第三章金属切削过程的基本规律.ppt

1、第三章 金属切削过程的基本规律,主要内容 一、切削变形与切屑形成过程 二、切削力 三、切削热与切削温度 四、刀具磨损与刀具寿命,第三章 金属切削过程的基本规律,研究金属 切削过程 的意义,金属切削加工中各种物理现象,生产实践中 出现的许多问题,都同切削过程有关,难加工材料的应用愈来愈多，对零件的质 量要求亦不断提高,研究金属 切削过程 的方法,高频摄影法,侧面方格变形观察法,快速落刀法,扫描电镜显微观察法,光弹性、光塑性试验法,其他试验方法,第一节 切削变形与切屑形成,一、变形区的划分 以塑性材料的切屑 形成为例，金属切削区 可大致划分为： 三个变形区 第一变形区 第二变形区 第三变形区,二、

2、金属在切削过程中的变形,1第一变形区内金属的剪切变形,OA始滑移线 OM终滑移线,变形的主要特征： 剪切滑移变形 加工硬化,一般速度范围内第一区 宽度为0.020.2mm， 速度越高，宽度越小， 可看作一个剪切平面,金属晶体沿滑移线的剪切变形,剪切面剪切角,2第二变形区内金属的挤压变形,切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩 擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。,切削变形金相显微照片,3第三变形区内金属的挤压摩擦回弹,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和 摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。,三、切屑类型,从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态：,带状切屑,节

3、状切屑 （挤裂切屑）,粒状切屑 (单元切屑),崩碎切屑,1带状切屑 切削层经塑性变形后被刀具切离，其外形呈延绵不断的带状，并沿刀具前面流出。,2节状切屑 （挤裂切屑） 切削层在塑性变形过程中，剪切面上局部位置处切应力达到材料强度极限而产生局部断裂，使切屑顶面开裂形成节状。,3粒状切屑 (单元切屑) 在剪切面上产生的切应力超过材料强度极限，形成的切屑被剪切断裂成颗粒状。,4崩碎切屑 在切削铸铁类脆性金属时，切屑层未经塑性变形，在材料组织中的石墨与铁素体之间疏松界面上产生不规则断裂，而形成崩碎切屑。,四、变形程度的表示方法 1、切削厚度压缩比h ：切屑厚度与切削层厚度的比值。切屑厚度与切削层厚度的

4、比值。,（3-2）,2、剪切角 ：剪切面与切削速度方向之间的夹角。,（3-3）,3. 相对滑移：滑移距离s与单元厚度y之比。 =s/ y =NP/MK =(NK+KP)/MK =ctg + tan( -0）,五、前面上摩擦特点,切塑性金属时前刀面上应力 分布情况 刀-屑接触区可分两部分： 粘接区lf1: 剪切滑移，内摩擦 滑动区lf2: 滑动摩擦，外摩擦 一般内摩擦力约占总摩擦力的85%,(3-4),滞流层：接近前刀面的切屑 底层晶粒拉长，形成与前刀 面平行的纤维层，流速很慢，变形程度非常剧烈。,六、积屑瘤,在速度不高切削塑性金属形成 带状切屑的情况下，滞流层金 属粘接在前刀面上，形成硬度 很

5、高的硬块，称为积屑瘤。,积屑瘤对切削过程的影响： 1. 代替刀具切削，保护刀具 2. 增大前角，减小变形和力 3. 产生过切及犁沟，精度 4. 增大已加工表面粗糙度,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,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,积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：,1)采用低速或高速切削。 2)减小进给量、增大刀具前角、提高刀具刃磨质量 和合理选用切削液，使摩擦和粘结减少，可达到抑 制积屑瘤的作用。 3)合理调整各切削参数值，以防止形成中温区域。,七、已加工表面变形和加工硬化,刀刃钝圆半径 rn 弹性

6、恢复区CD,变形特征： 挤压、摩擦与回弹,金属进入第一变形区 时，晶粒因压缩而变长， 因剪切滑移而倾斜。 金属层接近刀刃时，晶粒更为伸长，成为包围在刀刃周围的纤维层，最后在O点断裂。,已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于 已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产生 加工硬化，表面残余应力，称之为加工变质层。,经过严重塑性变形而使表 面层硬度增高的现象称为 加工硬化亦称冷硬。,硬化程度的指标: 加工硬化程度N 硬化层深度hD,H1是已加工表面显微硬度， H是金属材料基体显微硬度,减轻硬化程度的措施： 1)磨出锋利的切削刃 2)增大前角或后角 3)减小背吃刀量ap 4)

7、合理选用切削液,八、影响切削变形的主要因素 1加工材料 强度 、硬度 刀-屑面间正压力 、平均正 应力av 则由：,(3-4),（3-3）,（3-2）,2前角o 前角o增大，楔角o减小，切削刃钝圆弧半径rn减小，切屑流出阻力小，使摩擦系数减小，剪切角增大，故切削变形减小。,3切削速度vc 切削速度是通过切削温度和积屑瘤影响切削变形的。,4进给量f 当进给量增大时，切屑厚度hD与切屑厚度hch增加，使前面上正压力Frn增大，使平均正应力av增大，因此，摩擦系数减小和切屑厚度压缩比h 减小。,第二节 切削力,一、切削力来源、合力及其分力 1、来源,2、合力 两者作用在刀具上的合力为F,3、分力,切

