第2章金属切削过程的基础知识

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,重庆科技学院机械工程学院,*,单击此处编辑母版标题样式,孟杰,第二章 金属切削原理与刀具,本章介绍金属切削过程的基础知识，分两大部分：,一、基本定义,介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（基面、切削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等。,二、刀具,介绍刀具种类、刀具材料应具备的性能（硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性），两种常用的刀具材料（高速钢、硬质合金）和其它刀具材料（涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼）。,重庆科技学院机械工程学院,本章内容,金属切削过程的基本概念,刀具角度,刀具的种类、材料与选用,重庆科技学院机械工程学院,2.1,金属切削过程的基本概念,2.1.1,切削表面与切削运动,2.1.2,切削用量三要素与切削层参数,重庆科技学院机械工程学院,2.1.1,切削表面与切削运动,1,切削运动,刀具与工件间的相对运动称为,切削运动,（也称为,表面成形运动,）。,按作用来分，切削运动可分为,主运动,和,进给运动,。,重庆科技学院机械工程学院,图中是车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度,V,e,、主运动速度,V,c,和进给运动速度,V,f,之间的关系。,2.1.1,切削表面与切削运动,2,切削表面,切削加工过程是一个动态过程， 在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的,切削表面,。,重庆科技学院机械工程学院,待加工表面：工件上即将被切除的表面。,已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面。,过渡表面,(,加工表面,),：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。,2.1.2,切削用量三要素与切削层参数,重庆科技学院机械工程学院,1.,切削用量三要素,v,、,f,、,a,p,称为切削用量三要素。,（,1,）切削速度,v,切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。当主运动为回转运动时：,d,工件（或刀具）的最大直径,mm,；,n,主运动的转速，工件（或刀具）的转速 ，,r/s,或,r/min,。,2.1.2,切削用量三要素与切削层参数,重庆科技学院机械工程学院,（,2,）进给速度、进给量和每齿进给量,进给速度,v,f,切削刃上选定点相对于工件的进,给运动瞬时速度，,mm/s,或,mm/min,。,进给量,f,工件或刀具转一周（或每往复一），,两者在进给运动方向上的相对位移量 ，,mm/r,或,mm/,行程。,每一个刀齿的进给量,f,z,，即后一个刀齿相对于前,一个刀齿的进给量，单位是,mm/z(,毫米,/,齿,),。,V,f,=,nf,=,nzf,z,2.1.2,切削用量三要素与切削层参数,重庆科技学院机械工程学院,（,3,）背吃刀量,背吃刀量,a,p,为工件上已加工表面和待加工表面间,的垂直距离，单位为,mm,。,外圆柱表面车削的深度可用下式计算：,对于钻孔工作,上两式中,d,m,已加工表面直径（,mm,）,d,w,待加工表面直径（,mm,）,2.1.2,切削用量三要素与切削层参数,重庆科技学院机械工程学院,2.,切削层参数,在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。,（,1,）切削层公称厚度,h,D,h,D,反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图得车外圆时：,h,D,=,fsink,r,其中：,h,D,切削层公称厚度，,(mm),；,f,进给量，,(mm/r,）；,k,r,车刀主偏角，,(,。,),。,（,2,）切削层公称宽度,b,D,b,D,反映了切削刃参加切削的工作长度。由图得：,b,D,=,a,p,/sink,r,其中：,b,D,切削层公称宽度，,(mm),。,（,3,）切削层公称横截面积,A,D,切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。由图得：,A,D,=,h,D,*,b,D,=,fsink,r,*,a,p,/sink,r,=f*,a,p,其中,: A,D,切削层公称横截面积，,(mm,2,),。,2.2,刀具角度,2.2.1,刀具切削部分的组成,2.2.2,定义刀具角度的参考系,2.2.3,刀具的标注角度,2.2.4,刀具的工作角度,重庆科技学院机械工程学院,2.2.1,刀具切削部分的组成,重庆科技学院机械工程学院,(1),前刀面,刀具上与切屑接触并相互作用的表面。,（,3,）副后刀面,刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。,（,2,）主后刀面,刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。