金属切削基本原理

,单击此处编辑母版标题样式,机械制造技术基础,第二章,金属切削基本原理,金属切削基本原理,2.1 金属切削过程,2.2 切削力,2.3 切削热与切削温度,2.4 刀具磨损与刀具耐用度,2.5 刀具几何参数与切削用量的选择,2.1,金属切削过程,2.1.1 切屑的形成与切屑变形,2.1.2 切屑的类型,2.1.3 影响,切屑变形的因素,2.1 金属切削过程,切屑根部金相照片,M,刀具,切屑,O,A,终滑移线,始滑移线：,=,s,剪切角,金属切削变形过程,切削变形实验设备与录像装置,2.1.1,切屑的形成与切削变形,切屑的形成过程及变形区的划分,I,变形区,剪切滑移，塑性变形,II,变形区,切屑流出，受挤压，剧烈摩擦,III,变形区,挤压、摩擦，金属回弹，产生残留应力,第一变形区金属的剪切滑移,用相对滑移,来衡量变形程度,剪切滑移,剪切面,OA、OM,剪切角,：,剪切面和切削速度,方向之间的夹角,变形系数,切屑变厚变短,前刀面的挤压摩擦与,积屑瘤,粘结区的摩擦,为金属间的内摩擦,滑动区的摩擦,为外摩擦,积屑瘤,积聚、滞留、粘结、产生、成长、脱落,作用：,保护切削刃，增大前角,影响工件尺寸精度,使表面粗糙度值变大，振动,措施：,高速切削,大前角,小进给,切削液,积屑瘤,切屑,刀具,积屑瘤,Real,Real,已加工表面变形与加工硬化,挤压摩擦回弹,加工硬化,冷硬、显微裂纹、残余应力,鳞刺,2.1.2,切屑的类型,带状切屑,挤裂切屑,(节状切屑),2.1.2,切屑的类型,单元切屑,(粒状切屑),崩碎切屑,切屑的类型,形成条件,影响,名称,简图,形态,变形,带状,，,底面光滑，背面呈毛茸状,节状,，,底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状,粒状,不规则,块状,颗粒,剪切滑移尚未,达到,断裂程度,局部剪切应力达到断裂强度,剪切应力完全达到断裂强度,未经塑性变形即被挤裂,加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大,加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小,工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度很低,加工硬脆材料， 刀具前角较小,切削过程平稳，表面粗糙度小，,妨碍切削工作，应设法断屑,切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳,切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳,切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,崩碎切屑,切屑类型及形成条件,切屑可控性,指标：,不妨碍正常的加工,不影响操作者的安全,易于清理、存放和搬运,国际标准化组织（,ISO,）,切屑分类标准,切屑的卷曲,断屑的产生,2.1.3,影响切削变形的因素,工件材料,塑性大，强度硬度低，屈服极限低,切屑变形大,2.1.3,影响切削变形的因素,工件材料,刀具前角,前角大，刃锋利，挤压小，剪切角大,切屑变形小,2.1.3,影响切削变形的因素,工件材料,刀具前角,切削用量,切削速度,影响积屑瘤和切削温度,呈波形变化,进给量,进给量越大,切屑变形小,2.2,切削力,2.2.1 切削力的来源与分解,2.2.2 切削力测定和切削力实验公式,2.2.3 单位切削力、切削功率,2.2.4 影响,切削力的因素,2.2 切削力,2.2.1,切削力的来源及分解,切削力的来源,切削力的分解,r,F,c,F,F,p,F,f ,p,F,f,F,f,p,F,f ,p,f,v,F,切削合力,F,c,主切削力,F,p,吃刀抗力,F,f,进给抗力,2.2.2,切削力测定和切削力实验公式,切削力的测量原理,电阻应变片式测力仪,电桥平衡,电参数,切削力,此外，还有压电式测力仪（利用石英晶体、压电陶瓷等的压电效应）。,计算切削力的经验公式,2.2.3,单位切削力、切削功率,单位切削力,切除单位切削层面积所产生的主切削力,p,切削功率,切削过程中所消耗的功率。