第三章  切削过程及控制
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第三章 切削过程及控制. 在金属切削过程中,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。. 研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论 , 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量,提高切削效率、降低生产成本,合理改进、设计刀具几何参数,减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。. 1 .切削变形的力学本质. 2 .切屑形成过程模型. 第一节 金属切削过程及切屑类型. 一、切屑的形成过程.

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第三章 切削过程及控制

在金属切削过程中,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。

  • 研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论, 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量,提高切削效率、降低生产成本,合理改进、设计刀具几何参数,减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。


1.切削变形的力学本质

2.切屑形成过程模型

第一节 金属切削过程及切屑类型

一、切屑的形成过程

切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材料受挤压作用,产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程 (图)。

图3-1



3-1 切屑形成过程模型


1. 第一变形区

二、三个变形区

根据实验时的切削层变形图片可绘制如图3-2所示的切削变形模型,其变形大致可分为三个变形区。

塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了,之间形成AOM塑性变形区,由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移,所以AOM叫剪切区,也称为第一变形区(Ⅰ)。


3-2 金属切削过程中的滑移线和流线示意图


2. 第二变形区

切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍,在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦,使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形。这部分区域称为第二变形区(Ⅱ)。


3. 第三变形区

在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为第三变形区(Ⅲ)。

由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的存在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除,会有很小一部分被挤压到已加工表面,与刀具后刀面发生摩擦,并进一步产生弹、塑性变形,从而影响已加工表面质量。


三、第一变形区内金属的剪切变形

实验表明,切屑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。切屑的变形和形成过程如图3-3所示。


3-3 第一变形区金属的滑移


切屑形成本质

  • 在第一变形区中,切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的剪切变形,并伴有加工硬化现象。

  • 切削层金属沿滑移面的剪切变形,从金属晶体结构的角度来看,就是沿晶格中晶面所进行的滑移。

  • 金属材料的晶粒,可假定为圆形颗粒。晶粒在到达始滑移线OA之前,仅产生弹性变形,晶粒不呈方向性,仍为圆形(图3-4) 。

  • 晶粒进入第一变形区后,因受剪应力作用产生滑移,致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向,它与剪切面的方向不重合,两者之间成一夹角Ψ(图3-5)。


3-4 晶粒滑移示意图


3-5 滑移与晶粒的伸长


四、切削变形程度的表示方法

剪切角φ ↑ →剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓。 图3-6

1. 剪切角φ

剪切面 pφ与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角,用φ表示


3-6 φ角与剪切面面积的关系 图3-7 变形系数ξ的求法


2. 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ξh 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ξl表示,ξl=lc/lch 。

  • 根据体积不变原理, 则ξa =ξl=ξ。

  • 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响

1. 作用在切屑上的力

  • 刀具与切屑之间的作用力分析如图3-8所示。

  • 在直角自由切削的前提下,作用在切屑上的力有:前面对其作用的法向力Fn和摩擦力Ff,剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的合力分别为Fr和 Fr′。

  • 假设这两个合力相互平衡(严格地讲,这两个合力不共线,有一个使切屑弯曲的力矩),Fr称为切屑形成力,φ是剪切角;β是Fn与Fr之间的夹角,称为摩擦角;γo是刀具前角。


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响3-8 作用在切屑上的力

a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力

b) 切屑作为隔离体的受力分析


2. 五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响前刀面上的摩擦

  • 在粘结区,切屑的底层与前面呈现冷焊状态,切屑与前面之间不是一般的外摩擦,这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多,从而在切屑底部形成一个滞流层 。

  • 所谓“内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦,这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。

  • 切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。

  • 刀屑接触面间有二个摩擦区域:粘结(内摩擦)区和滑动(外摩擦)区。

  • 金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多,因此,应着重考虑内摩擦。


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响3-10 切屑和前面摩擦情况示意图


六、五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

1)什么是积屑瘤

在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块,称之为积屑瘤。

2)积屑瘤的形成原因

产生这种现象,是滞流层金属不断堆积的结果。

3)影响积屑瘤的因素

积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度有关,也与刀刃前区的温度和压力状况有关。


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响3-12 积屑瘤高度与切削速度关系示意图


4五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响)积屑瘤对起削过程的影响

  • 实际前角增大(图3-13);