,（,4,）主切削刃,前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。,外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。其定义分别为：,（,5,）副切削刃,前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。,（,6,）刀尖,主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段或圆弧。,2.2.1,刀具切削部分的组成,其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看作是车刀的演变和组合。,重庆科技学院机械工程学院,2.2.2,定义刀具角度的参考系,重庆科技学院机械工程学院,2.,构成刀具标注角度参考系的平面,（,1,）,基面,P,r,通过切削刃上某一点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。它同时也平行于刀杆底面。,重庆科技学院机械工程学院,车刀的标注参考系（图中,V,c,表示假定的主运动方向，,V,f,表示假定的进给运动方向）,重庆科技学院机械工程学院,(2),切削平面,P,s,：,通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面的平面。,刀具标注参考系,重庆科技学院机械工程学院,车刀的静止参考系（图中,V,c,表示假定的主运动方向，,V,f,表示假定的进给运动方向）,重庆科技学院机械工程学院,刀具标注参考系,(3),正交平面,P,o,：,通过切削刃选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。,重庆科技学院机械工程学院,车刀的静止参考系（图中,V,c,表示假定的主运动方向，,V,f,表示假定的进给运动方向）,正交平面参考系,重庆科技学院机械工程学院,2.,刀具的标注角度,刀具在正交平面参考系中定义的标注角度有：,（,1,）前角,o,：,重庆科技学院机械工程学院,前角,0,：前刀面与基面间的夹角（正交平面中测量）,重庆科技学院机械工程学院,2.,刀具的标注角度,刀具在正交平面参考系中定义的标注角度有：,（,1,）前角,o,作用：,影响切屑的变形程度,影响刀刃强度,重庆科技学院机械工程学院,后角,0,：,后刀面与切削平面间的夹角（正交平面中测量）,（,2,）后角,a,o,：,重庆科技学院机械工程学院,2.,刀具的标注角度,（,2,）后角,a,o,：,作用：,影响主后刀面与工件过渡表面的摩擦,配合前角改变切削刃的锋利与强度,重庆科技学院机械工程学院,k,r,主偏角,r,：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角,（,3,）主偏角,k,r,：,重庆科技学院机械工程学院,2.,刀具的标注角度,（,3,）主偏角,k,r,：,作用：,影响切削条件和刀具寿命,影响切削分力的大小,重庆科技学院机械工程学院,2.,刀具的静态角度,（,4,）副偏角,k,r,：,在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角,。,副偏角,k,r,一般为锐角。,重庆科技学院机械工程学院,刃倾角,s,：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角,（,5,）刃倾角,l,s,：,2. 刀具的静态角度,重庆科技学院机械工程学院,（,5,）刃倾角,l,s,：,作用：,影响切屑流出方向,重庆科技学院机械工程学院,在标注参考系和标注角度定义的基础上：,合成切削运动方向 假定的主运动方向,进给运动方向 假定的进给运动方向,名称前冠以,“,工作,”,二字，,在角度符号上加下标,“,e,”,即构成了工作参考系及工作角度的定义,2.2.4,刀具的工作角度,2.2.4,刀具的工作角度,重庆科技学院机械工程学院,2.,横向进给运动对工作角度的影响,此时在工作参考系（,P,re,、,P,se,、,P,oe,）内的工作角度,oe,和,oe,为：,oe,o,+,;,oe,=,o,。,2.2.4,刀具的工作角度,3.,轴向进给运动对工作角度的影响,重庆科技学院机械工程学院,2.2.4,刀具的工作角度,4.,车刀安装高度对工作角度的影响,重庆科技学院机械工程学院,以车刀车外圆为例，若不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，将引起工作前角,oe,和工作后角,oe,的变化,换算到工作主平面内：,2.2.4,刀具的工作角度,5.,刀杆中心线偏斜对工作角度的影响,重庆科技学院机械工程学院,车刀刀杆与进给方向不垂直时，工作主偏角,k,re,和工作副偏角,k,re,将,发生变化：,2.3,刀具的种类、材料与选用,2.3.1,刀具种类,2.3.2,刀具材料,2.3.3,刀具选用,重庆科技学院机械工程学院,2.3.1,刀具种类,1.,刀具分类,按加工方式和具体用途，分为,车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具,等几大类型。,按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（,CBN,）刀具和金刚石刀具等；,按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；,按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。