切削过程及控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 切削过程及控制,主要内容：,3.1,切削过程及切屑类型,3.2,切削力,3.3,切削热与切削温度,3.4,刀具的磨损与耐用度,概述,金属切削过程：,是指用刀具从工件表面上切去多余的金属，形成已加工表面的过程。,也可以说是形成切屑的过程,切削层金属的变形过程。,在此过程中将产生许多物理现象：,切削力、切削热、刀具磨损等,以弹、塑形变形为基础,积屑瘤、鳞刺、振动等,与切削过程有关,3.1,切削过程及切屑类型,一、切削过程的变形,金属切削过程中的变形（高速下的微观变形过程）是非常复杂的。,金属切削过程中的变形，通常主要表现在切削层金属转变为切屑时的变形。,切削过程模拟,1.,变形区的划分,（,1,）第一变形区（,区）,（,2,）第二变形区（,区）,（,3,）第三变形区（,区）,OA,OM,线间的区域，也称剪切区。主要产生剪切滑移变形。,位于刀,屑接触区。,前刀面对切屑的挤压和摩擦，使切屑进一步,产生滑移变形。,由于两者间的挤压和摩擦，也,产生滑移变形。,位于后刀面与已加工表面接触区。,引起加工硬化和残余应力。,2.,切屑的形成,P,O,A,M,观察,P,点在切削过程中的运动轨迹。,（,1,）,P,点向刀刃逼近，当应力较小时，产生弹性变形。随着,P,点的移动，应力逐渐增大。,（,2,）,当应力增大至材料屈服极限时，则,P,点向前移动的同时，还沿,OA,面剪切滑移（合成运动）。,（,3,）,当,P,点的流动方向与前刀面平行时，不再产生剪切滑移。此时剪切应力达到最大，切削层金属变成切屑。,（第一变形区的变形）,变形主要特征：,剪切滑移,刀具,始滑移线,切屑,O,A,M,终滑移线,剪切角,切屑形成的金相照片,注：,第一变形区变形的厚度仅为,0.02,0.2mm,（速度越高，区域越窄）,，因此，可近似地用一个剪切平面,OM,来代替。,3.,前刀面与切屑间的摩擦,金属切削层材料经第一变形区后沿前刀面排出，由于受前刀面的挤压和摩擦而进一步加剧变形，在靠近前刀面处形成第二变形区。,（第二变形区的变形）,其特征是：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上；,切屑弯曲；,由摩擦而产生的热量使切屑,与刀具接触温度升高等。,挤压与摩擦不仅造成第二变形区的变形，而且反过来对第一变形区也有影响。,O,M,在塑性金属切削过程中，由于切屑与前刀面之间的压力很大（可达,2,3GPa,）,再加上高温（几百摄氏度），使切屑底层与前刀面发生粘结现象。即一般生产中所遇见的“冷焊”。,此时，两接触面若要相对滑动，必须克服其中较软一方的材料剪去一薄层时所产生的阻力（内摩擦），即粘结面间的相对滑动要靠金属内部间的剪切滑移来完成。,切屑的进一步变形，使得切屑发生弯曲。,O,M,4.,已加工表面的形成过程,已加工表面的形成过程与第三变形区密切相关，存在加工硬化和残余应力。,（,1,）刀具钝圆半径的影响,在实际切削过程中,，由于刀具钝圆半径的作用，切削层金属在,O,点处分离，,O,点以上部分成为切屑沿前刀面流出，,O,点以下部分经过刀刃钝圆处挤压留在已加工表面上。,h,D,h,D,h,o,B,D,C,（,2,）刀具后刀面棱角的影响,由于刀具切削后不久，后刀面上会因磨损而形成一段后角为,0,0,的棱带,VB,。,当部分切削层经过刀刃钝圆部分,B,点后,，又受到棱带,VB,的挤压和摩擦，随后开始弹性恢复。,（,3,）刀具后刀面,CD,段的摩擦影响,经弹性恢复的已加工表面，,又在,CD,段继续与后刀面产生摩擦。,表层剧烈的塑性变形造成加工硬化和残余应力，,影响已加工表面的质量和工件的疲劳强度；增加了下道工序加工的困难及刀具磨损。,由于刀刃钝圆,、棱带,VB,、,CD,部分先后与工件已加工表面挤压、摩擦，使已加工表面层的变形更加剧烈。,因此，应尽量减轻已加工表面的加工硬化程度。,5.,变形系数,衡量切削变形程度。,当切削层塑变后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。