  • 增大切削厚度(图3-13) ;

  • 使加工表面粗糙度增大;

  • 对刀具寿命的影响。

一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利的,在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生,但在粗加工时,有时可充分利用积屑瘤。


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响3-13 积屑瘤前角和伸出量


5五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响)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;

  • 适当提高工件材料的硬度;

  • 提高刀具的刃磨质量;

  • 合理调节各切削参数间关系,以防止形成中温区域。


七、影响切屑变形的主要因素五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响

1. 工件材料的力学性能

材料强度越高,塑性越小,则变形系数越小,切削变形减小(图)。

2.切削用量

(1)切削速度

  • 切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。

  • 在积屑瘤增长的速度范围内 , 因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角φ增大、变形系数减小。

  • 在积屑瘤消失的速度范围内,实际工作前角不断减小、变形系数ξ不断上升至最大值,此时积屑瘤完全消失。 (图)

  • 在无积屑瘤的切削速度范围,切削速度愈高,变形系数愈小。

  • 切削铸铁等脆性金属时, 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大,变形系数逐渐地减小。


图 工件材料强度对变形系数的影响五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响


图 切削速度对变形系数的影响五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响2)进给量

(1)前角γ0

(2)刀尖圆弧半径rε

当进给量f增大时,切削层厚度hD增大,切屑的平均变形减小,变形系数ξ减小(图)。

3.刀具几何参数

前角增大,剪切角φ增大,而剪切角越大,则变形系数ξ减小。

变形系数与前角之间的关系如图所示。

刀尖圆弧半径越大,变形系数ξ越大,切削变形越大。(图)


图 切削厚度与变形系数的关系五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响


图 前角对变形系数的影响五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响


图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响


八、切屑的类型五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响

  • 带状切屑 最常见的屑型之一(图3-15a)。

    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: 一般加工塑性金属材料,当切削厚度较小、切削速

    度较高、刀具前角较大时,会得到此类切屑。

    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:紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。


3 15b
挤裂五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响(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:这类切屑之所以呈锯齿形,是由于它的第一变形区较宽,在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图3-15b)。

  • 单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一步降低切削速度,增大进给量,减小前角时则出现单元(粒状)切屑(图3-15c)。

  • 崩碎切屑 切削脆性金属(铸铁)时,常见的呈不规则细粒状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳,易损坏刀具,使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑(图3-15d) 。


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响3-15 切屑类型

a) 带状切屑 b) 挤裂切屑


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响3-15 切屑类型

C)单元切屑 d ) 崩碎切屑


九、已加工表面的形成过程五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响

  • 已加工表面的形成与第三变形区的关系密切;

  • 刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面,会使已加工表面产生剧烈的塑性变形(图3-16a)。

  • 表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层的残余应力。

  • 加工硬化和残余应力的存在,会影响已加工表面的质量和工件的疲劳强度,并增加了下道工序加工的困难及刀具磨损。

  • 钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等因素。


五.前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响3-16 已加工表面的形成过程


一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率

第二节 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、塑性变形抗力和摩擦阻力(图3-18) 。


一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率3-18 切削力的来源


2.一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率切削力的分解

切削力Fz(Fc)

背向力 Fy(Fp)

进给力Fx (Ff)

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 (图3-19)。

(旧称主切削力,用Fz表示)——总切削力在主运动方向的分力,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。

旧称径向分力,用Fy表示 ——总切削力在垂直于工作平面方向的分力,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。

旧称轴向分力,用Fx表示——总切削力在进给方向的分力,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


一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率3-19 切削力的分解


3一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率.切削功率

  • 计算切削功率 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 Pc=Fcυc/60×10-3(kW)

  • 机床电机功率 PE =Pc/ηm(ηm=0.75~0. 85)。


二、切削力的实验公式一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率

  • 切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常供定性分析用,一般使用实验公式计算切削力。

  • 常用的实验公式分为两类:一类是用指数公式计算,另一类是按单位切削力进行计算。

  • 在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件下,切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表。

  • 若已知单位切削力kc,即可求得单位切削功率ps。表3-1为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率。实际切削条件与表中不符时 ,必须引入修正系数加以修正,有关修正系数可参见相关手册。

