第3章 切削原理.ppt

1、1,第3章 切削原理,本章要点,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,2,什么是金属切削过程？ 指切屑和已加工表面的形成过程，即切削时被切屑的金属层在刀具的挤压和摩擦作用下产生变形，最后使之成为切屑与工件分离而获得已加工表面的过程。 金属切削过程中会产生什么现象？ 切削变形、切屑、切削力、切削热、切削温度、刀具磨损、已加工表面硬化、残余应力、震动、积屑瘤等,3,第3章 切削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,3.1 切屑的形成过程 Process of Chip Forming,4,

2、3.1.1 金属切削过程的变形,没有副刃参加切削，且s = 0。,5,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45,偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移,切削：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,图3-2 金属挤压与切削比较,3.1.1 金属切削过程的变形,6,图3-3 切屑根部金相照片,3.1.1 金属切削过程的变形,7,切削变形过程示意图

3、,工 件,刀 具,8,3.1.1 金属切削过程的变形,图3-4 切削变形实验设备与录像装置,9,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。,3.1.1 金属切削过程的变形,10,3.1.2 切屑类型与变形系数,11,3.1.2 切屑类型与变形系数,图3-6 切屑形态照片,12,3.1.2 切屑类型与变形系数,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。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附

4、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,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）,13,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。,3.1.2 切屑类型与变形系数, 厚度变形系数,（3-1）, 长度变形系数,（3-2）,14,3.1.2 切屑类型与变形系数,当0 = 030，h 1.5时， h与相近 主要反映第变形区的变形，h还包含了第变形区的影响。,（3-3）,15,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

5、摩擦属于内摩擦。,3.1.3 切屑与前刀面的摩擦变形,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。,16,3.1.4 已加工表面的变形,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。,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。,17,3.1.5 硬脆非金属材料切屑形成机理,GGC （3-4）,

6、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：,18,3.1.5 硬脆非金属材料切屑形成机理, 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13）,19,3.1.6 磨削机理, 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）,20,3.1.6 磨削机理, 弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件 塑性

7、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 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,21,第3章 切削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,3.2 切削力 Cutting Force,22,3.2.1 切削力的来源与分解,切削力来源, 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力,23,3.2.2 切削力经验公式,切削力经验公式,（3-6）,式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数；

8、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。,24,3.2.2 切削力经验公式,（3-7）,式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。,（3-8）,25,3.2.2 切削力经验公式,机床电机功率,式中 机床传动效率，通常= 0.750.85,（3-10）,（3-9）,指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率,26,3.2.3 影响切削力因素,工件材料,切削深度与切削力近似成正比； 进给量增加，切削力增

9、加，但不成正比； 切削速度对切削力影响复杂（图3-16）,27,4.2.3 影响切削力因素, 前角0 增大，切削力减小（图3-17）, 主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff，图3-18）,刀具几何角度影响,28,4.2.3 影响切削力因素,刀具几何角度影响, 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fp，Ff） 刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff） ；, 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损

10、：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著 ；,29,第3章 切削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,30,3.3.1 切削热的来源与传出,切削热来源, 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热,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, 主要来源 QA=QD+QFF+QFR （3-12）,（3-11）,式中，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,31,3.3.2 切削温度及分布,TJ University,切削温度分布, 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。

11、,32,3.3.3 影响切削温度的因素,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,（3-12）,33,3.3.3 影响切削温度的因素,刀具几何参数的影响,前角o切削温度 主偏角r切削温度 负倒棱及刀尖圆弧半径 对切削温度影响很小,工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度 工件材料导热性 切削温度,刀具磨损的影响,冷却液的影响,34,3.3.3 切削温度的测量,自然热电偶法,工件和刀具材料不同，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

12、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。, 用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（图3-22）。, 可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。,35,3.3.4 磨削热与磨削温度,磨削热, 磨削区温度 砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。 磨粒磨削点温度 磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。 工件平均温度 磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。,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

13、分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。,36,第3章 切削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,37,3.4.1 积屑瘤,积屑瘤成因, 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,38,3.4.2 残余应力,残余应力概念,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。, 残余张应力： 易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度 残余压应力： 有利于提高零件疲劳强度 残余应力分布不均： 会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度,39,3.4.2 残余应力, 热塑变形效应

14、：表层张应力，里层压应力 里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力 表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力 实际应力状态是上述各因素影响的综合结果,残余应力产生原因, 控制切削过程：尽可能减小残余应力 时效处理：最大限度减小残余应力 残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法,40,3.4.3 加工硬化,加工硬化概念,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、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化, 硬化程度,（3-13）,式中 H 硬化层显

