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机械制造技术 教学课件 ppt 作者 李益民第一章 金属切削原理.ppt

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    • 第二章 金属切削原理,第一节 概 述 第二节 刀具的几何角度与材料 第三节 金属切削过程 第四节 切削力、切削热和切削温度 第五节 刀具磨损和刀具使用寿命 第六节 材料的切削加工性 第七节 切削条件的合理选择 第八节 磨削与砂轮,第一节 概 述,一、切削运动与切削加工表面 二、切削用量 三、切削层参数,一、切削运动与切削加工表面,图2-1 外圆车削运动和加工表面,切削加工中的工件表面,(1)切削用量 1)切削速度vc 2)进给量f  3)背吃刀量(切削深度)αp,图2-1 切削运动与切削表面,二、切削用量,图2-2 切削用量与切削层数,(2)切削层几何参数 切削宽度αw  2)切削厚度αc 3)切削面积Ac,,三、切削层参数,第二节 刀具的几何角度与材料,一、刀具几何角度 二、刀具材料,一、刀具几何角度,(一)刀具切削部分的结构要素 (二)刀具标注角度的参考系 (三)刀具标注角度 (四)刀具工作角度,图2-3 车刀的组成,,刀具切削部分的组成,(一)刀具切削部分的结构要素,刀具角度的参考平面,图2-5 确定车刀角度的参考平面,,,,(二)刀具标注角度的参考系,(1)前角γo (2)后角αo (3)主偏角κr (4)副偏角κr  (5)刃倾角λs,图2-6 车刀的主要角度,(三)刀具标注角度,以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度,又称实际角度。

      1)刀具安装位置对工作角度的影响,图2-8 车刀安装高度对工作角度的影响 a)刀尖高于工件轴线 b)刀尖低于工件轴线,(四)刀具工作角度,图2-9 车刀安装偏斜对工作角度的影响 (θ为切削时刀杆纵向轴线的偏转角),(四)刀具工作角度,,图2-10 纵向进给运动对工作角度的影响,2)进给运动对工作角度的影响,图2-11 横向进给运动对工作角度的影响,,(四)刀具工作角度,二、刀具材料,(一)刀具材料应具备的基本性能 (二)常用刀具材料 (三)其他刀具材料,1.高的硬度 2.高的耐磨性 3.高的耐热性 4.足够的强度和韧性 5.良好的工艺性 6.良好的热物理性能和耐热冲击性能,(一)、刀具材料应具备的性能,1.碳素工具钢与合金工具钢 碳素工具钢是含碳量最高的优质钢(碳的质量分料为0.7%~1.2%),如T10A二)、常用的刀具材料,2.高速钢 又称为锋钢或风钢,它是含有较多W、Cr、V合金元素的高合金工具钢,如W18Cr4V3.硬质合金 它是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC,TiC)为基体,以金属Co,Ni等为粘结剂,用粉末冶金方法制成的一种合金。

      ,(三)、其他刀具材料,陶瓷是以氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)等为主要成分,经压制成形后烧结而成的刀具材料陶瓷的硬度高、化学性能高、耐氧化,所以被广泛用于高速切削加工中但由于其强度低、韧性差,长期以来主要用于精加工 ,陶瓷刀具与传统硬质合金刀具相比,具有以下优点:①可加工硬度高达65HRC的高硬度难加工材料;②可进行扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削;③耐用度可提高几倍至几十倍;④切削效率提高3-10倍,可实现以车、铣代磨,,第三节 金属切削过程,一、切屑的形成过程 二、剪切角的计算 三、变形系数和剪应变 四、前刀面上的摩擦 五、积屑瘤的形成与控制 六、影响切削变形的因素 七、切屑的种类,第一变形区,OA—始滑移线 OM—终滑移线,剪切滑移变形 加工硬化,一般速度范围内Ⅰ区 宽度为0.02~0.2mm, 速度越高,宽度越小, 可看作一个剪切平面,(剪切滑移区),变形的主要特征:,一、切屑的形成过程,第二变形区,第三变形区,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,基本与前刀面平行挤压摩擦区),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。