  • 在实际应用工作中,切削力的计算可查阅有关手册。


三、影响切削力的因素一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率

进给量f和背吃刀量ap

  • 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。

1. 工件材料

2. 切削用量

进给量f和背吃刀量ap增加,使切削力Fc增加,但影响程度不同。

进给量f增大时,切削力有所增加;而背吃刀量ap增大时,切削刃上的切削负荷也随之增大,即切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。


切削速度一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率υc

  • 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υc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. 一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率刀具几何参数

  • 前角的影响: γo↑ →切削变形↓→切削力↓。(塑性材料)

  • 负倒棱的影响:(图3-21)负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度,但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例,负前角的绝对值↑→切削变形程度↑→切削力↑;

  • 主偏角的影响:(图3-22)

    Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr

    Kr ↑ → Fy ↓, Fx ↑

  • 刃倾角的影响:(图3-23)

    λs ↓ → Fy ↑, Fx ↓,Fz基本不变

  • 刀尖圆弧半径rε ↑→切削刃圆弧部分的长度↑→切削变形↑→切削力↑。此外rε增大,整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小,从而使Fp增大、Ff减小。


一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率3-21 负倒棱对切削力的影响


一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率3-22 主偏角不同时Fxy力的分解

(a)Kr小 (b) Kr大


F一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率p

Ff

Kr’

kr1

kr2


一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率3-23 刃倾角对切削力的影响


4. 一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率刀具磨损

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。


一、切削热的产生与传导一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率

金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源(图3-25)。在这三个变形区中,刀具克服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功,绝大部分转化为切削热。

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上升。

第三节 切削热和切削温度


一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率2-25 切削热的产生与传导


二、切削温度对切削加工过程的影响一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率

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。

1.对刀具材料的影响

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。


三、切削温度的测定方法一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率

自然热电偶法是利用工件材料和刀具材料化学成份的不同而构成热电偶的两极,并分别连接测量仪表,组成测量电路,刀具切削工件的切削区域产生高温形成热端,刀具与工件为热电偶冷端,冷、热端之间热电势由仪表(毫伏计)测定。切削温度越高,测得热电势越大,它们之间得对应关系可利用专用装置经标定得到。

1.自然热电偶法

2.人工热电偶法

人工热电偶法是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需要测定温度的指定点上,冷端通过导线串联在电位差计或毫伏表上。根据仪表上的指示值和热电偶标定曲线,可测得指定点的温度。


四、影响切削温度的因素一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率

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。

2.切削用量

切削温度与切削用量的关系式为:

θ= CθVc Zθf yθap xθ

三个影响指数 zθ>yθ>xθ,说明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。


1)一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率前角γo↑→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κr↑→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↑(图)。

(3)刀具几何参数

(4)刀具磨损

(5)切削液

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。

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。


图 前角与切削温度的关系一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率


一、刀具磨损的形态一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率

第四节 刀具磨损和耐用度

(1)正常磨损

正常磨损是指随着切削时间增加,磨损逐渐扩大的磨损。

1)前面磨损

切削塑性材料时,如果切削速度和切削厚度较大,在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙洼(图例)。


一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率3-27 刀具的磨损形态


加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小(加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小(hD<0.1mm),由于前刀面上刀屑间的作用相对较弱,主要发生后刀面磨损(图例)。

2)后面磨损

3)前面和后面同时磨损

一般在以中等切削用量加工塑性金属材料时会出现这种形式磨损(图例)。

4)边界磨损

切削钢料时,常在主切削刃靠近工件外皮处以及刀尖处的后刀面上,磨出较深的沟纹,这就是边界磨损(图例)。加工铸、锻等外皮粗糙的工件,也容易发生边界磨损。


加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小(2)非正常磨损

刀具的非正常磨损是指在切削过程中,刀具的磨损量尚未达到磨钝标准值就突然无法正常使用,即刀具发生破损。

1)脆性破损

在振动、冲击切削条件的作用下,刀具尚未发生明显磨损(VB≤0.1mm),但刀具切削部分却出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热裂纹等现象,使刀具不能继续工作,这种破损称为脆性破损。

2)塑性破损

切削时,刀具由于高温高压的作用,使刀具前、后刀面的材料发生塑性变形,刀具丧失切削能力,这种破损称为塑性破损。


防止刀具破损的措施加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小(

  • 针对被加工工件材料和零件的特点,合理选择刀具材料的种类和牌号;

