机械制造技术基础-3切削与磨削原理-2014-04-30.ppt
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1、1,第3章 切削原理,本章要点,切屑过程,切削力,切削热与切削温度,刀具磨损与刀具寿命,金属切削条件的合理选择,磨削原理,高速切削与磨削,2,机械制造技术基础,3.1 切屑过程 Process of Chip Forming,第3章 切削与磨削原理 Cutting Theory,3,3.1.1 切削的形成过程,没有副刃参加切削,且s = 0。,4,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:
2、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 切削的形成过程,5,图3-3 切屑根部金相照片,3.1.1 切削的形成过程,6,3.1.1 切削的形成过程,图3-4 切削变形实验设备与录像装置,7,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 切削的形成过程,8,切削层经塑性变形后,
3、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 切屑变形程度的表示方法, 厚度变形系数,(3-1), 长度变形系数,(3-2),9,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),3.1.2 切屑变形程度的表示方法,10,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(积屑瘤),3.1.3 前刀面上刀-削的摩擦与积屑瘤,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
4、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。,11,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,3.1.3 前刀面上刀-削的摩擦与积屑瘤,12,3.1.4 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。
5、,13,3.1.5 切屑类型与切屑控制,14,带状切屑,挤裂切屑,节状切屑,崩碎切屑,图3-6 切屑形态照片,3.1.5 切屑类型与切屑控制,15,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),3.1.5 切屑类型与切屑控制,16,3.1.6 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),17,机械制造技术基础,3.2 切削力 Cutting Force,第3章 切削与
6、磨削原理 Cutting Theory,18,3.2.1 切削力的产生与分解,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,19,3.2.2 切削力与切削功率的计算,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; 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; zFc , zFp , zFf 切削速度Vc 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。,20,(3-7),式中
7、Fc 主切削力(N); v 主运动速度(m/s)。,(3-8),3.2.2 切削力与切削功率的计算,21,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,3.2.2 切削力与切削功率的计算,22,3.2.3 影响切削力的因素,工件材料,切削深度与切削力近似成正比; 进给量增加,切削力增加,但不成正比; 切削速度对切削力影响复杂(图3-16),23,3.2.3 影响切削力的因素, 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)
8、,刀具几何角度影响,24,3.2.3 影响切削力的因素,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:使切削力增大,对吃刀抗力Fp的影响最为显著 ;,25,第3章 切削与磨削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,26,3.3.1 切削热的产生与传出,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
9、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,27,3.3.2 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。,28,3.3.3 影响切削温度的主要因素,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