      刃前区:三个变形区汇集在切削刃附近,此处的应力集 中而复杂,被切削层在此与工件本体材料分离,(挤压摩擦回弹区),一、切屑的形成过程,(1) 剪切角 在相同切削条件下,剪切角越大,剪切面积越小,切屑厚度越小,变形越小 剪切角可采用快速落刀实验获得切屑根部照片再测量得到二、剪切角的计算,变形系数(克赛) 由实验和生产可知,切屑厚度 ach 大于切削层厚度ac,切屑长度 lch 小于切削层长度 lc 变形系数l切削层长度与切屑长度之比 l = lc/ lch a = ach/ ac 忽略切屑宽度的变化,有a=l= 变形系数能直观反映切屑的变形程度,且容易求得,生产中常用变形系数求法,三、变形系数和剪应变,按剪应变即相对滑移关系有 = s / y, 而 s = NP,y = MK故 =NP / MK = (NK+KP) / MK = ctg + tg(-0),剪切变形示意图,三、变形系数和剪应变,切屑与前刀面摩擦示意图,切削塑性材料时刀屑接触区的摩擦示意图可见,刀屑接触面分两个区域:粘结区和滑动区四、前刀面上的摩擦,刀具前刀面的摩擦特性, , 法应力 =s 剪应力,= O A B 刀具,,,四、前刀面上的摩擦,OA—粘结区(内摩擦区):摩擦系数是变化的 AB—滑动区(外摩擦区):摩擦系数是常数,四、前刀面上的摩擦,粘结区内摩擦 切塑性金属时,切屑与前刀面间高温(几百度)、高压(2-3GPa)使切屑底部与前刀面间发生粘结,亦称“冷焊”; 粘结区并非一般的外摩擦,而是粘结层金属与相邻切屑较上层之间的晶粒相对剪切滑移,属内摩擦。

      单位切向力 = 材料的剪切屈服极限s,四、前刀面上的摩擦,滑动区外摩擦 单位切向力由 s 逐渐减小到0 刀屑接触面上正应力  在刀尖处最大,逐渐减小到0四、前刀面上的摩擦,影响前刀面摩擦系数的主要因素 工件材料:强度硬度增大,  减小 切削厚度:切削厚度增大,  减小 切削速度: 低速,V大,  越大;高速,V大,  越小 刀具前角:o 增大,  越大,四、前刀面上的摩擦,(1)积屑瘤对切削过程的影响: 1) 积屑瘤包围着切削刃,可以代替前面、后面和切削刃进行切削,从而保护了刀刃,减少了刀具的磨损 2) 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大,而且,积屑瘤越高,实际工作前角越大,刀具越锋利 3) 积屑瘤前端伸出切削刃外,直接影响加工尺寸精度 4) 积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度五、积屑瘤的形成与控制,(2)积屑瘤的成因: 1)工件材料的塑性; 2)切削速度;,图3-17 切削速度对积屑瘤的影响,五、积屑瘤的形成与控制,(2)积屑瘤的成因: 1)工件材料的塑性; 2)切削速度; 3)刀具前角;,五、积屑瘤的形成与控制,(2)积屑瘤的成因: 1)工件材料的塑性; 2)切削速度; 3)刀具前角; 4)冷却润滑条件。

      五、积屑瘤的形成与控制,抑制积屑瘤的措施: (1)降低切削速度,使温度降低到不易产生粘结现象; (2)采用高速切削,使温度高于积屑瘤消失的极限温度; (3)增大刀具前角,减小刀—屑接触压力; (4)使用润滑性好的切削液和精研刀具表面,降低刀—屑接触压力 (5)提高工件材料硬度,减小材料硬化指数五、积屑瘤的形成与控制,1)工件材料的性能对切削力有显著的影响 工件材料的硬度或强度愈高,材料的剪切屈服强度也愈高,发生剪切变形的抗力也愈大,故切削力也愈大六、影响切削变形的因素,2)切削用量对切削力的影响 a)背吃刀量asp 和进给量f对切削力的影响;,六、影响切削变形的因素,1.带状切屑 最常见 内侧表面光滑,外侧表面呈毛茸状,用显微镜观察可见到有均匀整齐的剪切裂纹 通常加工塑性金属材料,切削厚度较小,切削速度较高,刀具前角较大时得到 切削力波动很小,切削过程平稳,已加工表面粗糙度较小七、切屑的种类,2.挤裂切屑 外侧面呈锯齿状,内侧面有时有裂纹 加工塑性金属材料,切削厚度较大,切削速度较低,刀具前角较小时得到 切削力波动较大,切削过程产生一定的振动,已加工表面较粗糙七、切屑的种类,3.单元切屑 生产中很少见到。