即,切屑厚度,h,ch,大于切削厚度,h,c,，,切屑长度,l,ch,小于切削长度,l,c,。,切削层的厚度变形系数,c,、,长度变形系数,l,分别为,：,得出,与,的关系为：,O,M,二、积屑瘤及其对切削过程的影响,1.,何谓积屑瘤,在中速、低速切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性金属，又能形成带状切削的情况下，常出现,切屑和金属切削层冷焊（粘接）在刀具前刀面上，形成硬度很高的楔块。,并能代替切削刃进行切削。这种硬楔块被称为积屑瘤。,积屑瘤,刀具,2.,积屑瘤的形成原因,刀,-,屑摩擦而导致冷焊。,随着切屑连续流动，一部分滞留在冷焊层上，积聚而形成积屑瘤。,3.,积屑瘤对切削过程的影响,（,1,）保护刀具,积屑瘤包围着切削刃，并覆盖部分前刀面，代替刀刃和刀面切削，减小了刀具的磨损。,（,2,）增大前角,积屑瘤构成,30,0,左右的前角，因此，减少了切屑的变形，降低了切削力。,（,3,） 增大切削厚度,积屑瘤前端伸出切削刃之外，使切削厚度增大了,h,c,，影响了工件的加工尺寸。,刀具,减小积屑瘤对精加工的影响,控制切削速度；,使用切削液减小摩擦；,增大刀具前角，减小刀屑接触压力；,提高工件材料的强度和硬度，减少加工硬化倾向。,（,4,） 增大已加工表面粗糙度,积屑瘤使工件加工表面粗糙度,R,a,达到,510,m,。,（,5,）积屑瘤对粗加工有利,能使切削力减小而降低能量耗损。,三、切屑的类型及控制,工件材料不同，切削条件不同，则切削变形的程度不同，所产生的切屑形态也不同。,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,崩碎切屑,形成条件,在加工塑性金属材料、切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时形成。,1.,带状切屑,切屑的内表面是光滑的，外表面是毛茸状的，每个层片很薄，肉眼看起来大体上平整。,切削特点,带状切屑的切削过程比较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。,切屑的外弧表面呈锯齿形，内弧表面略有裂纹。,2.,挤裂切屑,形成原因,挤裂（节状）切屑大都在加工塑性材料，且切削速度较低、切屑厚度较大的情况下产生。,3,.,单元切屑（节状切屑）,切屑的形状为相似的梯形粒状。,形成原因,切屑形成时，如果在剪切面上的剪应力超过材料的破裂强度，则整个单元被切离，成为相似的梯形粒状。,4,.,崩碎切屑,结论：,工件材料越是硬脆，切削厚度越大，越容易产生崩碎切屑。,切屑形成了不规则的碎块状。,形成原因,切削脆性金属（如铸铁）时，材料塑性很小，抗拉强度较低。靠近切削刃和前刀面的切削层局部金属，未经明显的塑性变形就在张应力状态下脆断，形成不规则的碎块切屑。使工件加工表面凹凸不平。,生产中常见的是带状切屑，当切削厚度增大时，得到节状切屑，单元切屑比较少见。,切屑形态随切削条件的转化而转化，如,加大前角、减小切削厚度、提高切削速度，可使节状切屑转变为带状切屑。,小结,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,崩碎切屑,1,.,工件材料的影响,工件材料的强度和硬度,，刀,-,屑接触长度,，摩擦系数,，,变形系数,，切削变形,。,四、影响切削变形的因素,2,.,刀具前角的影响,前角,o,，直接使,剪切角,，,变形系数,；,3.,切削厚度的影响,切削厚度,h,c,，法向力,F,N,，,摩擦系数,，,剪切角,，故,，切削变形,。,4.,切削速度的影响,当,v,22m/min,，,v,，因积屑瘤使,b,，,故,，,切屑变形,。,当,22,v,84,，,v,，,温度,，切屑底层金属,s,故,，切屑变形,。,3.2,切削力,切削力：,是指在金属切削过程中，刀具使工件材料变形成为切屑所需要的力。,在切削过程中，,切削力决定切削热的产生，影响刀具磨损和使用寿命、加工精度和加工质量。,在实际生产中，切削力是设计生产工艺和制造装备、监控切削加工过程的重要依据。