  • 合理选择刀具几何参数;

  • 保证刀具焊接和刃磨质量,避免因焊接、刃磨不善而带来的各种缺陷。尽量使用机夹可转位不重磨刀具;

  • 合理选择切削用量,避免过大的切削力和过高的切削温度,避免产生积屑瘤;

  • 提高工艺系统的刚性,消除可能产生振动的因素,如加工余量不均匀,表面硬度不均匀,铰刀、铣刀等回转类刀具各刀齿的刃尖不在同一圆周上等现象;

  • 采用正确的操作方法,尽量使刀具不承受或少承受突变性的载荷,合理使用切削液,为防止热裂效应,不要断续使用切削液冷却硬质合金、陶瓷等脆性大的刀具材料。


二、刀具磨损的原因加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小(

切削时,切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等,可在刀具表面刻划出沟纹,这就是磨料磨损。

1.硬质点磨损

2.粘结磨损

切削时,切屑、工件与前、后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦,形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于切屑在滑移过程中产生剪切破坏,带走刀具材料,从而造成粘结磨损。

3.扩散磨损

在切削高温下,使工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩散置换造成的刀具磨损,称为扩散磨损


在一定温度下,刀具材料与某些周围介质起化学作用,在刀具表面形成一层硬度较低的化合物,被切屑或工件擦掉而形成磨损,称为化学磨损。在一定温度下,刀具材料与某些周围介质起化学作用,在刀具表面形成一层硬度较低的化合物,被切屑或工件擦掉而形成磨损,称为化学磨损。

(4)化学磨损

(5)相变磨损

当切削温度达到或超过刀具材料的相变温度时,刀具材料中的金相组织将发生变化,硬度显著下降,引起的刀具磨损称为相变磨损。


在一定温度下,刀具材料与某些周围介质起化学作用,在刀具表面形成一层硬度较低的化合物,被切屑或工件擦掉而形成磨损,称为化学磨损。3-29 切削速度对刀具磨损强度的影响

1-硬质点磨损; 2-粘结磨损;3-扩散磨损;4-化学磨损


三、刀具磨损过程及磨钝标准在一定温度下,刀具材料与某些周围介质起化学作用,在刀具表面形成一层硬度较低的化合物,被切屑或工件擦掉而形成磨损,称为化学磨损。

1.刀具磨损过程

图3-30

  • 初期磨损阶段(Ⅰ)

  • 正常磨损阶段(Ⅱ)

  • 剧烈磨损阶段(Ⅲ)

2.刀具的磨钝标准

刀具磨损到一定限度就不能继续使用,这个磨损限度称为磨钝标准。磨钝标准的具体数值可从切削用量手册中查得。


在一定温度下,刀具材料与某些周围介质起化学作用,在刀具表面形成一层硬度较低的化合物,被切屑或工件擦掉而形成磨损,称为化学磨损。3-30 刀具的磨损过程


在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度VB来制定磨钝标准。规定磨钝标准的两点考虑:

①充分利用正常磨损阶段的磨损量,适用于粗加工和半精加工。

② 根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。

国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准,可以是以下任何一种:

(1)VB=0.3mm;

(2)如果主后刀面为无规则磨损,取VB max=0.6mm;

(3)前面磨损量KT=0.06+0.3f(f为进给量)


四、刀具耐用度及其经验公式在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度

1. 刀具耐用度的定义

  • 刀具耐用度(现称刀具寿命)是指一把刃磨好的新刀从投入使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间。

  • 刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。


2.在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度切削用量对刀具耐用度的影响

(1)切削速度与刀具寿命的关系

各种切削速度下的刀具磨损曲线(图3-31)

刀具T—v关系曲线(图3-32),该直线方程为:

Lgv=-mlgT+lgA

式中, m=tgφ,即该直线的斜率;

A— 当T=1s(或1min)时直线在纵坐标上的截距。

V = A / T m


在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度3-31 各种切削速度下的刀具磨损曲线


在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度3-32 在双对数坐标上的T—v曲线


T -V在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度关系式反映了切削速度与刀具耐用度之间的关系,是选择切削速度的重要依据。指数m表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。高速钢:m=0.1~0.125; 硬质合金:m=0.2~0.3;陶瓷刀具:m=0.4。

