切削加工理论及其应用.ppt
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1、第一章 切削加工的理论及其应用,1.1 切削变形机理,1.2 切削力,1.3 切削温度,主要内容,1.4刀具磨损和刀具耐用度,1.5 已加工表面质量,1.6 切削加工理论应用,主要要求 1.掌握塑性材料切屑形成的过程及切削方程式的建立;掌握切屑的变形规律及控制技术;会分析切削过程中积屑瘤、鳞刺产生的条件及控制措施。 2.掌握切削力和切削温度的计算机辅助测试原理、方法以及经验公式的建立。 3.掌握刀具材料的性能要求及常用刀具材料的应用场合,了解刀具材料发展的趋势。 4.掌握刀具磨损机理及刀具耐用度的选择原则。 5.能综合分析切削用量三要素对切削力、切削温度、刀具的耐用度的影响。 6.理解工件材料
2、切削加工性的意义,了解常用工程材料的切削加工性。 7.理解已加工表面质量的评定指标以及表面粗糙度、加工硬化、残余应力产生的原因以及对加工表面质量的影响。 8.理解刀具几何参数、切削用量、切削液的选用原则及依据;能根据工件材料的切削加工性和加工条件综合选择刀具材料、刀具几何参数、刀具、切削用量和切削液。,1.1 切屑变形机理,内容提要 1.1.1 切屑形成过程 1.1.2 切削方程 1.1.3 切屑的变形规律及控制 1.1.4 积屑瘤与鳞刺,1.1.1 切屑的形成和变形区的划分,一、切屑的形成 切屑形成实质:金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面挤压下,发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过
3、程(俄.麦基理论)。切屑是工件材料受到刀具前刀面的挤压,发生变形,最终被撕裂下来的。 切削过程理论模型压缩实验:在金属压缩实验中,当金属试件受挤压时,在其内部产生主应力的同时,还将在与作用力大致成45方向的斜截面产生最大切应力,在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。图1-1 切削过程模型:金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块,使金属沿一个最大剪应力方向产生滑移。图1-2,图1-1 塑性金属挤压与切削示意图,图1.2 金属切削过程模型 ()简化模型;()晶粒滑移示意图;(3)滑移与晶粒的伸长,(1),(2),(3),二、变形区的划分及特征 第一变形区(剪切滑移、加工硬化) 始滑移面OA与终
4、滑移面OM之间的变形区称为第一变形区,宽度很窄(约0.020.2mm),故常用OM剪切面亦称滑移面来表示,它与切削速度的夹角称为剪切角。 第二变形区(纤维化、加工硬化) 当切屑沿前面流出时,由于受到前面挤压和摩擦作用,在前面摩擦阻力的作用下,靠近前面的切屑底层金属再次产生剪切变形。使切屑底层薄的一层金属流动滞缓,流动滞缓的一层金属称为滞流层,这一区域又称为第二变形区。 第三变形区(摩擦与加工硬化) 第三变形区也称为刀工接触区,主要是刀具的后刀面与工件的挤压和摩擦,形成已加工表面。,1.3 金属切削过程中的流线与三个变形区示意图,图1-4 第一变形区金属的滑移,1.第一变形区内金属的剪切变形 特
5、征:沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化 解释:从金属晶体结构的角度看,就是晶粒中的原子沿着滑移平面所进行的滑移。,(1)第二变形区内金属的挤压变形 金属切削层经过第一变形区后绝大部分开始成为切屑,切屑沿前刀面流出,由于受刀具前面挤压和摩擦的作用,切屑将继续发生强烈的变形,这个变形区域称为第二变形区,用表示。 特点:(1)靠近刀具前面的切屑底层附近纤维化,切屑流动速度缓慢,甚至滞留在刀具前面上;(2)切屑发生弯曲变形;(3)由摩擦产生的热量使刀屑接触面附近温度升高。 第二变形区的变形直接关系到刀具的磨损,也会影响第一变形区的变形大小。,2.第二变型区的挤压和摩擦,(2)前刀面上的摩擦 冷焊
6、现象:在金属切削的过程中,在一定的切削速度和切削温度范围内,由于切屑与前刀面之间的摩擦,使切屑底部与前刀面发生的粘接现象。因此,切屑与前刀面之间的摩擦既有外摩擦,又有内摩擦,且内摩擦占主导因素。 前刀面平均摩擦系数:,(1-10),工件材料:强度硬度增大,摩擦系数略有减小; 切削厚度:切削厚度增大,摩擦系数略有减小; 切削速度:使得摩擦系数有一个极大值; 刀具前角:在一般切削速度范围内,前角增大,摩擦系数增大。,影响前刀面摩擦系数主要因素,1.1.2 切削方程,(1-1),图1-5 剪切变形示意图,1. 剪切角:剪切滑移面与切削速度方向的夹角,其大小可以作为衡量切削过程情况的标志。,2. 相对
