈fr名

fr实>0fr名＝0

粗磨阶段tm1：fr实<fr名，原因是工艺系统由于磨削力产生让刀。随着进给次数↑，工艺系统弹性变形↑，变形抗力↑，实际磨削深度fr实↑。稳定阶段tm2：fr实≈fr名，当变形抗力和径向磨削分力Fy相等时，工艺系统的弹性变形量稳定，fr实≈fr名。光磨阶段tm3：fr实>0，fr名＝0。机床的径向进给停止，fr名＝0，仍然有火花，因为工艺系统弹性恢复，实际磨削深度逐渐减小，工件的精度↑，表面粗糙度↓