切削过程及控制.doc

第三节 切削过程及控制在金属切削过程 (cutting process) 中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾， 从而产生一系列物理现象， 如切削变形、 切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等一、 切屑的形成过程及切屑类型1、切屑的形成过程实验表明，切屑 (chips) 的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形， 当剪切应力达到金属材料屈服强度时， 产生塑性变形 随着刀具前刀面相对工件的继续推挤， 与切削刃接触的材料发生断裂而使切削层材料变为切屑切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段变形系数ξ? 切屑厚度 hch与切削层的厚度 hD之比称为厚度变形系数， 用ξ h 表示，ξh = ach/ac ；? 而切削层长度 lc 与切屑长度 lch 之比称为长度变形系数，用ξ l 表示，ξl=lc/lch 变形系数越大 , 切屑越厚越短 , 切削变形越大2、切屑的类型? 带状切屑外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的形成条件：用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量切削塑性材料优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。

缺点：切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施 挤裂( 节状 ) 切屑外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形形成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小 , 粗加工中等硬度的钢材料特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙? 崩碎切屑：? 在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑 当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，? 产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量3、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1）什么是积屑瘤在一定速度范围下， 切削塑性金属材料形成带状切屑时 , 常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料 , 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤built-up edge) ，或称刀瘤(the2）积屑瘤的形成原因当切屑沿刀具的前刀面流出时， 在一定的温度与压力作用下， 与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力， 致使这一层金属的流出速度减慢， 形成一层很薄的“滞流层”当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时， 就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。

3）积屑瘤对起削过程的影响? 积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用 使实际前角增大，切削轻快因此，粗加工时可利用积屑瘤 积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度 此外，还会导致切削力的变化，引起振动，? 并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生4）抑制或消除积屑瘤的措施? 采用低速或高速切削， 由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的， 以切削 45钢为例，在低速 vc＜ 3m/min和较高速度 vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；? 采用高润滑性的切削液， 使摩擦和粘结减少；? 适当减少进给量、增大刀具前角、减小切削变形；? 适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向二、 切削力切削过程中，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1. 切削力的来源切削力 (cutting force) 来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力2. 切削力的分解通常将合力 F分解为相互垂直的三个分力： 切削力 Fc 、进给力 Ff 、背向力 Fp 。

切削力 Fz( Fc) ：总切削力在主运动方向的分力， 大小约占总切削力的 80%～90% Fc消耗的功率最多，约占总功率的 90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数进给力 Fx (F f) ：总切削力在进给方向的分力， 进给力也作功， 但只占总功的 1%～5%是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数背向力 Fy（ Fp）：总切削力在垂直于工作平面方向的分力， Fp不消耗功率但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数3个切削分力与总切削力 F有如下关系：F Fc2 F f2 Fp23．切削功率? 计算切削功率(cutting power)Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率 主运动消耗的切削功率P＝ Fυc/60×10-3（）cckW? 机床电机功率 PE =Pc ／η m（η m＝0.75 ～0. 85 ）4. 影响切削力的因素1）. 工件材料? 影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。

材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大 在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大2）. 切削用量进给量 f 和背吃刀量 ap增加，使切削力 Fc增加切削速度υ c ：? 切削速度在 5～ 20m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；? 切削速度继续在 20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失， 切削力增加；? 在切削速度大于 35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降一般切削速度超过 90m/min时，切削力无明显变化 在切削脆性金属工件材料时， 因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度υ c 对切削力 Fc无明显的影响 在实际生产中， 如果刀具材料和机床性能许可， 采用高速切削， 既能提高生产效率，又能减小切削力3）. 刀具几何参数? 前角的影响 : γo↑ →切削变形↓→切削力↓塑性材料）?主偏角的影响： Kr ↑ → Fp ↓ , Ff ↑4）.刀具磨损5）.切削液6）. 刀具材料刀具材料与被加工材料间的摩擦系数， 影响到摩擦力的变化， 直接影响着切削力的变化。

三、 切削热和切削温度1. 切削热的产生与传导金属切削过程的三个变形区就是产生切削热 (cutting heat) 的三个热源：1) 切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来源；2) 切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；3) 工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量切削热向 切屑、工件、刀具 以及周围的介质 传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度 (cutting temperatures) 上升用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削钢料时， 切削热传出的比例是： 切屑传出的热约为 50%～86%；工件传出的热约为 40%～10%；刀具传出的热约为 9%～ 3%；周围介质传出的热约为 1%2. 切削温度对切削加工过程的影响1）. 对刀具材料的影响高速钢刀具材料的耐热性为 600℃左右，超过该温度刀具失效硬质合金刀具材料耐热性好，在高温 800～1000℃时，强度反而更高，韧性更好因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命2）. 对工件尺寸精度的影响车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和超精密加工时， 切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大， 因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。

3. 影响切削温度的因素1）. 工件材料材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多；导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高切削脆性材料时， 由于塑性变形很小， 崩碎切屑与前刀面的摩擦也小， 产生的切削热较少热处理状态不同，切削温度也不相同2）. 切削用量切削速度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小3）. 刀具几何参数1) 前角γ o↑→塑性变形和摩擦↓→切削温度↓（图）但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升2) 主偏角κ r ↑→切削刃工作接触长度↓，切削宽度 bD↓，散热条件变差，故切削温度↑4）. 刀具磨损刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大5）. 切削液利用切削液的润滑功能降低摩擦系数， 减少切削热的产生， 也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施4. 切削液1）、切削液的作用（ 1） . 切削液的冷却作用切削液 (cutting fluid) 的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具寿命；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。

2） . 切削液的润滑作用使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜， 成为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很小；实际情况是属于边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑，但小于干摩擦 3）切削液的清洗作用2. 常用的切削液分类：1) 水溶液： 主要成分是水，并加入少量的防锈剂等添加剂具有良好的冷却作用，可以大大降低切削温度，但润滑性能较差2) 乳化液： 将乳化油用水稀释而成，具有良好的流动性和冷却作用，并。