7、滑移(剪应变) S剪切变形层金属的滑移量; y变形层厚度 右图及公式(1-1)主要描述了剪切角与剪应变的关系。,一、切屑变形度量,(1-2),(1-3),(1-4),3. 变形系数,原理:变形系数的概念基于这样的事实:在切削过程中,刀具切下的切屑厚度通常要大于切削层的厚度,而切屑的长度大于切削长度,而变形前后体积不变。,讨论: 剪切角、相对滑移、和变形系数是根据纯剪切理论的观点提出的,它们不能反映全部的金属变形实质; 当 时,对于某一固定的剪切角,相对滑移与变形系数成正比; 当 当 时,不能用变形系数表示变形程度。,(1-5),4. 相对滑移与变形系数的关系,二、切屑力学模型 切屑力模型主要研
8、究切屑与刀具前刀面的相互作用。作用在切屑上的力如图1-6所示。应用力平衡原理可得各个力的方程:,图1-5 作用在切屑上的力,图1-6 作用在切屑上的力与角度的关系(c),剪切角的计算,麦钱特(M. E. Merchant)公式(根据合力最小原理计算剪切角),李和谢弗(Lee and Shaffer)公式(根据主应力方向与最大剪应力方向之间的夹角为45度的原理来计算剪切角),(1-8),(1-9),上述两个公式反映了剪切角、刀具前角,刀屑之间的摩擦三者之间的关系,结合剪切角与变形系数的关系,也反映了三者对切屑变形的影响。,讨论: 前角增大时,剪切角随之增大,变形减小。在保证切削刃强度的情况下,增
9、大刀具的前角对改善切削过程是有利的。 摩擦角增大时,剪切角随之减小,变形增大。在低速切削时,采用切削液以减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。 注意,上述两式在定性上是一致的,都假设: 二维自由直角切削; 工件材质均匀; 单一剪切面; 不计弹性变形; 不计加工硬化和积屑瘤; 用单一的摩擦系数代替复杂的前刀面上的摩擦情况。,1.1.3 切屑的变形规律及控制,(1)工件材料对切屑变形的影响 工件材料强度越大,则变形系数越小,切削变形也越小,工件材料塑性越大,则变形系数越大。 (2)刀具前角对切屑变形的影响 刀具前角越大,则变形系数越小。,1. 切屑变形的变化规律,解释依据,(3)切削用量对切屑变形的影
10、响 切削速度:切削塑性金属材料时,切削速度对切削变形的影响呈波浪形; 进给量:进给量增大,则切削厚度增大,切削变形减小,变形因数减小; 背吃刀量:对切屑变形的影响较小。,解释:,1.工件材料,2.刀具前角,3. 切削速度,4. 切削厚度,2. 切屑的类型及变化 带状切屑:内表光滑,外表毛茸;加工塑性材料,切削厚度较小,切削速度较高,刀具前角较大。 挤裂切屑:外表锯齿,内表裂纹;加工塑性材料,切削厚度较大,切削速度较低,刀具前角较削。 单元切屑:也叫粒状切屑,加工塑性材料。 崩碎切屑:加工脆性材料。,切屑的变化,1-10 切屑的类型,3.切屑的控制 切屑形状 带状屑, C形屑,崩碎屑,宝塔状屑,
11、长紧卷屑,发条状切屑,螺卷屑,图1-11 切屑的各种形状,衡量切屑可控性的主要标准 (1)不妨碍正常的加工(不缠绕工件、刀具,不飞溅到机床运动部件中); (2)不影响操作者的安全; (3)易于存放,清理和搬运。 切屑卷曲和折断 (1)切屑卷曲和折断机理: 切屑沿刀具前面流出的过程中,受到前面的挤压和摩擦而进一步变形,使得切屑底部被挤而伸长,切屑背面相对缩短,切屑就自然会逆时针卷曲。 如果刀具的前角较小,则切屑流出过程中受到的挤压和摩擦变大,切屑就会卷得更紧。切屑卷曲过程中,若切屑中的弯曲应力达到材料的弯曲强度极限,则切屑就会自行折断。,(2)切屑卷曲与折断的机理解释 自由切屑的卷曲机理 由于前
12、刀面和剪切面上对切屑的作用力大小相等,方向相反,但是不共线,因而产生了弯矩,导致切屑卷曲。(刘培德) 受控切屑的卷曲机理 图1-12a为带倒棱的全圆弧形卷屑槽的卷屑机理,图1-12b为直线形卷屑槽的卷屑机理。都采用卷屑槽的方式实现切屑卷曲的控制。 切屑折断的机理 图1-13分别为螺卷屑、发条状屑和C形屑折断的机理,其主要原因是由于切屑环的内侧拉应力大于切屑材料的弯曲应力极限。,图1-12 卷屑机理,(a)全圆弧形卷屑槽半径计算与讨论,(b)直线形卷屑槽的卷屑半径,图1-13 断屑机理,(4)影响切屑卷曲和折断的主要因素 工件材料性能:工件材料的屈服极限、弹性模量越小,塑性越低,越易折断; 切削