,重庆科技学院机械工程学院,2.3.1,刀具种类,2.,常用刀具简介,(1),车刀,是金属切削加工中应用最广的一种刀具。它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔，也可用于切槽和切断等。车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀。机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必磨刀，所以在现代生产中应用越来越多。,重庆科技学院机械工程学院,2.3.1,刀具种类,2.,常用刀具简介,重庆科技学院机械工程学院,(2),孔加工刀具,孔加工刀具一般可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。,2.3.1,刀具种类,2.,常用刀具简介,重庆科技学院机械工程学院,(3),铣刀,铣刀是一种应用广泛的多刃回转刀具，其种类很多。按用途分有：,1,）加工平面用的，如圆柱平面铣刀、端铣刀等；,2,）加工沟槽用的，如立铣刀、,T,形刀和角度铣刀等；,3,）加工成形表面用的，如凸半圆和凹半圆铣刀和加工其它复杂成形表面用的铣刀。铣削的生产率一般较高，加工表面粗糙度值较大。,2.3.1,刀具种类,重庆科技学院机械工程学院,(4),拉刀,拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具，可分为各种内拉刀和外拉刀两类。使用拉刀加工时，除了要根据工件材料选择刀齿的前角、后角，根据工件加工表面的尺寸确定拉刀尺寸外，还需要确定两个参数：（,1,）齿升角,a,f,（,2,）齿距,p,2.3.1,刀具种类,2.,常用刀具简介,重庆科技学院机械工程学院,(5),螺纹刀具,螺纹可用切削法和滚压法进行加工。,2.3.1,刀具种类,重庆科技学院机械工程学院,(6),齿轮刀具,齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。按刀具的工作原理，齿轮分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具。常用的成形齿轮刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮刀具等。常用的展成齿轮刀具有插齿刀、齿轮滚刀和剃齿刀等。,选用齿轮滚刀和插齿刀时，应注意以下几点：,1,）刀具基本参数应与被加工齿轮相同。,2,）刀具精度等级应与被加工齿轮要求的精度等级相当。,3,）刀具旋向应尽可能与被加工齿轮的旋向相同。,2.3.2,刀具材料,刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择与和合理使用。,1.,刀具材料应具备的性能,(1),高的硬度和耐磨性,刀具材料要比工件材料硬度高；耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量和分布。,(2),足够的强度和韧性,为了承受切削中的压力冲击和韧性，避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。,重庆科技学院机械工程学院,2.3.2,刀具材料,(3),高耐热性,刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。,(4),良好的工艺性,为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性。如，切削加工性、铸造性、锻造性和热处理性等。,(5),良好的热物理性能和耐热冲击性能等,要求刀具导热性较好，不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,常用的刀具材料有：,碳素工具钢,切削金属的性能较差，切削刃,合金工具钢,锋利，可加工木材、橡胶、塑料。,高速钢,生产中用的最多、,硬质合金,最广。,陶瓷,强度低、,金刚石,脆性大，,立方氮化硼,成本高，,涂层刀具,仅用于某些有限的场合。,重庆科技学院机械工程学院,高速钢,高速钢是一种,合金工具钢,，具有一定的硬度和耐磨性，有较高的强度和耐热性，在切削温度高达,600,700,时尚能切削。,重庆科技学院机械工程学院,高速钢,高速钢是强度和韧性最好的刀具材料，适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材料。,各类高速钢刀具,重庆科技学院机械工程学院,高速钢,高速钢的冷加工工艺性特别好，在热处理前，高速钢可以像一般中碳钢一样的进行各种加工；热处理后，高速钢刀具可以磨出锋利的切削刃。,重庆科技学院机械工程学院,高速钢,正是由于高速钢具有足够的强度、硬度、耐热性和耐磨性，具有特别好的冷加工工艺性、磨削加工工艺性和较好的热加工工艺性，所以，,在钻头、丝锥、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等复杂刀具制造中，高速钢仍占主导地位。