10、式,(3-12),29,刀具几何参数的影响,前角o切削温度 主偏角r切削温度 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,切削液的影响,3.3.3 影响切削温度的主要因素,30,第3章 切削与磨削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,31,3.4.1 刀具的磨损形式,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;,边界磨损
11、,32, 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 化学磨损 高温情况下,在切削刃工作边界发生,3.4.2 刀具磨损的原因,刀具磨损原因,33,3.4.3 刀具的磨损过程及磨顿标准, 非正常磨损,破损(裂纹、崩刃、破碎等),卷刃(刀刃塑性变形),34,3.4.4 刀具使用寿命及其与切削用量的关系,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。,(3-
12、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:,35,不同刀具材料寿命(耐用度)比较,3.4.4 刀具使用寿命及其与切削用量的关系,刀具的破损 在切削加工中,刀具有时没有经过正常磨损阶段,而在很短时间内突然损坏,这种情况称为刀具破损。破损也是刀具损坏的主要形式之一。 破损是相对于磨损而言的。,刀具的破损形式分为脆性破损和塑性破损。,3.4.5 刀具的破损,1脆性破损 硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时,在机械应力和热应力冲击作用下,经常发生以下几种形态的破
13、损: (1)崩刃 切削刃产生小的缺口。在继续切削中,缺口会不断扩大,导致更大的破损。用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断续切削时,常发生这种破损。,3.4.5 刀具的破损,1脆性破损 (2)碎断 切削刃发生小块碎裂或大块断裂,不能继续进行切削。用硬质合金刀具和陶瓷刀具作断续切削时,常发生这种破损。 (3)剥落 在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片,经常与切削刃一起剥落,有时也在离切削刃一小段距离处剥落陶瓷刀具端铣时常发生这种破损。 (4)裂纹破损 长时间进行断续切削后,因疲劳而引起裂纹的一种破损。热冲击和机械冲击均会引发裂纹,裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂。,3.4.5 刀具的破损,2塑
14、性破损 在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件接触面上,由于过高的温度和压力的作用,刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力,这就是刀具的塑性破损。 抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。硬质合金和陶瓷的耐热性好,一般不易发生这种破损。相比之下,高速钢耐热性较差,较易发生塑性破损。,3.4.5 刀具的破损,可采取以下相应措施防止刀具破损:,(2)合理选择刀具几何参数 通过选择合适的几何参数,使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃的有效措施。,(1)合理选择刀具材料 用作断续切削的刀具,刀具材料应具有一定的韧性。,(3)保证刀具的刃磨质量 切削刃应平直光滑,不得有缺口,刃日
15、与刀尖部位不允许烧伤。,(4)合理选择切削用量 防止出现切削力过大和切削温度过高的情况。,(5)工艺系统应有较好的刚性 防止因为振动而损坏刀具。,3.4.5 刀具的破损,41,规定刀具切削时间,离线检测,3.4.6 刀具磨损、破损的检测与监控,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
16、几倍,42,3.4.6 刀具磨损、破损的检测与监控,43,第3章 切削原理 Cutting Theory,机械制造技术基础,44,金属切削条件合理选择,主要是根据工件的材料和要求选择合理的刀具材料、刀具几何参数、切削用量和切削液,以保证加工精度和表面质量,提高切削生产率,降低生产成本。,3.5.1 工件材料的切削加工性,工件材料的切削加工性:是指工件材料被切削成合格零件的难易程度。其研究的目的是为了寻找改善材料切削加工性的途径。,45,衡量工件材料加工性的主要指标,工件材料切削加工性的好坏,可以用下列的一个或几个指标衡量。主要指标包括:刀具耐用度T、材料的相对切削加工性、切削力、切削温度、已加
17、工表面质量、切屑控制和断屑难易程度。,3.5.1 工件材料的切削加工性,46,影响工件切削加工性的因素,(1)金属材料的物理机械性能的影响,材料的硬度高,切削时刀屑接触长度小,切削力和切削热集中在刀刃附近,刀具易磨损,刀具耐用度低,所以切削加工性差。材料的强度高,切削时切削力大,切削温度高,刀具易磨损,切削加工性差。 材料的塑性大,切削中塑性变形和摩擦大,故切削力大,切削温度高,刀具容易磨损,切削加工性差。 材料的热导率通过对切削温度的影响而影响材料的加工性,热导率大的材料,由切屑带走和工件传出的热量多,有利于降低切削温度,使刀具磨损率减小,故切削加工性好。,3.5.1 工件材料的切削加工性,
