金属切削原理(3-8)讲解.ppt

1,第一章 金属切削原理,研究金属切削过程的实验方法 切屑的形成过程（三个变形区） 变形程度的表示方法 切屑的类型及其控制 积屑瘤现象,,,,,,2,侧面观察法：显微镜直接观察低速直角自由切削时工件侧面切削层的金属变形状况 高速摄影法：高速摄像机拍摄切削情况下金属的变形过程 快速落刀法：使刀具以尽可能快的速度脱离工件，冻结切削过程，把切屑根部做成金相标本，以供观察 扫描电镜显微观察法：观察分析试件表面形貌 光弹性、光塑性试验法：对切削刃前方金属进行弹性力学和塑性力学的研究和实验 其他试验法：显微硬度测量 X射线衍射法,一、研究金属切削过程的实验方法,3,切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程，即在前刀面的推挤、摩擦作用下，使变形金属内部发生剪切滑移的过程,二、切屑形成过程,4,金属切削变形过程,切削变形实验设备与录像装置,5,切屑根部的金相显微照片 绘出金属变形过程中的滑移线和流线示意图,第一变形区（剪切滑移）,第二变形区（纤维化）,第三变形区（纤维化与加工硬化）,第一变形区金属的滑移,8,,第Ⅰ变形区（基本变形区）：沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域,第Ⅲ变形区（加工表面变形区）：已加工面受到切削刃钝圆部分和后刀面挤压与摩擦，产生变形和回弹，造成纤维化和加工硬化。

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,9,晶粒伸长的方向与滑移方向是不重合的，它们成一夹角ψ,第一变形区的宽度仅为0．02－0．2mm，可以用一剪切面来表示 剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角φ,三、变形程度的表示方法,10,剪切角,γo：前角 γo↑ φ↑ 变形↓,β ： 摩擦角 β ↑ φ↓ 变形↑,11,相对滑移,,,12,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,变形系数,13,变形系数,14,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两个摩擦区,15,四、切屑的类型及控制,,形成条件,影响,,名称,简图,形态,变形,带状，底面光滑，背面呈毛茸状,节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状,粒状,不规则块状颗粒,剪切滑移尚未达到断裂程度,局部剪切应力达到断裂强度,剪切应力完全达到断裂强度,未经塑性变形即被挤裂,加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大,加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小,工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低,加工硬脆材料， 刀具前角较小,切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑,切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳,切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳,切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,崩碎切屑,,,,,,,,,,,,16,影响切屑形态的因素主要：工件材料，刀具前角、切削厚度，切削速度 切屑形状的分类,四、切屑的类型及控制,带状切屑 挤裂切屑 单元切屑,17,切屑控制的措施,在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形 （不妨碍正常的加工；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运） 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 断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）,四、切屑的类型及控制,18,五、积屑瘤现象,在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。

它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤,19,1.积屑瘤的成因,刀—屑间的冷焊 一定条件下，切屑底部与前刀面发生粘结现象 刀——屑之间存在很高的压力（2—3GPa） 适当的温度（300~350℃） 接触表面新鲜洁净 切削塑性材料,20,,2.积屑瘤对切削过程的影响,实际前角增大 增大切削厚度 使加工表面粗糙度增大 对刀具寿命的影响,在粗加工时，可利用积屑瘤； 精加工时必须设法避免积屑瘤的产生,21,3.防止积屑瘤的主要方法,控制切削速度，尽量避开易生成积屑瘤的中速区 使用润滑性能好的切削液，减小摩擦 增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力 适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向,22,第一章 金属切削原理,切削力的来源 切削合力、分力和切削功率 切削力的测量 切削力的经验公式 影响切削力的因素（切削用量）,23,一、切削力,（一）切削力来源,克服被加工材料对弹性变形的抗力 克服被加工材料对塑性变形的抗力 克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力,金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力,24,（二）切削合力和分力,κr,Fc,F,Fp,Ff ·p,Ff,Ff ·p,Ff ·p,f,v,,,,,,,,25,（二）切削合力和分力,Fx(Ff)——进给力、轴向力或走刀力 处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反 是设计走刀机构，计算车刀进给功率所必需的,Fy(Fp)——切深抗力、或背向力、径向力 、吃刀力 处于基面内并与工件轴线垂直 用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和车刀强度。