,VcVf,，忽略进给功率，故有：,校验和选取机床电机的依据,2.2.4 影响,切削力的因素,工件材料,强度、硬度、,塑性大切削力大,铸铁,切削力小,切削用量,背吃刀量影响大，进给量影响较大,切削速度,无明显影响,刀具几何参数,前角,增大,切削力减小,主偏角,r,大小,F,p,、F,f,的比值,刀具磨损,刀具材料及切削液,2.3,切削热与切削温度,2.3.1 切削热的来源与传导,2.3.2 切削温度,2.3.3 影响切削温度的因素,2.3.4 切削,液,2.3 切削热与切削温度,2.3.1,切削热的来源与传导,来源：,弹性、塑性变形功，摩擦功,QF,c,v,C,传导：,切屑、刀具、工件、介质,车：,5086,切屑，1040,车刀,39,工件，1,空气,钻：,28,切屑，145,刀具,525,工件，5,介质,磨：,4,磨屑，12,砂轮，84,工件,2.3.2,切削温度,切屑与前刀面接触区域的平均温度,二维切削中的温度分布,750,刀具,工件材料：低碳易切钢；,刀具：,o,=30,，,o,=7,；,切削用量：,a,p,=0.6mm,，,v,c,=0.38m/s,；,切削条件：干切削，,2.3.3 影响,切削温度的因素,需从热的产生与传出分析,切削用量,v,大，,f,中，,a,p,小,刀具几何参数,前角,大,切削温度低,刀具磨损,使切削温度上升,主偏角,r,大,切削温度高,硬度强度高，导热系数小,切削温度高,脆性材料,切削温度低,工件材料,切削液,冷却作用使切削温度下降,2.3.4,切削液,切削液的作用,冷却作用,润滑作用,清洗与防锈作用,常用切削液及其选用,水溶液,=水+防锈剂、清洗剂、油性添加剂,乳化液,=乳化油+水,切削油,车削、钻削、攻螺纹,= 矿物油、+动植物油,极压切削油,滚齿、插齿、车螺纹、一般精加工,磨削、粗加工,=切削油,+,硫、氯和磷极压添加剂,难加工材料的精加工,2.4,刀具磨损与刀具耐用度,2.,4.1,刀具磨损,2.,4.2,刀具耐用度,2.,4,刀具磨损与刀具耐用度,2.,4.1,刀具磨损,刀具磨损的形式,非正常破损：,卷刃、裂纹、崩刀、破裂,正常磨损：,前刀面磨损,后刀,面磨损,月牙洼宽度,KB,和深度,KT,平均磨损值,VB,前后刀面同时磨损,刀具磨损原因,磨料磨损,硬质点及积屑瘤滑擦划出沟纹,粘结磨损,压力、摩擦粘结、冷焊被带走,扩散磨损,相变磨损,改变成分结构表层变脆弱磨损,温度升高，金相组织变化磨损,氧化磨损,高温氧化物，硬度下降磨损,刀具磨损过程,初期磨损阶段,正常磨损阶段,急剧磨损阶段,刀具的磨钝标准,规定允许磨损量的最大值,一般按照后刀面磨损带高度,VB,如：硬质合金外圆车刀的磨钝,标准，一般为：,VB0.3mm,问题：需要观察或测量才知何时换刀。,2.,4.2,刀具耐用度,T,新刀刃或新刃磨的刀具从开始切削至,达到磨钝标准为止的切削时间,刀具寿命,注意区别：,一把新刀具从使用到报废为止的切削时间,刀具寿命=刀具耐用度,刀具刃磨次数,刀具耐用度的定义,切削用量对刀具耐用度的影响,典型值：,分析,影响程度：,v,c,大，,f,中，,a,p,小,刀具耐用度允许的切削速度,：,可以判断刀具性能,高速钢：,m=0.1,0.125,硬质合金：,m=0.2,0.3,陶瓷刀具：,m,0.4,刀具耐用度的选择,经济耐用度,T,c,以单件工序成本最低的原则来确定,最大生产率耐用度,T,p,以单位时间内加工工件数量最多的原则来确定,刀 具,刀具耐用度,硬质合金焊接车刀,60,min,高速钢钻头,80,120 min,硬质合金端铣刀,120,180 min,齿轮刀具,200,300 min,2.5,刀具几何参数与切削用量的选择,2.,5.1,刀具几何参数的选择,2.,5.2,切削用量的选择,2.,5,刀具几何参数与切削用量的选择,2.,5.1,刀具,几何参数的选择,刀具几何参数的基本内容,刀具角度：,前角、后角、主偏角、刃倾角,副偏角、副后角,刀面型式：,卷屑槽、断屑台、铲背,负倒棱、消振棱、刃带,切削刃的剖面形式：,刃形：,直线刃、折线刃、圆弧刃、波形刃, 刀具合理,几何参数选择应考虑的因素,工件材料,化学成分、制造方法、热处理状态,性能，表层情况等,刀具材料及结构,化学成分、性能，刀具结构形式,机床、夹具，系统刚性，功率,切削用量和切削液,加工条件,各参数间的联系,综合考虑相互作用与影响, 刀具角度的,选择,前角及前面的选择,前,角的功用,大前角,减小切削力、切削热,提高刀具寿命、表面质量,但强度降低、温度升高,（,时）,使刀具耐用度为最大值的前角,pt,合理前角：,前角的选择原则,加工材料,塑性材,料(如钢),前角大,脆性材,料(如铸铁),前角小,材料强度硬度低前角大,材料硬度强度高小前角、负前角,刀具材料,如：高速钢前角大,硬质合金前角小,加工性质,精加工前角大,粗加工前角小,表2.1 