15、微硬度（HV）； H0 基体层显微硬度（HV）。, 硬化层深度,指硬化层深入基体的距离hd（m）,41,3.4.3 加工硬化, 减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等 减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等 进行适当的热处理,42,第3章 切削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,43,3.5.1 刀具磨损,刀具磨损形态, 正常磨损,前刀面磨损,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,后刀面磨损,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,

16、 切削温度, 产生振动，降低加工质量,前、后刀面磨损,44,3.5.1 刀具磨损, 非正常磨损,破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）,45, 磨粒磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊） 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速,粘结磨损加剧, 扩散磨损 高温下发生 氧化磨损 高温情况下，在切削刃工作边界发生,3.5.1 刀具磨损,刀具磨损原因,46,3.5.2 刀具寿命,刀具寿命（耐用度）概念, 刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T 表示。 刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。,

17、（3-14）,式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数 。,（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：,47,3.5.2 刀具寿命,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,48,3.5.3 刀具寿命确定,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：,使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：,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：,（3-16）,（3-17）,又：,49,（3-18）,

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寿命。仍以车削为例，工序成本为：,（3-19）,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为（图3-28）,3.5.3 刀具寿命确定,50,规定刀具切削时间，离线检测,3.5.4 刀具磨损、破损检测与监控,通过切削力（切削功率）变化幅值，判断刀具的磨损程度；当切削力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”,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

19、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,51,3.5.4 刀具磨损、破损检测与监控,52,第3章 切削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,53,3.6.1 选择切削用量的传统方法,1. 确定切削深度 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 f, 粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表） 精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）,3. 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

20、(仅对粗加工),（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：,54,优化问题的数学模型,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）,3.6.2 切削用量的优化, 设计变量：切削过程可以控制的输入变量，即切削用量。ap通常已由工艺过程确定，故一般取 v 和 f 为设计变量。 目标函数：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。,1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短,55,2）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

21、为优化目标使单位成本金属去除率最大,3.6.2 切削用量的优化,56, 约束条件：指设计变量的取值范围,1）机床结构参数限制,2）加工表面粗糙度限制,（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,（3-26）,式中各符号含义同前。,3.6.2 切削用量的优化,57,3.6.3 切削用量优化方法,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。,（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：,58, 寻优过程示意图（采用田川法 + 局部寻优）,3.6.3 切削用量优化方法,59,第3章 切削原

22、理 Cutting Theory,机械制造技术基础,60,1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。 Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。,尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。 以主轴

23、转速界定：高速加工的主轴转速10000 r/min。,3.7.1 高速加工概述,高速加工定义,61,3.7.1 高速加工概述,62,高速加工的切削速度范围,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-32,车削： 700-7000 m/min 铣削： 300-6000 m/min 钻削： 200-1100 m/min 磨削： 50-300 m/s,高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同,3.7.1 高速加工概述,63,加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细

24、长件 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件 加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量 工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义,高速加工的特点,3.7.1 高速加工概述,64,航空航天： 带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。 镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min 汽车工

25、业：,高速加工的应用,3.7.1 高速加工概述,65,3.7.1 高速加工概述,66,3.7.1 高速加工概述,67,3.7.1 高速加工概述,68,高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。 与高速加工密切相关的技术主要有： 高速加工刀具与磨具制造技术； 高速主轴单元制造技术； 高速进给单元制造技术； 高速加工在线检测与控制技术； 其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。 此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。,3.7.1 高速加工概述,69,3.7.2 高速加工刀具,70,金刚石与CBN

26、晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方式以10928键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。,3.7.2 高速加工刀具,71,天然金刚石,天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。 天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。 天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。 天然金刚石耐热性为700-800，高于此温度，碳原子转化

27、为石墨结构，硬度丧失。 天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。,3.7.2 高速加工刀具,72,聚晶金刚石,人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。 在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。 聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000 。 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。 用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。 金刚石刀具不适于加工铁族材料

28、，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。,3.7.2 高速加工刀具,73,聚晶金刚石应用实例,3.7.2 高速加工刀具,74,较高的硬度和耐磨性： CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。, PCBN切削性能,聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 1970年问世,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-

29、37）,3.7.2 高速加工刀具,75,良好的化学稳定性 1200-1300与铁系材料不发生化学反应；2000 才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。 良好的导热性 CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。 较低的摩擦系数 CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。,3.7.2 高速加工

30、刀具,76,加工HRC45以上的硬质材料 例如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。, PCBN刀具应用,金属软化效应 用PCBN切削淬硬钢，工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图3-38），金属软化，硬度下降，加工易于进行。,3.7.2 高速加工刀具,77, PCBN刀具应用实例,3.7.2 高速加工刀具,78,3.7.3 高速加工机床,陶瓷轴承高速主轴结构,79,采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似； 采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4； 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： 陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力； 陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度； 陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失； 陶瓷耐磨性好