2)进给量、被吃刀量与刀具寿命的关系

f= B / Tn

ap= C/Tp

综合以上三式,可以得到切削用量三要素与寿命的关系:

T= CT/vcx f yapx

用YT15硬质合金车刀切削σb=0.63GPa的碳钢时,切削用量与刀具寿命的关系式为:

T= CT/vc5 f2.25ap0.75


五、刀具寿命的选择原则在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度

确定合理刀具寿命的两种方法:

图3-33

  • 最大生产率寿命

  • 最低成本寿命

一般情况下,应采用最低成本寿命,当任务紧迫或生产中出现不平衡环节时,可采用最大生产率寿命。


在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度3-33 刀具寿命对生产率和加工成本的影响


  • 复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

  • 对于机夹可转位刀具,由于换刀时间短,为使切削刃始终处于锋利状态,刀具耐用度可选得低些。

  • 对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时,刀具耐用度应选得高些,以减少换刀次数,保证整机和整线的可靠工作。

  • 精加工刀具切削负荷小,刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。

  • 大件加工时,为避免一次进给中中途换刀,刀具耐用度应选得高些。


六、影响刀具寿命的因素复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

  • 刀具几何参数 合理选择刀具几何参数能提高刀具寿命。

  • 刀 具 材 料 刀具材料是影响刀具寿命的重要因素,合理选用刀具材料,采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料,改善和提高刀具的切削性能,是提高刀具寿命和提高切削速度的重要途径之一。

  • 工 件 材 料 工件材料的物理力学性能也是影响刀具寿命的重要因素,工件材料的强度、硬度和韧性越高,延伸率越小,切削时均能使切削温度升高,刀具寿命降低。

  • 切 削 用 量


一、工件材料切削加工性的评定指标复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

第五节 工件材料的切削加工性

工件材料的可切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。

1)以一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性;

2)以切削力或切削温度衡量加工性;

3)以加工表面质量衡量加工性;

4)以切屑控制或断屑的难易


  • 一般用相对加工性复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。Kv来衡量工件材料的可切削加工性。

  • 通常以σb=0.637GPa的45钢的υ60(刀具寿命为60min时所允许的切削速度,用υ60表示)为基准,写作(υ60)j。将其它工件材料的υ60与之相比,其比值即为相对加工性Kv,即 Kv=υ60/(υ60)j

  • 当 Kv>1时,该材料比45钢容易切削,例如有色金属Kv>3;

  • 当 Kv<1时,该材料比45钢难切削,例如高锰钢、钛合金 Kv ≤0.5,均属难加工材料。

  • 材料切削加工性等级,表3-2


二、改善工件材料切削加工性的途径复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

要改善工件材料的切削加工性,可通过热处理方法,改变材料的金相组织和物理力学性能,也可通过调整材料的化学成分等途径。生产实际中,热处理是常用的处理方法。


一、切削液的作用机理复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

1.切削液的冷却作用

2.切削液的润滑作用

第六节 切削液

切削液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。

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。图3-34


复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。3-34 金属间边界润滑摩擦

Ff-摩擦力


二、切削液的添加剂复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

1.油性添加剂

2.极压添加剂

(3)切削液的清洗作用

为改善切削液性能所加入的化学物质,称为添加剂。

用以改善在较

低温度下切削液的

润滑性能。

比油性添加剂能耐较高的温度。


二)切削液的分类复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

(1)非水溶性切削液

(2)水溶性切削液

3.表面活性剂

由于表面活性剂分子的极性基团和非极性基团可分别溶于水和油,从而把水和油连接起来,即起到乳化作用;此外还能吸附在金属表面上形成润滑膜起润滑作用。

  • 切削油

  • 固体润滑剂

  • 非溶性切削液主要起润滑作用。

  • 水溶液

  • 乳化液

  • 水溶性切削液有良好的

  • 冷却作用和清洗作用。


三)切削液的选用复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

  • 按工件材料选用加工钢等塑性材料时,需要切削液;加工铸铁等脆性材料时,不用切削液。

  • 按刀具材料选用 高速钢刀具耐热性差,粗加工时应选用以冷却作用为主的切削液,以降低切削温度;在精加工时应使用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液,以提高加工表面质量。硬质合金刀具由于耐热性好,一般不用切削液;