,一、切削力的来源、合力与分解、切削功率,（,1,）,切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力。,（,2,）,刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。,刀具,塑性压力,弹性压力,塑性压力,弹性压力,1.,切削力的来源,2.,切削力的合力及分力,不考虑副切削刃的作用和其它因素的影响，合力,F,就在刀具的主剖面内。,为便于测量和应用，可将合力,F,分解为三个相互垂直的分力,F,f,，,F,p,，,F,c,F,c,：,F,在主运动方向的分力,切向力。,F,p,：,F,在刀具工作基面内垂直于进给方向的分力。,F,f,：,F,在进给运动方向的分力。,F,z,，,F,y,，,F,x,3.,切削功率,三个分力,F,f,，,F,p,，,F,c,中，,F,p,不耗功，所以：,F,f,消耗的功率很小，故以主切削力,F,c,所消耗的功率为切削功率，即,机床电动机功率,P,E,为,一般取传动效率,=,0.750.85,。,4.,切削力的测试,测力传感器,测力仪,A/D,PC,或工控机,打印机绘图仪,二、切削力的计算,1,.,切削力的理论公式,利用材料力学的原理，推导的切削力理论公式为,材料的剪切应力,切屑变形,切削层厚度,切削层宽度,与刀具前角有关的系数,消耗的功率最大，是计算切削功率的主要依据。,主切削力：,公式中的系数、指数取决于工件材料和加工条件。,2,.,切削力的经验公式,吃刀抗力：,进给抗力：,单位切削力：,是指单位切削面积上的切削力，用,k,c,表示,：,3,.,单位切削力公式,生产中常利用单位切削力来计算切削力。,三,.,影响切削力的因素,1,.,工件材料的影响,工件材料的强度、硬度,，,材料的,，,则切削力,；,材料的强度、硬度相近时，若塑性,，摩擦,，切削力,灰口铸铁等脆性材料，易形成崩碎切屑,，摩擦,，,切削力；,2,.,切削用量（,a,p,、,f,、,v,）,的影响,背吃刀量,a,p,，或进给量,f,，均可使切削力,F,z,；,切削速度,v,的影响,低速时 温度,，,，,，,F,；,中、低速时，由于积屑瘤的生成长大，,F,呈曲线变化；,当,v,27m/min,时，无积屑瘤，温度,，,，,，,F,。,切削脆性材料时,金属的塑性变形,，,刀,-,屑摩擦,，但速度高会导致温度,，故,v,对,F,影响不显著。,加工塑性金属时,3.,刀具几何参数,（,1,）,前角,（,2,）,主偏角,（,3,）,主偏角,的变化将影响合力方向,一、切削热的产生和传出,重点了解切削热和切削温度的产生及其变化规律。,1,.,切削热的产生,切削层金属发生弹性变形、塑性变形所产生的热；,切屑与前刀面的磨擦热；,工件与后刀面的摩擦热。,3.3,切削热与切削温度,切削时所消耗的能量约,98%,转换为切削热，故每秒钟内产生的切削热为：,2.,切削热的传出及影响因素,（,2,）,刀具材料的导热性能,刀具材料导热系数,，从刀具传出的切削热,，切削区温度,，刀具耐用度,。,切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质传出。,（,1,）,工件材料的导热性能,工件材料导热系数,，,由切屑和工件传出的热量,，切削区温度,，刀具耐用度,。但工件升温较快，热胀冷缩容易引起工件热变形。,影响切削热传出的因素,刀具,工件,切屑,（,3,）周围介质,采用冷却性能较好的切削液和高效冷却方式能传出较多切削热。,（,4,）加工工艺,不同的加工工艺，切屑与刀具的接触时间长短不同。,如车外圆与钻孔相比，切屑热的传递就不同。,切屑,刀具,工件,空气介质,车削,50%86%,40%10%,9%3%,1%,钻削,28%,14.5%,52.5%,5%,二、影响切削温度的主要因素,结论,控制切削温度，选用大的,a,p,或,f,，比选用大的,v,有利。,1,.,切削用量对切削温度,的影响,（,1,）,切削速度,v,的影响,速度,v,，,刀,-,屑摩擦,，,切削热,切削温度,显著,。,（,2,）,进给量,f,的影响,进给量,f,，单位时间切除量,，切削热,，切削温度,。