,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,高速钢,（,1,）通用高速钢,典型牌号：,W18Cr4V,和,W6Mo5Cr4V2,（,2,）高性能高速钢：,高性能高速钢是在普通高速钢的成分中，增加碳含量形成高碳高速钢、增加碳化钒含量形成高钒高速钢、或者添加钴、铝等元素形成钴高速钢、铝高速钢，目的是为了提高高速钢的耐热性和耐磨性,。,（,3,）粉末冶金高速钢,（,2,）硬质合金,重庆科技学院机械工程学院,金属碳化物,+,金属粘结剂,粉末冶金,硬质合金,硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。,硬质合金的硬度为89,HRA 93 HRA,高速钢的硬度为83,HRA 86.6 HRA,硬质合金在,8001000,0,C,时仍能切削,高速钢在,500600,0,C,时能切削,（,2,）硬质合金,切削速度,在刀具寿命相同的条件下，硬质合金的切削速度比高速钢的可提高210倍，可达100,m,/,min,以上。,强度和韧性,硬质合金的强度和韧性比高速钢差得多,抗弯强度 冲击韧度,硬质合金,1500Mpa 30KJ/m,2,高速钢,4000Mpa 350KJ/m,2,使用时要注意，硬质合金刀具不能承受大的振,动和冲击，也不能承受大的热冲击。,重庆科技学院机械工程学院,（,2,）硬质合金,硬质合金的,生产成本较低，,所以，使用极其广泛。,主要用于制造如车刀、刨刀、铣刀、深孔钻、铰刀等简单刀具。,ISO,将切削用的硬质合金分为三类：,1,）,YG(K),类，即,WC-Co,类硬质合金,2,）,YT(P),类，即,WC-,TiC,-Co,类硬质合金,3,）,YW(M),类，即,WC-,TiC-TaC-Co,类硬质合金,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,2.3.2,刀具材料,3.,其它刀具材料,（,1,） 陶瓷,（,2,） 金刚石,（,3,） 立方氮化硼,（,4,） 涂层刀具,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,其他刀具材料,(1),陶瓷,具有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命高；还具有很高的耐热性及良好的抗粘结性和化学稳定性。主要缺点是，抗弯强度和冲击韧度很差。陶瓷刀具主要用于半精车、精车、半精铣、精铣钢和铸铁。,重庆科技学院机械工程学院,其他刀具材料,(2),金刚石,硬度极高,(10000HV),，是目前已知的最硬物,质具有很高的导热系数和很低的线膨胀系数。,缺点是抗弯强度和冲击韧度极差；耐热性也差,金刚石刀具不适于加工黑色金属材料，只适合,于有色金属精密的切削和精密磨削，主要用于,硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高,硬度材料的加工。,重庆科技学院机械工程学院,其他刀具材料,(3),立方氮化硼,有很高的硬度（,8000,9000HV,）和耐磨性，刀具寿命很高；有很高的耐热性；有良好的化学稳定性，可加工黑色金属；有良好的导热性和较低的摩擦因数。主要缺点是：抗弯强度和冲击韧度极差；在高温下与水易起化学反应。适合于进行黑色金属和有色金属的半精加工和精加工，常用于淬硬钢、硬铸铁，高温合金及各种喷涂焊硬质表面的切削加工和磨削加工。,重庆科技学院机械工程学院,其他刀具材料,(4),涂层刀具,具有较高的抗氧化性能，因而有较高的耐磨性；有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可提高刀具的耐用度（提高硬质合金耐用度,1,3,倍，高速钢刀具耐用度,2,10,倍）。但也存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。,2.3.3,刀具选用,1.,刀具种类的选择,刀具种类主要根据被加工表面的形状、尺寸、精度、加工方法、所用机床及要求的生产率等进行选择。,2.,刀具材料的选择,刀具材料主要根据工件材料、刀具形状和类型及加工要求等进行选择。,3.,刀具角度的选择,刀具角度的选择主要包括刀具的前角、后角、主偏角和刃倾角的选择。,重庆科技学院机械工程学院,2.4,金属切削过程,2.4.1,切屑形成过程及变形区的划分,2.4.2,切削变形程度的度量方法,2.4.3,积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,2.4.4,影响切削变形的主要因素,重庆科技学院机械工程学院,2.4.1,切屑形成过程及变形区的划分,1,、切削变形,重庆科技学院机械工程学院,塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂,以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。,(a),压缩,（,b,）切削,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,切屑的形成,金属切削过程中的滑移线和流线,重庆科技学院机械工程学院,切屑的类型,由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也不,同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类：,(1),带状切屑：外形呈带状。,(,2),挤裂,切屑：切屑上与前刀面接触的一面较光洁，其背面局部开裂成节状。