机械制造冷加工切削加工

第三章第三章 切削过程中的物理现象及其规律切削过程中的物理现象及其规律 金属切削过程，实质上包含着一个较复杂的能量转换过金属切削过程，实质上包含着一个较复杂的能量转换过程，它伴随着一系列的物理现象：工件材料的变形、摩擦、程，它伴随着一系列的物理现象：工件材料的变形、摩擦、切削力、切削热和温度、以及刀具的磨损、破损等。切削过切削力、切削热和温度、以及刀具的磨损、破损等。切削过程中这些现象及其变化，反映了切削过程的状况。并与工件程中这些现象及其变化，反映了切削过程的状况。并与工件外表质量和切削效率有着密切的联系。外表质量和切削效率有着密切的联系。3.1 切削力切削力 在在切切削削过过程程中中，切切削削力力直直接接影影响响着着：切切削削热热的的产产生生，并并进进一一步步影影响响着着刀刀具具磨磨损损、刀刀具具寿寿命命、加加工工精精度度和和已已加加工工外表质量。外表质量。在在生生产产中中，切切削削力力又又是是计计算算切切削削功功率率、设设计计和和使使用用机机床、刀具、夹具的必要依据。床、刀具、夹具的必要依据。因因此此研研究究切切削削力力，将将有有助助于于对对切切削削过过程程规规律律的的了了解解，并对生产实际有着重要指导意义。并对生产实际有着重要指导意义。3.1.1 切削力的来源切削力的来源 金金属属切切削削时时，刀刀具具切切入入工工件件，使使加加工工材材料料发发生生变变形形成成为为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：(1)克克服服被被加加工工材材料料对对弹弹性性变形的抗力；变形的抗力；(2)克克服服被被加加工工材材料料对对塑塑性性变形的抗力；变形的抗力；(3)克克服服切切屑屑对对刀刀具具前前刀刀面面的的摩摩擦擦力力和和刀刀具具后后刀刀面面对对加加工工外外表表和和已已加加工工外外表表之之间间的的摩摩擦擦力。力。3.1.2 切削合力及其分解切削合力及其分解 上上述述各各力力的的总总合合形形成成作作用用在在车车刀刀上上的的合合力力Fr。为为了了实实际际应应用用，Fr可可分分为相互垂直的为相互垂直的Fx、Fy和和Fz三个分力。三个分力。Fz 主主切切削削力力或或切切向向力力。Fz是是计计算算车刀强度，设计机床功率所必需的。车刀强度，设计机床功率所必需的。Fx 进进给给抗抗力力。轴轴向向力力或或走走刀刀力力。Fx是是设设计计走走刀刀机机构构，计计算算车车刀刀进进给给功功率所必需的。率所必需的。Fy 切切深深抗抗力力、径径向向力力或或吃吃刀刀力力。Fy用用来来确确定定与与工工件件加加工工精精度度有有关关的的工工件件挠挠度度，计计算算机机床床零零件件和和车车刀刀强强度度。它它也也是是使使工工件件在在切切削削过过程程中中产产生生振振动动的力。的力。根根据据实实验验，当当Kr=45，s=0 和和 o=15 时时，Fz、Fy、Fx之间有以下近似关系式：之间有以下近似关系式：Fy=0.40.5Fz Fx=0.30.4Fz 将它们代入上式得将它们代入上式得 Fr=1.121.18Fz 随随着着刀刀具具几几何何参参数数、切切削削用用量量、工工件件材材料料和和刀刀具具磨磨损损情情况的不同，况的不同，Fz、Fx和和Fy之间的比例可在较大范围内变化。之间的比例可在较大范围内变化。3.1.3 切削功率切削功率 消消耗耗在在切切削削过过程程中中的的功功率率称称为为切切削削功功率率Pm。它它是是Fz和和Fx所所消耗功率之和，因消耗功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗动力。方向没有位移，所以不消耗动力。式中式中nw工件转速工件转速(rs)按按上上式式求求得得切切削削功功率率后后，在在选选择择机机床床的的电电机机功功率率时时，还还应应考考虑虑机机床床的的传动效率传动效率m，将切削功率除以机床的效率，即：，将切削功率除以机床的效率，即：机床电机功率机床电机功率 PE Pm/m 确确定定切切削削力力的的大大小小可可用用测测力力仪仪进进行行测测量量，也也可可通通过过经经验验公公式式或或理理论论分分析公式进行计算。