      在挤裂切屑的基础上切削厚度增大,切削速度、前角减小,使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体七、切屑的种类,可见: 从带状挤裂单元切屑的变化:切削厚度由小到大,切削速度和刀具前角由大到小 掌握其变化规律,就可改变切屑形态以达控制切屑(卷屑、断屑)和改善已加工表面质量的目的七、切屑的种类,4.崩碎切屑 切削脆性金属材料如灰铸铁时得到的 产生原因:材料受到拉应力已超过其抗拉强度 切削力波动甚大,有冲击负荷,已加工表面凹凸不平 改变切削条件,如大前角,大刃倾角,小切削厚度,高切削速度,可得到针状切屑或松散的带状切屑此时切削过程平稳,已加工表面粗糙度较小七、切屑的种类,第四节 切削力、切削热和切削温度,一、切削力 二、切削热和切削温度,在金属切削时,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,称为切削力图2-35 切削合力和分力,切削力的来源,切削合力及其分解,切削功率,,,,,一、切削力,计算切削力的指数公式,一、切削力,按单位切削力计算切削力和切削功率,单位切削力kc是指单位切削面积上的切削力:,,一、切削力,切削力的经验公式 切削力,,,,,,,,,一、切削力,1.切削用量的影响 2.工件材料的影响 3.刀具角度的影响 4.刀具磨损的影响 5.切削液的影响,影响切削温度的主要因素,一、切削力,1.切削热的来源与传出,,,图3-29 切削热的来源与传出,二、切削热和切削温度,1.切削热的来源与传出,,,式中 Q——单位时间产生的热量,单位:J / s; Fc——切削力,单位:N; vc——切削速度单位:m / s。

      二、切削热和切削温度,1.切削热的来源与传出,,,图3-30 不同切削速度下的热量传出比例,二、切削热和切削温度,1.切削热的来源与传出,,,二、切削热和切削温度,2. 切削温度的分布,,,a) 法平面内的切削温度分布 b)刀具前面上的切削温度分布 图3-33 切削温度的分布,二、切削热和切削温度,3.影响切削温度的主要因素 (1)工件材料 工件材料的强度、硬度越高,总切削力越大,单位时间内产生的热量越多,切削温度也就越高 工件材料的导热性好,从切屑和工件传出的切削热相应增多,切削区的平均温度降低 例如,合金结构钢的强度普遍高于45钢,而导热系数又一般均低于45钢,所以切削合金结构钢的切削温度高于切削45钢的切削温度二、切削热和切削温度,(2)切削用量 在切削用量中,切削速度对切削温度的影响最大 随着切削速度的提高,材料切除率随之成正比例的增加但随着切削速度的提高,切屑变形相应减小,所以,切削功和切削热虽然有所增高,但不可能成正比例的增高,因此,切削温度也不会成正比例的增高二、切削热和切削温度,(2)切削用量 切削速度,,二、切削热和切削温度,(2)切削用量 进给量,,材料切除率 Q = 1000 vc asp f,,二、切削热和切削温度,(2)切削用量 背吃刀量,,材料切除率 Q = 1000 vc asp f,,二、切削热和切削温度,综上所述,切削用量对切削温度的影响程度以切削速度为最大,进给量次之,背吃刀量最小。

      因此,若要切除给定的余量,又要求切削温度较低,则在选择切削用量时,应优先考虑采用大的背吃刀量,然后选择一个适当的进给量,最后再选择合理的切削速度 上述切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的,这也是制订零件加工工艺规程时,确定切削用量的原则二、切削热和切削温度,(3)刀具几何参数 1) 前角 2) 主偏角 (4)切削液,,,二、切削热和切削温度,第五节 刀具磨损和刀具使用寿命,一、刀具磨损形态 。

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