,(3),单元,切屑：,切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。,(4),崩碎切屑：切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，得到的切屑呈不规则的细粒状。,切屑的类型是由材料的应力,应变特性和塑性变形程度决定的。,重庆科技学院机械工程学院,切屑的形成,切屑控制：,是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形,重庆科技学院机械工程学院,积屑瘤,积屑瘤与切削刃的,金相显微照片,重庆科技学院机械工程学院,积屑瘤,（,1,）,积屑瘤的形成：,如图所示，积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，积屑瘤可替代切削刃参加切削情况。当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时，会产生较大的挤压作用。此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生。,重庆科技学院机械工程学院,积屑瘤,（,2,）,积屑瘤对切削过程的影响：,1),使刀具的工作前角增大，刀具变锋利；,重庆科技学院机械工程学院,积屑瘤,（,2,）,积屑瘤对切削过程的影响：,1),使刀具的工作前角增大，刀具变锋利；,2,）积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。,重庆科技学院机械工程学院,积屑瘤,（,2,）,积屑瘤对切削过程的影响：,1),使刀具的工作前角增大，刀具变锋利；,2,）积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。,3),积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。,重庆科技学院机械工程学院,积屑瘤,（,2,）,积屑瘤对切削过程的影响：,1),使刀具的工作前角增大，刀具变锋利；,2,）积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。,3),积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。,4),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。,重庆科技学院机械工程学院,（,1,）降低切削速度，,使温度较低，粘结现象不易发生；,（,2,）采用高速切削，,使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；,（,3,）采用润滑性能好的切削液，,减小摩擦；,（,4,）增加刀具前角，,以减小切屑与刀具前刀面接触区压力；,（,5,）适当提高工件材料硬度，,减小加工硬化倾向。,防止积屑瘤的方法,重庆科技学院机械工程学院,积屑瘤,2.6,切削力,2.6.1,切削力与切削功率,2.6.2,切削力的测定,2.6.3,切削力的经验公式和切削力估算,2.6.4,影响切削力的因素,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,1.,切削力的来源,（,1,）克服被加工材料对弹性变形的抗力；,（,2,）克服被加工材料对塑性变形的抗力；,（,3,）克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对加工表面与已加工表面之间的摩擦力；,切削力,重庆科技学院机械工程学院,2.,总切削力的分解和切削功率,（,1,）总切削力的分解,切削力,V,c,V,f,1,）主切削力,F,c,3,）背向力,F,p,(,径向力,),2,）进给力,F,f,(,轴向力,),重庆科技学院机械工程学院,2.,总切削力的分解和切削功率,（,1,）总切削力的分解,切削力,V,c,V,f,切削力、切削合力及其分解、切削功率,3.,切削功率,消耗在切削过程中的功率称为切削功率,P,C,。,重庆科技学院机械工程学院,P,c,=F,z,V,c,10,-3,kW,按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（,P,E,）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。,P,E, P,c,/,式中 ：,机床的传动效率，一般取为,0.75,0.85,，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。,切削力的测定,目前采用的切削力测量手段主要有：,重庆科技学院机械工程学院,测定机床功率，计算切削力,用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率,P,E,后，可按下式计算出切削功率,P,c,P,c,=,P,E,2,用测力仪测量切削力,测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出,F,z,、,F,x,、,F,y,的值。