  • 按加工方法选用对半封闭、封闭加工,选用极压乳化液或极压切削油,以对切削区进行冷却、润滑和对切屑冲洗。磨削加工时,由于磨削区温度很高,磨屑会破坏已磨削表面质量,要求切削液具有良好的冷却、清洗、排屑和防锈性能,一般选用乳化液。


一、选择切削用量的原则复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

第七节 切削用量的选择

合理切削用量是指使刀具的切削性能和机床的动力性能得到充分发挥,并在保证加工质量的前提下,获得高生产率和低加工成本的切削用量。


1复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。、切削用量同加工生产率的关系

P=1 / tm

式中,dw — 车削前的毛坯直径(mm);

Lw — 工件切削部分长度(mm);

Δ — 加工余量(mm);

nw — 工件转速(r/min)。

P=A0vfap

(公式)


利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:

(1)f 保持不变,ap增至3ap,如仍保持刀具合理的耐用度,则vc必须降低15%,此时生产率P3ap≈2.6P,即生产率提高至2倍。

(2)ap保持不变,f 增至3f,如仍保持刀具合理的耐用度,则vc必须降低32%,此时生产率P3ap≈2P,即生产率提高至2倍。

由此可见,增大ap比增大f更有利于提高生产率。

(3)切削速度高过一定的临界值时,生产率反而会降低。


2利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:、选择切削用量的原则

首先选取尽可能大的被吃刀量;其次根据机床动力和刚性限制条件或加工表面粗糙度的要求,选取尽可能大的进给量;最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度。


二、被吃刀量、进给量和切削速度的选定利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:

1、被吃刀量的选定

粗加工时,一次走刀尽可能切除全部余量。

半精加工时,被吃刀量取为0.5~2mm。

精加工时,被吃刀量取为0.1~0.4mm

2、进给量的选定

粗加工时,进给量由机床进给机构强度、刀具强度与刚性、工件的装夹刚度决定。

精加工时,进给量由加工精度和表面粗糙度决定。

生产实际中多采用查表法确定进给量。


3利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:、切削速度的选定

在ap、f 值选定后,根据合理的刀具耐用度或查表来选定车削速度。(公式)

在生产中选择切削速度的一般原则是:

(1)粗车时,ap、f 较大,故选择较低的v;精车

时, ap、f均较小,故选择较高的v。

(2)工件材料强度、硬度高时,应选较低的v。

(3)切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低20%~

30%;切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要

降低20%~ 30%;切削有色金属比切削中碳钢的

切削速度可提高100%~ 300%;


利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:4)刀具材料的切削性能愈好,切削速度也选得愈高。

(5)精加工时,应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。

(6)断续切削及加工大件、细长件和薄壁工件时,应

适当降低切削速度。

(7)在易发生振动的情况下,切削速度应避开自激振

动的临界速度。


三、提高切削用量的途径利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:

  • 采用切削性能更好的新型刀具材料;

  • 改善工件材料的切削加工性;

  • 改进刀具结构和选配合理刀具几何参数

  • 提高刀具的制造和刃磨质量;

  • 采用新型的、性能好的切削液和高效的冷却方法。


第八节 磨削过程及磨削机理利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:

磨削加工是用高速回转的砂轮或其它磨具以给定的背吃刀量(或称切削深度),对工件进行加工的方法。根据工件被加工表面的形状和砂轮与工件之间的相对运动,磨削分为外圆磨削、内圆磨削、平面磨削和无心磨削等几种主要加工类型。此外,还有对凸轮、螺纹、齿轮等零件进行磨削加工的专用磨床。


二、磨屑形成过程利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:

一、磨料的形状特征

图3-41

磨屑形成过程可分为以下三个阶段:

(1)划擦阶段

(2)刻划阶段

(3)切削阶段


利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:3-41 磨粒切削过程的三个阶段


磨削速度利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:vs

轴向进给量 fa

径向进给量 fp

工件圆周进给速度vw

三、磨削运动与磨削用量

  • 在磨削过程中,磨削速度、工件圆周进给速度、轴向进给量、径向进给量等,统称为磨削用量。

  • 合理选择磨削用量对保证磨削加工质量和提高生产率有很大影响。

砂轮的高速旋转运动是主运动,磨削速度是指砂轮外圆的线速度。

指工件外圆的线速度。

指工件转一周沿轴线方向相对于砂轮移动的距离。单位为mm/r;