析公式进行计算。3.2.4 切削力的经验公式切削力的经验公式 切切削削力力的的经经验验公公式式是是通通过过大大量量实实验验，将将由由测测力力仪仪测测得得的的切切削削力力数数据据，用用数数学学方方法法处处理理而而得得到到的的。切切削削力力经经验验公公式式可可分分为为指指数数公公式式和和单单位位切切削削力力两两类类。一计算切削力的指数公式一计算切削力的指数公式 在在金金属属切切削削中中，广广泛泛应应用用指指数数公公式式计计算算切切削削力力。这这种种经经验验公公式式的的建建立立是是借借助助测测力力仪仪直直接接测测量量出出一一定定条条件件下下的的切切削削力力，然然后后对对测测量量数数据据进进行行处处理理后后得得出的。常用的指数公式的形式如下：出的。常用的指数公式的形式如下：二二、用用单单位位切切削削力力和和单单位位切切削削功功率率计计算算三三个个分分力力和和所所消消耗耗的功率：的功率：1、单位切削力、单位切削力p单位切削力单位切削力p是指单位切削面积上的主切削力。是指单位切削面积上的主切削力。式中式中 AD切削面积切削面积 hD切削厚度切削厚度 bD切削宽度切削宽度hD切削厚切削厚度度bD切削宽切削宽度度2、单位切削功率、单位切削功率Ps单单位位时时间间内内切切除除单单位位体体积积的的金金属属所所消消耗耗的的功功率率称称为为单单位位切切削削功功率率Ps式式中中 Zw单单位位时时间间内内的的金金属属切切除除量量；Zw=1000 ap f v mm3/s Pm切切削削功功率率；Pm=Fz v 10-3=p ap f v 10-3 kw 在在实实际际的的切切削削过过程程中中，切切削削力力是是在在不不断断变变化化的的。所所以以切切削削力力是是一一个个动动态态参参数数。它它的的变变化化情情况况反反映映了了切切削削过过程程中中工工件件材材料料、刀刀具具切切削削性性能能、以以及及切切削削用用量量等等状状态态。用用经经验验公公式式计计算算只只能能得得到到在在一一定定切切削削条条件件下下的的平平均均估估算算值值。因因此此，要要较较精精确确得得到到实实际际切削过程中的切削力，只能通过测力仪进行在线监测。切削过程中的切削力，只能通过测力仪进行在线监测。3.1.5 影响切削力的因素及其规律影响切削力的因素及其规律 切削加工系统中影响切削过程的因素主要包括四方面：切削加工系统中影响切削过程的因素主要包括四方面：工件材料工件材料 刀具切削性能刀具切削性能 切削用量切削用量(v、f、ap)切削液切削液 这这些些因因素素对对切切削削力力的的影影响响，主主要要是是通通过过对对切切屑屑形形成成过过程程中中的变形和摩擦现象的影响而到达的。的变形和摩擦现象的影响而到达的。一被加工材料对切削力的影响一被加工材料对切削力的影响 被被加加工工材材料料的的物物理理机机械械性性能能、加加工工硬硬化化能能力力、化化学学成成份份、热处理状态和材料的加工状态都对切削力的大小产生影响。热处理状态和材料的加工状态都对切削力的大小产生影响。1被被加加工工材材料料的的强强度度愈愈高高，硬硬度度愈愈大大，切切削削时时产产生生的变形阻力愈大，切削力就大。的变形阻力愈大，切削力就大。2材材料料在在加加工工过过程程中中强强化化系系数数大大，加加工工硬硬化化能能力力大大时时，即即使使较较小小的的变变形形也也会会引引起起硬硬度度的的大大大大提提高高，从从而而使使切切削力增大。削力增大。例例如如：加加工工镍镍铬铬铝铝钴钴基基的的热热强强钢钢时时，虽虽然然其其原原始始强强度度、硬硬度度都都不不那那么么大大，但但切切削削力力却却很很大大，单单位位切切削削力力可可达达4GPa。另外，奥氏体不锈钢也属这种情况，所以难以加工。另外，奥氏体不锈钢也属这种情况，所以难以加工。3材材料料的的化化学学成成份份及及其其含含量量影影响响材材料料的的物物理理机机械械性性能能，从从而而影影响响切切削削力力的的大大小小。