18、47,(2)金属材料化学成分的影响,材料的化学成分影响其切削加工性,如钢中碳成分影响钢的机械性能而影响其切削加工性,此外,钢中的其他合金元素Cr、Ni、Mo、W、Mn等虽能提高钢的强度和硬度,但却使钢的切削加工性降低,在钢中添加少量的S、P、Pb等,能改善钢的切削加工性。不同元素对结构钢切削加工性的影响如右图所示。,3.5.1 工件材料的切削加工性,48,(3)金属材料热处理和金相组织的影响,金属材料采用不同的热处理,就有不同的金相组织和力学性能,其切削加工性也就不同。 低碳钢中含的铁素体组织多,其塑性和韧性高,切削时与刀具粘结容易产生积屑瘤,影响已加工表面质量,故切削加工性差。 中碳钢的金相
19、组织是珠光体和铁素体,材料具有中等强度、硬度和中等塑性,切削时刀具不易磨损,也容易获得高的表面质量,故切削加工性好。 淬火钢中的金相组织主要是马氏体,材料的强度硬度都很高,马氏体在钢中呈针状分布,切削时刀具受到剧烈磨损,故切削加工性较差。 灰铸铁中,含有较多的片状石墨,硬度很低,切削时,石墨还能起到润滑的作用,使切削力减小。 冷硬铸铁中表层材料的金相组织多为渗碳体,具有很高的硬度,很难切削。,3.5.1 工件材料的切削加工性,49,(1)调整化学成分 在不影响工件材料性能的条件下,适当调整化学成分,以改善其加工性。如在钢中加入少量的硫、硒、铅、磷等,虽略降低钢的强度,但也同时降低钢的塑性,对加
20、工性有利。 (2)材料加工前进行合适的热处理 如低碳钢通过正火处理后,细化晶粒,硬度提高,塑性降低,有利于减小刀具的粘结磨损,减小积屑瘤,改善工件表面粗糙度; 高碳钢球化退火后,硬度下降,可减小刀具磨损;,改善材料切削加工性的措施,3.5.1 工件材料的切削加工性,50,不锈钢以调质到HRC28为宜,硬度过低,塑性大,工件表面粗糙度差,硬度高则刀具易磨损;白口铸铁可在9501000 C范围内长时间退火而成可锻铸铁,切削就较容易。 (3)选加工性好的材料状态 低碳钢经冷拉后,塑性大为下降,加工性好;锻造的坯件余量不均,且有硬皮,加工性很差,改为热轧后加工性得以改善。 (4)其它 采用合适的刀具材
21、料,选择合理的刀具几何参数,合理地制订切削用量与选用切削液等。,3.5.1 工件材料的切削加工性,改善材料切削加工性的措施,51,刀具合理几何参数是在保证加工质量的前提下,能使刀具寿命长、生产效率高、加工成本低的几何参数称刀具合理几何参数。 刀具几何参数包括刀具角度、刃形、刃区剖面型式和刀面型式等。,3.5.2 刀具几何参数的合理选择,52,工件材料的强度、硬度低时,可以取较大的甚至很大的前角;工件材料的强度、硬度高时,应取较小的前角;加工特别硬的工件(如淬硬钢)时,前角应很小甚至取负值。 加工塑性材料时,易加工硬化,应取较大的前角; 加工脆性材料时,应取较小的前角。 粗加工,特别是断续切削,
22、承受冲击性载荷,尤其对有硬皮的铸、锻件粗加工时,为保证刀具有足够的强度,应选择较小的前角。,3.5.2 刀具几何参数的合理选择,(1)前角,增大前角能减小切削变形、切削力,降低切削温度、抑制积屑瘤和鳞刺的生成,改善加工表面质量,但如果前角太大,则降低刀刃强度和散热条件,加剧刀具磨损。根据下列情况选择合理的刀具前角。,53,前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。 前角的选用原则: 在刀具强度许可条件下,尽可能选用大前角。 工件材料的强度、硬度低,前角应选得大些,反之小些(如有色金属加工时,选前角较大); 刀具材料韧性好(如高速钢),前角可选得大些,反之应选得小些(如硬质合金); 精加
23、工时,前角可选得大些。粗加工时应选得小些。,3.5.2 刀具几何参数的合理选择,54,(2)后角,后角的主要功用是减小切削过程中刀具后刀面与工件之间的摩擦。 增大后角能减小后刀面与切削表面之间的摩擦,切削刃钝圆半径rn值越小,切削刃越锋利。后角过大会削弱刀刃的强度和散热能力。,3.5.2 刀具几何参数的合理选择,55,后角的选用原则: 粗加工以确保刀具强度为主,可在4度-6度范围内选取; 精加工以加工表面质量为主,可在o=8度-12度; 工件材料硬度、强度较高时,取较小的后角;工件材质较软、塑性较大或易加工硬化时,取较大的后角;加工脆性材料,切削力集中在刃区附近,宜取较小的后角;但加工特别硬而
24、脆的材料(如铸造碳化钨、淬硬钢等),在采用负前角的情况下,必须加大后角。 工艺系统刚性差,容易出现振动时,应适当减小后角;有尺寸精度要求的刀具,取较小的后角。,3.5.2 刀具几何参数的合理选择,56,(3)主偏角,主偏角r:主偏角的大小影响切削条件(切削宽度和切削厚度的比例)和刀具寿命。 在工艺系统刚性很好时,减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工表面粗糙度,所以r宜取小值;在工件刚性较差时,为避免工件的变形和振动,应选用较大的主偏角。 粗加工和半精加工,硬质合金车刀一般选用较大的主偏角;加工很硬的材料,如冷硬铸铁和淬硬钢,为减轻单位长度切削刃上的负荷,改善刀头导热和容热条件,延长刀具使用寿
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