,（,3,）,背吃刀量,a,p,的影响,背吃刀量,a,p,，,对切削温度影响很小,。,(,因,a,p,，,切削热,，,但切削刃切削长度,，,散热,）,2,.,刀具几何参数对切削温度,的影响,（,1,）,前角,o,o,，,切削,变形,，切削热,，切削温度,。,但要注意：当,o,1820,0,后，刀刃部分散热体积减小。,（,2,）,主偏角,r,r,，,切削刃工作长度,，切削刀刃散热体积,，切削热,，切削温度,。,3,.,刀具磨损对切削温度的影响,刀具磨损,主切削刃变钝，,切削,变形,，切削热,，切削温度,；,后刀面与工件摩擦，切削,变形,，切削热，切削温度,。,4,.,工件材料对切削温度的影响,（,1,）材料的,硬度和强度,高,切削时所消耗的能量,，切削热,，切削温度,。,（,2,）导热系数低,且高温强度和硬度,，切削温度,。,（,3,）脆性材料,切削,，刀,-,屑摩擦,，切削温度,。,5,.,切削液对切削温度的影响,钻削或铣削加工，采用切削液可明显降低切削温度,。,在切削过程中，刀具一方面切下切屑，另一方面本身也要损坏。当刀具损坏到一定程度，就要重新刃磨或更换刀具。,刀具磨损，,会出现切削力加大、切削温度上升、切屑变形增大、工艺系统振动、加工表面粗糙度增大等现象。,3.4,刀具的磨损与耐用度,所谓刀具磨损：,是指刀具的刀面和切削刃上的金属微粒被工件、切屑带走而使刀具损失切削能力的现象。,1,.,前刀面磨损（月牙洼磨损）,切削塑性金属时，若切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面上切削温度的最高处，会磨出一个月牙洼状磨损。,一、刀具磨损的形态,切削塑性材料，且切削速度和切削厚度较大时，由于切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触和摩擦，化学活性很高，反映很强烈。,由于压力、温度高，实际接触面积达,80%,以上，空气或切削液渗入困难，因此在前刀面上形成月牙洼磨损。,在月牙洼与刀刃之间有一条棱边。当月牙洼的宽度扩展到使棱边很窄时，会消弱切削刃的强度，导致崩刀。,月牙洼磨损值以其最大深度,KT,来表示。,KT,2,.,后刀面磨损,切削中，由于存在,“,加工表面与后刀面,”,的强烈摩擦，在后刀面毗邻切削刃的地方，很快被磨出后角为零的小棱面。,一般来讲，刀具的后刀面都将产生磨损。,在后刀面上，刀尖部分和主切削刃靠近工件外表面处，强度较低、散热差，磨损较严重（,C,区，其最大值为,VC,）；,中间部分,，磨损较均匀（,B,区,平均磨损带宽度为,VB,，最大值为,VB,max,。,由于测量方便，以此表示刀具磨损程度,）；,在接近工件外皮的,N,区，因受上道工序的冷作硬化（或毛坯硬皮）的影响，磨损也较大,(,其最大值为,VN,),。,后刀面磨损带图,3,.,前刀面和后刀面同时磨损,在切削过程中（较高速、中等切削厚度、塑性材料），刀具的前、后刀面同时出现磨损。,边界磨损,边界磨损,除了外皮原因，还有应力、温度梯度大。,由于加工硬化，靠近刀尖部分的副切削刃处的切削厚度减薄到零，引起刀刃打滑。,边界磨损,二、刀具磨损的原因,研究刀具磨损,“,原因,”,来找出刀具磨损的,“,本质,”,。,切削过程中刀具磨损具有的特点：,刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。,接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。,接触面的温度很高，硬质合金刀具可达,800,1000,0,C,，高速钢刀具可达,300600,0,C,。,刀具磨损是机械、热和化学三种作用的综合结果，将产生,“,硬质点磨损、冷焊磨损、扩散磨损和氧化磨损,”,。,1,.,硬质点磨损,在切削过程中，切屑、工件材料中含有的一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点及积屑瘤碎片，都可在刀具表面刻划出沟纹，造成硬质点磨损。,2,.,粘结磨损（冷焊磨损）,切削时，切屑、工件与前刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦而发生冷焊。