硬质合金车刀前角的合理,值,工件,材料,粗车,精车,工件,材料,粗车,精车,低碳钢,2025,2530,中碳钢,1015,1520,合金钢,1015,1520,淬火钢,-15-5,不锈钢,1520,2025,钛合金,510,铜及,铜合金,1015,510,铝及,铝合金,3035,3540,灰铸铁,1015,510,前刀面型式的选择,正前角平面型,精加工、成形刀、铣刀，脆性材料,正前角平面带倒棱型,粗切削铸、锻件，断续表面,正前角曲面带倒棱型,粗、精加工塑性材料,负前角单面型,切削高硬度材料、淬火钢,负前角双面型,后角及后刀面的选择,后,角,的功用,大后角,减小摩擦、提高寿命、改善表面质量,强度降低、散热差、磨损加快,合理后角,后角的选择原则,切削参数,切削层厚度,h,D,小 大后角,切削层厚度,h,D,大 小后角,工件材料,强度、硬度高 小后角,塑性大 大后角,工艺系统刚性,刚性差振动 小后角,精度要求高,重磨,小后角,表2.2 硬质合金车刀后角的合理,值,工件,材料,粗车,精车,工件,材料,粗车,精车,低碳钢,810,1012,中碳钢,57,68,合金钢,57,68,淬火钢,810,不锈钢,68,810,钛合金,1015,铜及,铜合金,68,68,铝及,铝合金,810,1012,灰铸铁,46,68,后刀面型式的选择,双重后面,保证刃口强度，减少刃磨,消振棱,增加接触面积及阻尼，消除振动,刃带（后角,=0,）,稳定、导向、消振、延长寿命,副后角的选择,通常等于后角,切断刀、切槽刀、锯片铣刀：,副后角很小一般为 0.52,主偏角和副偏角的选择,影响残留面积高度,主、副偏角小粗糙度值小,影响切削层形状,主偏角大切削宽小厚大，负荷大,影响切削分力比例,主偏角大背向力小,，,进给力大,影响,刀尖角大小,刀尖强度、导热面积、容热体积,影响断屑、排屑,主偏角,和副偏角的功用,主偏角大切屑变厚窄，易断,合理主偏角值的选择,粗、半精加工大主偏角,减小振动，延长寿命，断屑、大切深,加工硬材料小主偏角,减轻负荷，导热容热、延长寿命,工艺系统刚性好小主偏角,延长刀具寿命,工艺系统刚性差大主偏角,减小背向力,F,p,合理副偏角值的选择,一般较小,5,10,精加工,取小，,0,加工高强高硬材料或断续切削,小，,46,切断刀、锯片、槽铣刀,小，,1,2,过渡刃的型式,直线刃,粗车、强力车,r,=,r,/2,圆弧刃,粗糙度值小,水平修光刃,r0,粗糙度值小,大圆弧刃,宽刃精车刀、宽刃精刨刀、浮动镗刀,刃倾角的选择,控制切屑流出方向,影响刀尖强度,s,高温下,2.,6.2,磨削力,特征,单位磨削力很大,背向力,F,P,值最大,70000,Nmm,2,以上,F,P,F,C,=2.02.5,影响,磨削力,的因素,砂轮速度,v,s,大，磨粒数大，切削厚度小，磨削力小,工件速度,v,w,和轴向进给量,大，磨去金属量大，磨削力大,径向进给量,f r,砂轮,大，切削厚度大，磨削力大,磨损，磨削力增大,2.,6.3,磨削热和磨削温,度,磨削温度的基本概念,砂轮磨削区温度,A,磨粒磨削点温度,dot,1000,C,左右,几百度, 影响,磨削温度的主要因素,砂轮速度,v,s,大，磨粒多，切削厚度小,挤压摩擦加剧，滑擦多，温度高,工件速度,v,w,大，金属切除量大，温度高,径向进给量,f,p,金属导热性差，温度高,韧性和强度高，温度高,工件材料,砂轮硬度与粒度,大，磨削力大，发热多，温度高,砂轮软温度低,粒度粗温度低,2.,6.4,磨,削过程中的砂轮磨损,磨损形态,磨耗磨损,脱落磨损,磨粒破碎,砂轮的磨损过程,初期磨损,磨粒破碎,正常,磨损,磨耗磨损,急剧磨损,脱落磨损,谢 谢,图2.1 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,图2.2,第一变形区金属的滑移,图2.7,切削速度与积屑瘤高度的关系,图2.10,国际标准化组织的切屑分类法,图2.11 材料对变形系数,h,的影响,图2.12 前角对变形系数,h,的影响,图2.13 切削速度对变形系数,h,的影响,图2.14 进给量对变形系数,h,的影响,图2.,32,磨粒的磨削过程,车刀的磨损形态,图2.2,0,车刀典型磨损形式示意图,图2.2,1,扩散磨损,图2.,22,温度对磨损的影响,1.粘结磨损,2.磨粒磨损,3.扩散磨损,4.相变磨损,5.氧化磨损,残留面积高度,图2.3,0,刃倾角对切屑流向的影响,