13、用量:切削厚度小,背吃刀量大,切削速度高,断屑难; 刀具前角:前角小,变形大,易折。,4. 切屑控制的主要措施 (1)根据不同的加工材料选择不同的几何参数的刀具,来达到预期的切屑的几何形状和流向; (2)通常在前刀面上制造断屑器(台)和卷屑槽的方法使切屑尽快折断; (3)采用适当的刃倾角s,达到满意的切屑流向。,3.积屑瘤,现象:在切削塑性金属材料时,粘接、冷焊并沉积在前刀面切削出的一种硬度极高的金属楔状块。 产生原因:在一定的切削速度范围内,在高压、高温、摩擦的条件下,刀屑处于新鲜的接触状态,加之原子间的亲和力,产生于切屑底层的金属粘接和堆积。 工件材料的塑性; 切削速度; 刀具前角; 冷却
14、润滑条件。,图2-7 积屑瘤,对切削过程的影响: 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大。 积屑瘤可代替前、后面和切削刃进行切削,减少刀具磨损。 积屑瘤前端伸出切削刃外,直接影响加工尺寸精度。 积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。 控制积屑瘤的措施 降低工件材料的塑性 控制切削速度 增大刀具前角 合理使用切削液,思考题1,1.试根据切屑变形模型分析三个变形区的特征及各自可能产生的现象。 2.根据Lee and Shaffer公式,变形系数与剪切角、刀具前角的关系,试分析切削用量三要素对切屑变形的影响。 3.试论述切屑弯曲和折断的机理,并分析控制切屑的措施。,1.2 切削力,1.2.1 切
15、削力的来源、分解及切削功率,一、切削力来源: 加工材料的弹塑性变形抗力(包括剪切力)、切屑与前刀面的摩擦力、工件已加工表面与后刀面的摩擦力。,二、切削力的分解: 切削过程中,刀具施加于工件使工件材料产生变形,并使多余材料变为切屑所需的力称为切削力。为了研究方便,将作用于刀具上的切削合力分解为相互垂直的Fc、Ff、Fp。,Fc切削力,切于过渡表面,与基面垂直。 作用:计算刀具和机床强度,确定机床功率。 Ff进给力,在基面内,与进给方向相反。 作用:用于设计机床进给机构和确定进给功率。 Fp背向力,在基面内,与进给方向垂直。 作用:计算工件挠度和刀具、机床零件的强度。,三、切削功率,1.2.2 切
16、削力的计算机辅助测试及经验公式的建立,一、切削测力仪 1.测力仪的评判指标 (1)精度:最大测力误差与最大测力值之百分比; (2)灵敏度:测力仪所能测到的最小力值与其测力范围的百分比; (3)刚度:测力仪在受切削力时抗变形的能力; (4)测力仪应当满足各向力同时测量,互不干扰。 2.测力仪测量切削力的基本原理 利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形,或作用在压电晶体上产生的电信号经转换后读出各个独立的切削分力。,3. 电阻应变片式测力仪 原理: 将若干电阻应变片紧贴在测力仪的弹性元件的不同受 力位置,分别连成电桥。在切削力的作用下,电阻应变片随着弹性元件发生变形,使电阻应变片的电阻值改
17、变,破坏了电桥的平衡,于是电流表中有与切削力大小相应的电流通过,经电阻应变仪放大后得到电流示数。 特点: 灵敏度高、量程范围大、测量精度高,可用于静动两种状态的测量; 电阻应变片式测力仪八角环形三向车削测力仪。,图1-14 八角环三向车削测力仪,4.压电式测力仪 原理 利用某些材料(石英晶体或压电陶瓷)的压电效应。即在受外力作用下,压电材料的表面产生电荷,电荷的多少与所施的压力成正比,与压电晶体的大小无关。用电荷放大器转换成相应的电压参数,从而测出力的大小。 特点 灵敏度高、刚度大、自振频率高、线性度和抗相互干扰性好、无惯性;易受湿度的影响,产生零点漂移。,二、切削力的计算机辅助测试 基本原理
18、: 在测力传感器的弹性元件上粘贴具有一定电阻值的电阻应变片,然后将电阻应变片联成电桥,电桥的输出与弹性体的应变成正比。三向应变模拟信号输出并进行高倍率放大后,再经A/D板转换为数字量送入计算机。在软件系统控制下,实现显示和各种功能辅助。,测量方法: 在本课程实验一具体描述。,三、切削力经验公式的建立 建立方法: (1)单因素实验法 (2)多因素实验法 实验数据处理方法 (1)图解法 (2)回归分析法(包括最小二乘法) (3)计算机数据采集、处理和预报,1.2.3 影响切削力的因素,(一)工件材料的影响(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。 (二)