,切削力的经验公式和切削力估算,通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为：,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,影响切削力的因素,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。在切削强度和硬度相近的材料时，塑性和韧性越大的材料，切削力也越大。,工件：,b,、,HB,F,C,工件：塑性、韧性,F,C,重庆科技学院机械工程学院,影响切削力的因素,2,）切削用量,对切削力的影响,。,a,）背吃刀量,ap,和进给量,f,对切削力的影响,;,背吃刀量,ap,进给量,f,Ac,变形抗力,摩擦力,切削力,重庆科技学院机械工程学院,切削力,标准切削试验：,刀具材料,P10,，工件材料,45,钢,b,=,650,Mpa,，,车刀几何参数为,g,o,=10,、,k,r,=,45,、,l,s,=0,。,即，,a,p,增大一倍，,F,C,也增大一倍；而,f,增大一倍，,F,C,只能增大,68%,80,。,重庆科技学院机械工程学院,影响切削力的因素,2,）切削用量,对切削力的影响,。,b,）切削速度,Vc,对切削力的影响,;,切削塑性材料时,重庆科技学院机械工程学院,影响切削力的因素,3,）刀具几何参数,对切削力的影响,。,a,）,前角,g,o,对切削力的影响,;,刀刃锋利,前角,g,o,变形抗力,切削力,重庆科技学院机械工程学院,影响切削力的因素,3,）刀具几何参数,对切削力的影响,。,a,）,前角,g,o,对,切削力的影响,;,前角对切削力的影响,ap,=4mm,f,=0.25mm/r,重庆科技学院机械工程学院,影响切削力的因素,3,）刀具几何参数,对切削力的影响,。,b,）,主偏角,k,r,对切削力的影响,;,重庆科技学院机械工程学院,影响切削力的因素,3,）刀具几何参数对切削力的影响,。,e,）使用切削液,对切削力的影响,;,使用切削液，可降低,刀具前后刀面的摩擦,F,C,2.7,切削热和切削温度,2.7.1,切削热的产生和传导,2.7.2,切削温度的计算与测量,2.7.3,影响切削温度的主要因素,2.7.4,切削温度对工件、刀具和切削过程的影响,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,切削热和切削温度,切削热的产生和传导,重庆科技学院机械工程学院,切削热和切削温度,1.,切削热的产生和传导,重庆科技学院机械工程学院,切削热和切削温度,1.,切削热的来源,式中,Q,单位时间产生的热量，单位：,J/s,；,F,c,切削力，单位：,N,；,v,c,切削速度单位：,m/s,。,切削温度的计算与测量,切削温度的测量,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,影响切削温度的主要因素,工件材料,切削用量,刀具几何参数,刀具磨损,切削液,重庆科技学院机械工程学院,切削热和切削温度,影响切削温度的主要因素,(1),工件材料,工件材料的导热性,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。,工件材料的强度、硬度,重庆科技学院机械工程学院,影响切削温度的主要因素,(2),切削用量,切削速度,v,c,在切削用量中，,切削速度对切削温度的影响最大。,重庆科技学院机械工程学院,影响切削温度的主要因素,(2),切削用量,进给量,材料切除率,Q,=1000,v,c,a,sp,f,f,（但不成正比）,A,D(,散热面,),=,a,sp,f,重庆科技学院机械工程学院,影响切削温度的主要因素,(2),切削用量,背吃刀量,材料切除率,Q,=1000,v,c,a,sp,f,A,D(,散热面积,),=,a,sp,f,a,sp,（但不成正比）,重庆科技学院机械工程学院,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。,重庆科技学院机械工程学院,影响切削温度的主要因素,因此，切削过程中，如果余量给定，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时应：,1),首先优先考虑采用大的背吃刀量；,2),然后选择一个适当的进给量；,3),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。,重庆科技学院机械工程学院,影响切削温度的主要因素,(3),刀具几何参数,1,）,前角,刀刃锋利,前角,o,变形抗力,切削力,重庆科技学院机械工程学院,影响切削温度的主要因素,(3),刀具几何参数,2,）,主偏角,k,r,散热面积,影响切削温度的主要因素,(4),刀具磨损的影响,在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,切削液,切削液对切削温度的影响：,降低切削温度最有效的措施是合理使用切削液,切削液的作用,冷却作用,润滑作用,排屑作用,清洗和防锈作用,切削温度对工件、刀具和切削过程的影响,切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高；切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷。,（,1,）切削温度对工件材料强度和切削力的影响,（,2,）对刀具材料的影响,（,3,）对工件尺寸精度的影响。,（,4,）利用切削温度自动控制切削速度或进给量。,（,5,）利用切削温度与切削力控制刀具磨损。