如如碳碳钢钢中中的的含含碳碳量量愈愈高高，其其强强度度和和硬硬度度愈愈高高；铜铜、铝铝等等金金属属强强度度低低，塑塑性性较较大大，但但变变形形时时的的加加工工硬硬化小，因而切削力也较低。化小，因而切削力也较低。4加加工工铸铸铁铁及及其其它它脆脆性性材材料料时时，切切削削层层的的塑塑性性变变形形小小，加加工工硬硬化化小小。切切削削脆脆性性材材料料时时形形成成崩崩脆脆切切屑屑，且且集集中中在在刀刀尖尖，切切屑屑与与前前刀刀面面的的接接触触面面积积小小，摩摩擦擦力力也也小小，因因此此切切削削力力比比切切钢钢时小。时小。5同同一一材材料料在在不不同同热热处处理理状状态态下下，其其金金相相组组织织不不同同也也会会影影响响切切削削力力的的大大小小。如如45钢钢在在正正火火、调调质质、淬淬火火状状态态下下的的硬硬度不同，因此切削时的切削力也不同。度不同，因此切削时的切削力也不同。二二.切削用量对切削力的影响切削用量对切削力的影响 1切切削削深深度度ap和和进进给给量量f对对切切削削力力的的影影响响，是是通通过过切切削削面面积积AD的的影影响响而而到到达达的的。当当切切削削深深度度和和进进给给量量增增大大都都会会使使切切削削面面积积AD增增大大(AD=apf)，从从而而使使变变形形力力和和摩摩擦擦力力增增大大，切切削削力力那那么么随随之增大。但之增大。但ap和和f两者对切削力的影响大小不同。两者对切削力的影响大小不同。在在用用高高速速钢钢或或硬硬质质合合金金刀刀具具加加工工金金属属时时，切切削削深深度度ap增增大大一倍，切削力一倍，切削力Fz也增大一倍即：也增大一倍即：Fz=Cap(2 ap)=2Cap ap 进进给给量量 f 增增大大，切切削削厚厚度度也也成成正正比比地地增增大大(hD=fsinKr，)。但但hD增增大大时时变变形形系系数数减减小小，摩摩擦擦系系数数也也降降低低，这这又又会会使使切切削削力力减减小小。这这正正反反两两方方面面同同时时作作用用的的结结果果，使使切切削削力力的的增增大大与与 f 的的增增加加不不成成正正比比。上上述述分分析析可可知知，加加大大进进给量比加大切削深度消耗的能量更少。给量比加大切削深度消耗的能量更少。指数指数ap 的指数为的指数为1f 的指数小于的指数小于1 2切削速度切削速度v对切削力的影响。对切削力的影响。用用实实验验方方法法可可知知切切削削速速度度对对切切削削力力的的影影响响规规律律不不是是呈呈单单调调的的曲线，而是随切削速度不同而变化的。曲线，而是随切削速度不同而变化的。在在用用YTl5硬硬质质合合金金车车刀刀加加工工45钢钢时时，当当v50mmin时时，切切削削力力随随之之减减小小。这这是是因因为为切切削削速速度度增增高高后后，摩摩擦擦系系数数减减小小，剪剪切切角角增增大大，变变形形系系数数减减小小，从从而而使使切切削削力力减减小小。另另一一方方面面，切切削削速速度度v增增高高，切切削削温温度度也也增增高高，使使被被加加工工金金属属的的强强度度和和硬硬度降低，也会导致切削力的降低。度降低，也会导致切削力的降低。加工铸铁时，切削速度加工铸铁时，切削速度v对切削力的影响不大。因为加工铸对切削力的影响不大。因为加工铸铁时形成崩脆切屑，其塑性变形小，切屑对前刀面的摩擦力小，铁时形成崩脆切屑，其塑性变形小，切屑对前刀面的摩擦力小，所以对切削力的影响不大。所以对切削力的影响不大。三刀具几何参数对切削力的影响三刀具几何参数对切削力的影响 刀刀具具几几何何参参数数中中对对切切削削力力影影响响最最大大的的是是前前角角o，其其次次是是主主偏偏角角Kr、以以及及与与前前角角有有关关的的负负倒倒棱棱和和与与主主偏偏角角有有关关的的刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r，和刃倾角，和刃倾角s。1前角对切削力的影响前角对切削力的影响 在在加加工工钢钢时时，前前角角增增大大，切切削削力力减减小小。