摩擦面之间的相对运动又使冷焊层破裂。,由于交变应力，热应力以及刀具表层结构缺陷，刀具表面上的颗粒被切屑或工件粘走，造成,“,刀具前刀面上的冷焊坑,”,。,4.,氧化磨损,当切削高温达,700800,0,C,时。空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物（,如,WO,3,、,TiO,2,等），被切屑或工件磨擦掉而形成磨损。,3,.,扩散磨损,在切削接近高温时，由于切屑、工件与刀具的接触，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了刀材成分与结构，使刀具表层变脆弱，加剧了刀具的磨损。,结论：,对于一定的刀具材料和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。,高温时，扩散和氧化磨损最大；中低温时，冷焊磨损占主导地位；硬质点磨损在不同的温度下都存在。,硬质合金加工钢料时，不同切削温度下各类磨损的比重,三、刀具磨损过程及磨钝标准,1,.,硬质合金刀具磨损量,VB,随切削时间的变化,由于刃磨后新刀具的后刀面与加工表面的实际接触面积很小，压强很大，所以磨损很快。,初期磨损量的,VB,为：,VB,= 0.05 0.1 mm,。,后刀面磨损量,VB,时间,t,正常磨损,急剧磨损,初期磨损,（,1,）初期磨损阶段,（,2,）正常磨损过程,刀具经过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小，磨损量的增加变缓，并且比较稳定。,（,3,）剧烈磨损阶段,经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削温度升高。此时刀具磨损发生质的变化而进入剧烈磨损。,后刀面磨损量,VB,时间,t,正常磨损,急剧磨损,初期磨损,2,.,刀具磨钝标准,刀具磨钝标准定为,：,后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以,VB,表示。,制订磨钝标准应考虑的因素,工艺系统的刚性较差时，,VB,考虑磨损对加工精度的影响以及测量的便利。,难加工材料，如切削高温合金不锈钢时，,VB,。,加工要求高时，,VB,。,加工大型工件，,VB,。,四、刀具耐用度及经验公式,刀具耐用度是切削的重要参数，而切削用量是影响耐用度的主要因素。,1,.,刀具耐用度的定义,研究耐用度的目的,比较不同刀具材的切削性能。,比较工件材料的切削加工性。,判断刀具的几何角度是否合理。,耐用度,T,指,刃磨后的刀具从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的净切削时间，即,L,m,达到磨钝标准时走过的切削路程。,金属材料切削加工性,切削加工性：,是指对某种材料进行切削加工的难易程度。,以刀具耐用度,T,或切削速度,v,衡量其加工性，,凡是,K,r,1,的材料,，其加工性比,45,钢好,易加工材料,；,凡是,K,r,1820,0,后，刀刃部分散热体积减小，,刀具磨损,。,五、刀具耐用度的选择,在实际生产中，存在着刀具耐用度与最大生产率和最低加工成本之间的关系，但关系比较复杂。,刀具耐用度选择过高，则切削用量必在较低水平，虽然刀具消耗及其费用较小，但经济效果差；,若刀具耐用度选择过低，则生产率较高，但刀具磨损较快，刃磨、换刀工时及费用较高，同样也达不到高效、低成本的要求。,选择刀具耐用度应考虑：,1,.,最大生产率耐用度,T,p,根据单件工时最短原则制定的耐用度。,2,.,最低成本耐用度,T,c,是指以工序成本最低原则制定的耐用度。,结论：,耐用度的选择原则是，一般情况下，应采用最低成本耐用度，当任务紧迫或生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率耐用度。,3.,最大利润耐用度,T,pr,使工序所获利润最高原则制定的耐用度。,一般常用刀具的耐用度可从机械工艺手册中查得。,