8、削力Fc(主切削力Fz)在主运动方向上的分力； 背向力Fp(切深抗力Fy)在垂直于假定工作平面上分力； 进给力Ff(进给抗力Fx)在进给运动方向上的分力。,（3-5）,二、各分力的作用 1、切削分力的作用-切削力Fc（主切削力Fz） 它是设计机床主轴、齿轮和计算主运动功率的主要依据，也 是用于选用刀杆、刀片尺寸、设计夹具和选择切削用量的重 要依据。使车刀产生弯矩，也是计算切削功率的依据,2、切削分力的作用-背向力Fp（切深抗力Fy） Fp使工件产生弯曲，是影响加工工件精度，引起切削振动的主 要原因，是计算系统刚度的依据。,3、切削分力的作用-进给力Ff(进给抗力Fx) Ff作用在机床进给机构上

9、，是计算和检验进给机构薄弱环节 零件强度的主要依据。,三、切削力的实验公式 1切削力的测定原理及种类 (1)电阻应变片式测力仪,(2)压电晶体测力仪,2切削力实验公式,Fc,Fp、Ff各切削分力，单位为N； CFz、CFp、CFf公式中系数，根据加工条件由实验确定； xF、yF、nF表示各因素对切削力的影响程度指数； KFc、KFp、KFf不同加工条件对各切削分力的影响修正系数。,(3-6),3单位切削力 单位切削力是切削单位切削层面积所产生的作用力。,(3-7),(3-8),4切削功率 主运动消耗的切削功率Pc(单位为kW)应为：,Fc切削力，单位为N； vc切削速度，单位为m/min。 P

10、c切削功率，单位为kW。,四、影响切削力的因素,（一）切削用量的影响 1背吃刀量ap与进给量f apAc成正比， kc不变， ap的 指数约等于1，因而 切削力成正比增加 fAc成正比，但 kc略减小， f 的 指数小于1，因而 切削力增加但与f 不成正比,如果从切削力和切削功率来考虑， 加大进给量比加大切削深度有利。,1) 在积屑瘤增长阶段 随v 积屑瘤高度 变形程度，F ,2) 在积屑瘤减小阶段 v 变形程度，F ,3) 在无积屑瘤阶段 随v ， F , v中速后，温度升高，摩擦系数变形程度 F ,2切削速度vc,速度v 对F 的影响在无积屑瘤 阶段，v 变形程度 切削力减小,（二）工件材

11、料的影响（系数CF 或单位切削力kc体现） 工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。,加工脆性金属时，因变形和摩擦均较小，故切削速度对 切削力影响不大。,(三)刀具几何参数影响,1. 前角0 加工塑性材料时，0 变形程度F,加工脆性材料时，切削变形很小， 0对 F 影响不显著 0 300对 F 影响不显著,2. 主偏角r的影响 （1）r对Fc影响较小， 影响程度不超过10% r在6070之 间时，Fc最小。,（2）r对Fp、 Ff影响较大 Fp FD cosr Ff FD sinr Fp随r 增大而减小， Ff随r 增大而增大,(四)其它因素影响 1. 刃倾角s的影响 （1）s对Fc

12、影响很小,（2） s对Fp、 Ff影响较大 Fp随s增大而减小， Ff随s增大而增大,2.刀尖圆弧半径r的影响,（1）r对Fc影响很小 （2）Fp随 r增大而增大 Ff随 r增大而减小,r增大相当于r减小的影响,3刀具磨损 刀具的切削刃及后刀面产生磨损后，会使切削时摩擦和挤压加剧，故使切削力Fc和Fp增大。 4切削液 切削液润滑作用越好，力减小越显著，低速时更突出。 5刀具材料 各种刀具材料对切削力的影响，是通过刀具材料与工件之间的亲和力、摩擦力和磨损等因素决定的。按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序，切削力依次增大。,第三节 切削热与切削温度 一、切削热的来源与传散,切削层金属 发

13、生弹性变形 和塑性变形,切屑与前 刀面、工件与 后刀面间消耗 的摩擦功,1、来源,（3-10）,2、 切削热的传出,Q切削热,Q屑占5086、Q刀占1040、 Q工占39、Q介占l,二、切削温度测定原理与切削温度分布 （一）切削温度测定原理 1自然热电偶法 2、人工热电偶法,(二)切削温度分布,1)刀-屑接触面间摩擦大， 热量不易传散，故温度值 最高,温度分布规律,2)切削区域的最高温度点在前面上近切削刃处，在离切削刃1mm处的最高温度约900，因为在该处热量集中，压力高。在后面上离切削刃约0.3mm处的最高温度为700； 3)切屑带走热量最多，切屑上平均温度高于刀具和工件上的平均温度，因切屑