因因为为前前角角增增大大时时剪剪切切角角随随之之增增大大，金金属属塑塑性性变变形形减减小小，变变形形系系数数减减小小，沿沿前前刀刀面面的的摩摩擦擦力力也也减减小小，因此切削力降低。因此切削力降低。加加工工脆脆性性金金属属(如如铸铸铁铁、青青铜铜时时等等)时时，由由于于切切屑屑变变形形和和加加工工硬硬化化很很小小，所所以前角对切削力的影响不显著。以前角对切削力的影响不显著。2主偏角主偏角Kr对切削力的影响对切削力的影响 主主偏偏角角Kr对对三三个个切切削削分分力力Fz、Fy、Fx的的影影响响程程度度不不同同。从从实实验验曲曲线线图中看出：图中看出：(1)主偏角增大对主偏角增大对Fz的影响一般不超过的影响一般不超过10。随主偏角的改变，切削厚度与切削刃曲线局部长度的变化(2)主偏角主偏角Kr的变化对的变化对Fy和和Fx的影响的影响 Fy=Fn cosKr；Fx=Fn sinKr；3刃倾角刃倾角s对切削力的影响对切削力的影响 当当s变变化化时时，会会改改变变合合力力Fr的的方方向向，从从而而影影响响Fy和和Fx分分力力的的大小。大小。4负倒棱对切削力的影响负倒棱对切削力的影响 前前刀刀面面上上的的负负倒倒棱棱b1，对对切切削削力力有有一一定定的的影影响响，在在正正前前角角相相同同时时，对对有有负负倒倒棱棱的的车车刀刀，由由于于切切削削时时的的切切屑屑变变形形比比无无负负倒倒棱棱的的大大，所所以以切切削削力力有有所提高，无论加工钢或铸铁都是这样。所提高，无论加工钢或铸铁都是这样。5.刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r对切削力的影响对切削力的影响 r增大相当于是增大相当于是Kr减小时对切削力的影响。减小时对切削力的影响。四刀具材料对切削力的影响四刀具材料对切削力的影响 主主要要通通过过刀刀具具材材料料与与被被加加工工材材料料间间的的摩摩擦擦系系数数对对摩摩擦擦力力的的影影响响，来来直直接接影响切削力的变化。在同样切削条件下，陶瓷刀具的切削力最小，硬质合金影响切削力的变化。在同样切削条件下，陶瓷刀具的切削力最小，硬质合金次次之之，高高速速钢钢的的切切削削力力最最大大。因因为为陶陶瓷瓷刀刀具具的的导导热热性性小小，在在较较高高的的切切削削温温度度下下工工作作时时使使摩摩擦擦降降低低，从从而而切切削削力力减减小小。硬硬质质合合金金的的摩摩擦擦系系数数随随含含钴钴量量的的增增加加以以及及含含钛钛量量的减小而提高。的减小而提高。五切削液对切削力的影响五切削液对切削力的影响 切切削削过过程程中中使使用用切切削削液液可可以以降降低低切切削削力力。因因为为切切削削过过程程中中所所消消耗耗的的功功，主主要要用用在在克克服服金金属属的的变变形形和和摩摩擦擦上上。研研究究认认为为，加加工工钢钢时时切切屑屑沿沿前前刀刀面面流流出出，摩摩擦擦约约消消耗耗35的的功功；工工件件沿沿后后刀刀面面的的摩摩擦擦约约消消耗耗515的的功功。如如能能正正确确选选择择和和使使用用切切削液，可降低削液，可降低30以上的切削力以上的切削力(用丝锥攻丝时可降低用丝锥攻丝时可降低45)。实实践践证证明明选选用用的的切切削削液液润润滑滑性性能能愈愈高高，切切削削力力的的降降低低愈愈显显著著。如如在在v0(f05mm/r)5mm/r)切切削削用量与刀具耐用度的关系为：用量与刀具耐用度的关系为：由由上上式式看看出出，切切削削速速度度对对刀刀具具耐耐用用度度的的影影响响最最大大，进进给给量量f f次次之之，切切削削深深度度a ap p影影响响最最小小，这这与与三三者者对对切切削削温温度度的的影影响响顺顺序序完完全全一一致致；这这也也反映出切削温度对刀具耐用度影响的重要性。反映出切削温度对刀具耐用度影响的重要性。第三章 小结1.掌掌握握影影响响切切削削力力的的因因素素有有哪哪些些？它它们们是是怎怎样样影影响响切切削削力力的的？2.了了解解刀刀具具磨磨损损形形式式及及原原因因，掌掌握握刀刀具具耐耐用用度度的的定定义义，了了解解影响刀具耐用度的因素有哪些？影响刀具耐用度的因素有哪些？