,重庆科技学院机械工程学院,2.8,刀具的磨损与破损、刀具寿命及刀具状态监控,2.8.1,刀具磨损的形态及其原因,2.8.2,刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命,2.8.3,刀具的破损,2.8.4,刀具的状态监控,2.8.5,刀具寿命,(,刀具耐用度,),的选择原则,2.8.6,影响刀具耐用度的因素,重庆科技学院机械工程学院,刀具的磨损与破损,切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。,重庆科技学院机械工程学院,重庆科技学院机械工程学院,1.,刀具磨损的形式,刀具磨损与刀具寿命,刀具磨损的原因,(1),磨粒磨损,在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。,(2),粘结磨损,刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。,粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。,低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。,重庆科技学院机械工程学院,刀具磨损的原因,重庆科技学院机械工程学院,(3),扩散磨损,切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。,扩散磨损是一种化学性质的磨损。,(4),相变磨损,当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。,(5),氧化磨损,氧化磨损是一种化学性质的磨损。,重庆科技学院机械工程学院,2.,刀具磨损过程及磨钝标准,(1),刀具的磨损过程,刀具磨损与刀具耐用度,硬质合金车刀的典型磨损曲线,重庆科技学院机械工程学院,2.,刀具磨损过程及磨钝标准,(2),刀具的磨钝标准,刀具磨损与刀具耐用度,重庆科技学院机械工程学院,刀具磨损与刀具耐用度,2.,刀具磨损过程及磨钝标准,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。,对于一般刀具，,规定后刀面上均匀磨损区的宽度,VB,值作为刀具的磨钝标准。,定尺寸刀具和自动化生产中的精加工刀具，,常以径向磨损量,NB,的允许值作为磨钝标准。,重庆科技学院机械工程学院,3.,刀具磨损过程及磨钝标准,(2),刀具的磨钝标准,刀具磨损与刀具寿命,重庆科技学院机械工程学院,1,）精加工,VB,0.1 mm,0.3mm,；,粗加工,VB,0.6 mm,0.8mm,。,2,）工艺系统刚性较差时，应规定较小的磨钝,标准；,3,）粗车钢件，特别是粗车合金钢和高温合金,时，磨钝标准要比粗车铸铁时取得小些。,4,）加工同一种工件材料时，硬质合金刀具的,磨钝标准要比高速钢刀具取得小些。,刀具磨损与刀具寿命,重庆科技学院机械工程学院,刀具寿命,(1),定义,刀具寿命（刀具的耐用度）,一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具寿命。又称为刀具的耐用度，用,T,（分钟）表示。,（可重磨）刀具寿命：两次刃磨之间刀具实际参加切削时间的总和。,刀具总寿命,=,T,刃磨次数,重庆科技学院机械工程学院,(2),切削速度与刀具寿命的关系,v,切削速度,T,刀具寿命（刀具耐用度）,m,指数，表示,v,T,间影响的程度,C,系数，与刀具、工件材料、切削条件有关,刀具寿命,重庆科技学院机械工程学院,(3) f,、,a,p,与,T,之间的关系,式,中，,C,T,为耐用度系数；,m,、,n,、,p,为指数。,刀具耐用度,重庆科技学院机械工程学院,(4),刀具寿命的选择原则,切削用量对刀具寿命的影响程度与切削用量对切削温度的影响程度是一致的,刀具合理耐用度按两种原则确定,1,）最高生产率耐用度,2,）最低成本耐用度,刀具耐用度,刀具的破损,重庆科技学院机械工程学院,刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式。,刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力（切削力或热应力），就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。,破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损。,刀具的破损有早期和后期（加工到一定的时间后的破损）两种。,刀具的破损,刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。,硬质合金和陶瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发生脆性破损。,脆性破损又分为：,1.,崩刀,2.,碎断,3.,剥落,4.,裂纹破损,重庆科技学院机械工程学院,2.9,金属切削过程基本规律的应用,2.9.1,工件材料的切削加工性,2.9.2,切削液,重庆科技学院机械工程学院,本节主要从控制切屑、改善材料的切削加工性、合理选择切削液、合理选择刀具几何参数和切削用量等五个方面问题，来达到保证加工质量、降低生产成本和提高生产效率的目的。