指砂轮相对于工件在工作台每双(单)行程内径向移动的距离,单位为mm/双行程或mm/单行程。


1. 利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:来源

2. 分解

3. 磨削力的主要特征

  • 一是磨削过程中工件材料发生弹性和塑性变形时所产生的阻力;

  • 二是磨粒与工件表面之间的摩擦力。

四、磨削力

把磨削力分解为相互垂直的三个分力:切削力Fc、背向力Fp和进给力Ff。

  • 单位磨削力很大;

  • 三向分力中切深力Fy最大。


4. 利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:影响磨削力的因素

  • 砂轮速度v砂↑ →单位时间内参与切削的磨粒数量↑ →每个磨粒的切削厚度↓ →磨削力↓。

  • 工件速度vω、fa↑ →单位时间内磨去的金属量↑ →每个磨粒的切削厚度↑→磨削力↑;

  • 径向进给量fr↑ →每个磨粒的切削厚度↑、砂轮与工件的磨削接触弧长↑ →同时参与磨削的磨粒数↑ →磨削力↑;

  • 砂轮磨损↑磨削力↑ 。


1. 利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:磨削温度的概念

2. 影响磨削温度的因素

五、磨削温度

图3-45

注意砂轮磨削区温度θA和磨粒磨削点温度θdot的区别。

  • 砂轮速度:v砂↑→磨削温度↑ 磨削力↓;

  • 工件速度:影响不明显;

  • 径向进给量:fr ↑ →每个磨粒的切削厚度↑ →磨削温度↑;

  • 工件材料:导热性差、冲击韧性和强度高→磨削温度↑ ;

  • 砂轮硬度与粒度:砂轮硬度↓、粒度粗→磨削温度↓。


利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:3-45 砂轮磨削区温度和磨粒磨削点温度


自锐性利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:

磨钝标准

六、砂轮的磨损与耐用度

由于磨粒的微刃逐步钝化,磨削力逐步增加,致使磨粒破碎或脱落,重新露出锋利的微刃。这种特性称为自锐性。

  • 粗磨时发生振动、噪音,说明砂轮已经磨钝(由于切屑、碎磨粒把砂轮堵塞,磨粒本身已磨损变钝),应立即打磨砂轮。

  • 精磨时,工件表面出现波浪痕迹或表面粗糙度增大,说明砂轮已经磨钝。


利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:3-46 砂轮磨损的三种形态

1-切屑;2-结合剂;3-磨粒;

A-磨耗磨损;B-磨粒破损;C-脱落磨损


七、磨削特点利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:

1.磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外,还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料。

2.能获得很高的加工精度和低的表面粗糙度

(1)磨粒上锋利的切削刃,能够切下一层很薄的金属,切削厚度可以小到数微米;

(2)磨床有较高的精度和刚度,并有实现微量进给机构,可以实现微量切削;

(3)磨削的切削速度高,因此,磨削时有很多切削刃同时参与切削,每个磨刃只切下极细薄的金属,残留面积的高度小,有利于形成光洁的表面;

3.磨削温度高


4.利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:磨削的径向力大;

5.砂轮有自锐作用;

6.磨削加工的工艺范围广;

7.磨削在切削加工中的比重日益增大。


本章结束利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:


本章习题利用上式,选用一定的切削条件进行计算,可以得到如下的结果:

2-2积屑瘤产生的条件及对金属切削过程的影响?如何抑制积屑瘤的产生?

2-6用硬质合金车刀(γO=15°、κγ=45°、λS=5°)车削外圆,工件材料为40Cr钢,选用的υc=100m/min,f=0.2mm/r,ap=3mm。试计算(1)主切削力;(2)校验机床功率(机床额定功率为7.5KW,机床传动效率为0.8)。

2-8试比较a p 、f对切削力、切削温度的影响有何异同?

2-14在CA6140卧式车床上车削材料为经调质处理的45钢,硬度为229HBS,工件毛坯直径为100mm,零件外圆直径为80mm,加工长度为160mm。试(1)选配刀具材料;(2)设计刀具几何参数;(3)选配切削用量。


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