它与工件在切削过程中产生的振动有关,,Fz(Fc)——切削力或切向力 切于过渡表面并与基面垂直 是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的,,26,切削功率Pm：消耗在切削过程中的功率（力和力作用方向上的运动速度的乘积） Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率 第二项是消耗在进给运动中的功率，相对于Fz所消耗的功率来说（1%～2%） 计算机床电动机的功率PE,（三）切削功率,ηm:机床的传动效率，0.75~0.85,27,,由于实际的金属切削过程非常复杂，影响因素很多，因而现有的一些理论公式都是在一些假说的基础上得出的，还存在着较大的缺点，计算结果与实验结果不能很好的吻合 测定机床功率，计算切削力 用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率PE后，计算出切削功率Pm这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确 用测力仪测量切削力 测力仪的测量原理是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荷经过转换处理后，读出Fz、Fx和Fy的值,二、切削力的测量,28,,近代先进的测力仪常与微机配套使用，直接进行数据处理，自动显示被测力值和建立切削力的经验公式。

在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程,二、切削力的测量,29,,目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式常用的经验公式约可分为两类： 计算切削力的指数公式 按单位切削力计算切削力,三、切削力的经验公式和切削力估算,30,工件材料,四、影响切削力的因素,,材料性质的不同：加工脆性材料，切削力↓,化学成分：含碳量 合金元素（易切钢）,31,四、影响切削力的因素,◆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；,32,四、影响切削力的因素,◆切削速度对切削力影响复杂,,33,◆ 前角γ0 增大，切削力减小,◆ 主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ κr ↑—— Fp↓，Ff↑，）,刀具几何角度影响,,四、影响切削力的因素,34,◆ 与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ λs ↑ —— Fp↓，Ff↑） ◆ 刀尖圆弧半径 rε 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ rε ↑ —— Fp↑，Ff↓） 有负倒棱的刀具其切削力 ↑,,◆ 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 ；CBN、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢刀具切削力依次↑ ◆ 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 ；,刀具几何角度影响,四、影响切削力的因素,,,35,第一章 金属切削原理,切削热的产生和传导 切削温度的测量 影响切削温度的主要因素（切削用量） 切削温度的分布规律及其对工件、刀具和切削过程的影响,36,一、切削热的产生和传导,Q=FZVc 切削热是切削温度上升的根源 切削热被切屑、工件、刀具和周围的介质传出 车、铣、刨加工中，切削热大部分传递给切屑 钻、磨加工中，切削热大部分传递给工件,切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功 切削时所消耗的能量，绝大部分（98% ~99%）转化为热能,37,二、切削温度的测量,切削温度直接影响切削过程 切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度 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,★ 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,,38,三、影响切削温度的因素,切削用量的影响,式中 θ ——实验测出的刀屑接触区的平均温度(C)； Cθ ——与工件、刀具材料等参数有关的切削温度系数； Zθ、Yθ、Xθ —— vc、f、ap 的指数经验公式,,切削用量三要素对切削温度的影响： vc最大，其次是f， ap的影响最小,39,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↓ 不锈钢（1Cr18NI9Ti） 高温合金（GH131） 导热系数小，而且在高温下，仍具有较高的强度和硬度，所以θ↑↑ 灰铸铁等脆性材料，切削变形小，切屑与前刀面摩擦小，产生的切削热↓，所以θ↓,刀具磨损的影响,冷却液的影响,三、影响切削温度的因素,40,四、切削温度的分布规律及其对工件、刀具和切削过程的影响,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,41,四、切削温度的分布规律及其对工件、刀具和切削过程的影响,切削温度对工件、刀具和切削过程的影响,,切削温度对工件材料强度和切削力的影响：切削温度对工件材料强度、切削力影响不大。

原因: 1)在切削速度较高时，变形速度很高，其对增加材料强度的影响，足以抵消高的切削温度使材料强度降低的影响； 2) 切削温度是在切削变形过程中产生的，因此对剪切面上的应力应变状态来不及产生很大的影响，只对切屑底层的剪切强度产生影响42,四、切削温度的分布规律及其对工件、刀具和切削过程的影响,对刀具材料的影响：提高切削温度，可提高硬质合金韧性，不易崩刃，降低磨损；各类刀具材料在切削各种工件材料时，都有一个最佳切削温度范围 对工件尺寸精度的影响：主要是工件受热膨胀所致 刀杆受热膨胀，切削时实际切削深度增加使直径减小 工件受热变长，但因夹固在机床上不能自由伸长而发生弯曲，车削后工件中部直径变化,43,四、切削温度的分布规律及其对工件、刀具和切削过程的影响,利用切削温度自动控制切削速度或进给量 各种刀具材料切削不同的工件材料都有一个最佳切削温度范围因此，可利用切削温度来控制机床的转速或进给量，保持切削温度在最佳范围内，以提高生产率及工件表面质量 利用切削温度与切削力控制刀具磨损 运用刀具—工件热电偶，能在几分之一秒内指示出一个较显著的刀具磨损的发生跟踪切削过程中的切削力以及切削分力之间比例的变化，也可反映切屑。