14、剪切面上塑性变形严重，其上各点剪切变形功大致相同。各点温度值也较接近。工件切削层中最高温度在近切削刃处，它的平均温度较刀具上最高温度点低23倍。,三、影响切削温度的因素 1切削用量 1）切削速度,切削速度,切削温度,增加最显 著，但不 成正比的 增加,2）进给量,进给量的增大 ，切削温度上升，但切削温度 随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那 样显著。,3）切削深度,虽然随着切削深度的增加，切削温度也有所 增加，但是切削深度ap对切削温度的影响很 小 。,影响程度规律是： vc增加1倍，切削温度约增32； 进给量增加1倍，切削温度增加18； 背吃刀量增加1倍，切削温度增加7。,2工件材料,强度

15、硬度、塑性和韧性越大， 切削力越大，切削温度升高。 导热率大，散热快，温度下降,3刀具几何参数 1）前角o 的影响,o 变形程度 摩擦热 但o 20时，因散 热面积，对的影响 减小,2） 主偏角r的影响,r ， 切削刃工作长度 刀尖角减小， 散热面积 ,3）刀尖圆弧半径、负倒棱的影响,r 、 b 切屑变形程度切削热 同时散热条件改善，两者趋于平衡，对影响很小,4切削液,浇切削液对切削温度刀具磨损 加工质量有明显效果。热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著,切削热录象临时放置位,第四节 刀具磨损与刀具寿命 一、刀具磨损 (一)刀具磨损形式,磨损 （正常工作时逐 渐产生的损耗） 破损

16、（突发的破坏， 随机的）,1正常磨损 (1)前面磨损,切塑性材料，切削速度 和切削厚度较大时， 在前刀面上 形成月牙洼磨损， 以最大深度KT 表示 (2)主后面磨损 切铸铁或切削速度 和切削厚度较小切塑性材料时，主要 发生这种磨损,而不产生月牙洼磨损。 后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为 VC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示； 边界处磨损严重，以VN表示。,(3)副后面磨损 在切削过程中因副后角o及副偏角r过 小，致使副后面受到严重摩擦而产生磨损。 2非正常磨损（破损） (1)沟槽磨损,因刀具材料耐磨性 不够，或加工材料 表面有硬质点摩擦 等所致。,(2)切削刃细小缺口

17、 (3)塑性变形,是由于刀片硬度 高、脆性增大、切 削刃锋利使强度变 差、断续切削或切 屑碰坏造成的。,切削温度过高和 切削压力过大，刀头 强度和硬度降低。尤 其在高速钢刀具上较 易出现。,(4)切削刃崩裂 在切削刃和前 刀面上受较大 冲击力作用、 背吃刀量 ap 和 进给量 f 过大使 切削力增大， 中间切人使主、副切削刃均受切削力作用，刀具 前角大和强度低等情况,(5)切削刃剥落 (6)热裂,常发生在硬度高、脆性 大的陶瓷刀具上。并在压力 和摩擦力较大情况下易产生。,由热循环使材料疲劳， 或因间断切削和切削液浇注 不均匀使切削温度骤变，易 引起前、后刀面上出现细微 裂纹。,(二)磨损过程和

18、磨损标准(磨损判据) 1磨损过程曲线,1） 初期磨损阶段 与刀具刃磨质量有关 2）正常磨损阶段 VB与切削时间近似正比 斜率表示磨损强度 3） 急剧磨损阶段 切削力、温度急升，刀 具磨损加剧，之前换刀,2磨损标准 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。,正常磨损,VB=0.3mm,后面：,前面：,KT=(0.06+0.3f )mm,(三)刀具磨损原因 切削过程中的刀具磨损具有下列特点： (1)刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。 (2)接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。 (3)接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达8001000，对于高速钢刀具可达

19、800600。,1磨粒磨损（磨料磨损）,切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对 刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因,2相变磨损 刀具在较高速度切削时，由于切削温度升高，使刀具材料产生相变，硬度降低，若继续切削，会引起前面塌陷和切削刃卷曲的“塑性变形”,3粘结磨损 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。,在高速钢刀具的正常工作速度和硬质合金刀具 偏低的工作速度下比较严重,4扩散磨损 扩散磨损是在高温作用下，使工件与刀具材料中合金元素相互扩散置换造成的。

20、,切削温度越高扩散越快；刀体材料亲合力越大扩散越快； 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,5氧化磨损 一定温度下，刀材与空气中的氧起化学作用，生成较软的氧化物，造成刀具磨损。,氧化磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削 条件下。,二、刀具寿命 (一)刀具寿命概念 刀具寿命T定义为刀具磨损达到规定标准时的总切削时问(单位为min)。,达到正常磨损VB=0.3mm,刀具寿命：,在规定加工条件下，按质完成额定工作数量 的可靠性寿命,为保持工件尺寸精度，通常用达到该尺寸精 度的工件数量来表示的寿命,达到规定承受冲击次数的疲劳寿命,(二)影响刀具寿命的因素 1切削速度vc 切削速度vc，切削温度，磨损，刀具寿命T。,mvc对T的 影响程度指数,（3-11）