19、切削用量的影响 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。 生产实意义:从切削刀具上的载荷和能量消耗的角度,用大的进给量比用大的背吃刀量工作更有利。 速度v 对F 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况 在无积屑瘤阶段, v 变形程度切削力减小,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 ,温度升高,摩擦 系数变形程度 F 计算F 时乘以修正系数Kv或指数zF约为-0.15来体现,(三)刀具几何参数的影响
20、 1.前角0 的影响 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 30或高速切削时, 0对 F 影响不显著,2. 主偏角r的影响 r对Fc影响较小,影响程度不超过10%,r在6075之间时,Fc最小。 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,3.刃倾角s的影响 s对Fc影响很小, s对Fp、Ff影响较大 Fp随s增大而减小, Ff随s增大而增大,4.负倒棱b1的影响,b1 与f 之比增大, 切削力随之增大。 当切钢b1/f 5或 切铸铁b1/f 3时, 切削力趋于稳定,接 近于负
21、前角的状态。,5.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,(六)刀具材料的影响 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。,(五)切削液的影响 切削液润滑作用越好,切削力减小越显著,低速时更突出。,(四)刀具磨损的影响 后刀面平均磨损带宽度VB越大,摩擦越强烈,切削力也越大。 VB对背向力Fp影响最显著,1.3 切削温度,1.3.1 切削热的产生和传导,切削热产生于三个变形区,切削过程中消耗的能量约98%转换为热能,切削热 qPcFcv =Cfcapf 0.75v-0.15KFcv = Cf
22、capf 0.75v0.85KFc 切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质向外传出,1.3.2 切削温度的测量,切削温度是指切削区域的平均温度,一般用前刀面与切屑接触区的平均温度近似代替。 切削温度的测量方法目前主要有自然热电偶法、人工热电偶法和半人工热电偶法。 一、自然热电偶法 原理:利用刀具和工件材料化学成分的不同构成热电偶,将刀具和工件作为热电偶的两极,组成热电回路测量切削温度的方法。 特点:利用自然热电偶可以测量切削区的平均温度,但是不能测出切削区指定点的温度。,二、人工热电偶法 原理:将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶,热电偶的热端焊接在刀具或工件预定要测量的点上,冷端通过导线串接电
23、位计或毫伏计,根据表上的数值和热电偶标定曲线,可以获得焊接点上的温度。 特点:利用人工热电偶法只能测得距前刀面有一定距离的某点温度,而不能测出前刀面上的温度。,1.3.3、切削温度的分布规律,红外胶片法测得切钢料的温度场,分析归纳切削温度分布规律: 1.剪切面上各点的温度基本一致; 2.前、后刀面上的最高温度都处于离刀刃一定距离的地方;后刀面的温度降低和升高在极短时间内完成; 3.在剪切区域内,垂直于剪切方向上的温度梯度较大;垂直于前刀面的切屑底层的温度梯度较大; 4.工件材料塑性越大,前刀面与切屑的接触长度越长,温度分布越均匀;工件材料脆性越大,最高温度所在的点离刀刃越近;工件材料导热系数越
24、低,前、后刀面上的温度越高。,1.3.4 影响切削温度的主要因素,两个方面:切削热的产生与传出,(一)切削用量的影响,由实验得出切削温度经验公式如下 C v z f y ap x 式中系数及指数见表1-4,由表中数据看出: z在0.30.5之间,y在0.150.3,x在0.050.1 切削用量时切削温度 ,其中v 对影响最大,进 给量 f 的影响比v 小,背吃刀量ap的影响很小。,(二)刀具几何参数的影响 1. 前角0 的影响 0 变形程度F q ,但0 20时,因散热面积,对的影响减小,2. 主偏角r的影响 r ,切削宽度aw ,散热面积 ,(三)工件材料的影响 强度硬度、塑性和韧性越大,切
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