,2.9.1,工件材料的切削加工性,1,、评定工件材料的切削加工性的主要指标,1,）刀具寿命指标：,切削普通金属材料：用刀具耐用度达到,60min,时允许的切削速度,V60,的高低来评定材料的加工性,切削难加工金属材料：用刀具耐用度达到,20min,时允许的切削速度,V20,的高低来评定材料的加工性。,同样条件下，,V60,或,V20,大，加工性越好。,相对加工性：,KV=V60/V060(,以,45,钢的,V60,为基准，记为,V060,）,重庆科技学院机械工程学院,工件材料的切削加工性：是指工件材料被切削加工的难易程度。,其研究的目的是为了寻找改善材料切削加工性的途径。,2.9.1,工件材料的切削加工性,重庆科技学院机械工程学院,1,、评定工件材料的切削加工性的主要指标,2,）加工表面粗糙度指标：,粗糙度值越小，加工性越好。,另外，还用切屑形状是否容易控制、切削温度高低和切削力大小（或消耗功率多少）来评定材料加工性的好坏。,2.9.1,工件材料的切削加工性,2,、改善材料切削加工性的措施,1,）调整化学成分,如在不影响工件材料性能的条件下，适当调整化学成分，以改善其加工性。,2,）材料加工前进行合适的热处理,低碳钢通过正火处理后，有利于减小刀具的粘结磨损，减小积屑瘤，改善工件表面粗糙度；,高碳钢球化退火后，可减小刀具磨损；,不锈钢调质到,HRC28,为宜，硬度高刀具易磨损；,白口铸铁可在,950,1000C,范围内长时间退火而成可锻铸铁，切削就较容易。,重庆科技学院机械工程学院,2.9.1,工件材料的切削加工性,2,、改善材料切削加工性的措施,3,）选加工性好的材料状态,低碳钢经冷拉后，塑性大为下降，加工性好,锻造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改为热轧后加工性得以改善。,4,）其它,重庆科技学院机械工程学院,2.9.2,切削液,重庆科技学院机械工程学院,2,、常用切削液及其选用,（,1,）水溶液：水溶液就是以水为主要成分并加入防锈,添加剂的切削液。主要起冷却作用。常用的有电解水,溶液和表面活性水溶液。,（,2,）切削油,:,主要起润滑作用。,10,号、,20,号机油：用于普通车削、攻丝,轻柴油：用于自动机上。,煤油：用于精加工有色金属、普通孔或深孔精加工。,豆油、菜油、蓖麻油等：用于螺纹加工。,1,、切削液的作用,冷却作用、润滑作用（边界润滑原理）、洗涤和防锈作用,2.9.2,切削液,重庆科技学院机械工程学院,2,、常用切削液及其选用,（,3,）乳化液：由水和油混合而成的液体。生产中的乳化液是由乳化剂（蓖麻油、油酸或松脂）加水配置而成。,（,4,）极压切削油和极压乳化液：在切削液中添加了硫、氯、磷极压添加剂后，能在高温下显著提高冷却和润滑效果。,2.10,切削用量的选择,2.10.1,制订切削用量时考虑的因素,2.10.2,切削用量制定的步骤,2.10.3,提高切削用量的途径,重庆科技学院机械工程学院,2.10.1,制订切削用量时考虑的因素,重庆科技学院机械工程学院,1,、切削加工生产率,在切削加工中，金属切除率与切削用量三要素,ap,、,f,、,v,均保持线性关系，然而由于刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其它二参数必须减小。,一般情况下尽量优先增大,ap,，以求一次进刀全部切除加工余量。,2,、机床功率,背吃刀量,ap,和切削速度,Vc,增大时，均使对切削功率成正比增加。进给量,f,对切削功率影响较小。所以，粗加工时，应尽量增大进给量。,2.10.1,制订切削用量时考虑的因素,重庆科技学院机械工程学院,3,、刀具寿命（刀具的耐用度,T,）,切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为,Vc,、,f,、,ap,。因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时，首先应采用尽可能大的背吃刀量,ap,；然后再选用大的进给量,f,；最后求出切削速度,Vc,。,4,、加工表面粗糙度,精加工时，增大进给量将增大加工表面粗糙度值。在较理想的情况下，提高切削速度,Vc,，能降低表面粗糙度值；背吃刀量,ap,对表面粗糙度的影响较小。,2.10.2,切削用量制定的步骤,重庆科技学院机械工程学院,1.,背吃刀量,ap,的选择,根据加工余量多少而定；除留给下道工序的余量外，其余的粗车余量尽可能一次切除，以使走刀次数最小；当粗车余量太大或加工的工艺系统刚性较差时，则加工余量分两次或数次走刀后切除。,2.,进给量,f,的选择,可利用计算的方法或查手册资料来确定进给量,f,的值。,3.,切削速度,Vc,的确定,按刀具的耐用度,T,所允许的切削速度,VT,来计算。,除了用计算方法外，生产中经常按实践经验和有关手册资料选取切削速度。,4.,校验机床功率,VcPE,*/,（,1000Fz,）,m/s,2.10.3,提高切削用量的途径,重庆科技学院机械工程学院,1.,采用切削性能更好的新型刀具材料；,2.,在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料加工性；,3.,改善冷却润滑条件；,4.,改进刀具结构，提高刀具制造质量。,切削用量选择原则：,能达到零件的质量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）并在工艺系统强度和刚性允许下及充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大的切削用量。,