《机械加工技术及设备 教学课件 ppt 作者 孙庆群 2_第2章 金属切削加工理论及其应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械加工技术及设备 教学课件 ppt 作者 孙庆群 2_第2章 金属切削加工理论及其应用（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械加工技术及设备,第2章 金属切削加工理论及其应用,2.1 切削变形 2.2 切削力 2.3 切削热与切削温度 2.4 刀具磨损与刀具寿命 2.5 切削液及其选用 2.6 刀具几何参数的合理选择 2.7 切削用量的合理选择,2.1 切削变形,2.1.1 金属切削层的切削变形 1.切削变形的力学本质,图2 - 1 金属的挤压与切削的比较,2.切削过程中的三个变形区,2.1 切削变形,图2 - 2 切削变形状态 a)正交平面中的受力情况 b)金相照片,2.1 切削变形,(1)第一变形区 由始滑移面OA与终滑移面OM所围成的区域()称为第一变形区，也称剪切滑移区。 (2)第二变形区 它是指刀屑接触
2、区，即与前面接触的切屑底层内产生的变形区域()，切屑沿刀具前面流出时进一步受到刀具前面的挤压和摩擦，切屑卷曲，靠近前面处晶粒纤维化，其方向基本上和刀具前面平行。 (3)第三变形区 它是指刀工件接触区，亦即近切削刃处已加工表面层内产生的变形区域()。 2.1.2 切屑的形成与切屑类型 1.切屑的形成过程,2.1 切削变形,图2 - 3 切屑的形成过程 a)形成切屑的剪切滑移过程 b)切屑形成模型,2.1 切削变形,2.切屑的类型,图2 - 4 切屑的类型 a)带状切屑 b)节状切屑 c)粒状切屑 d)崩碎切屑,(1)带状切屑 它是最常见的屑形之一(见图2 - 4a)。 (2)节状(挤裂)切屑 切
3、削层在塑性变形过程中，剪切面上局部位置处剪应力达到材料强度极限而产生局部断裂，使切屑顶面开裂形成节状，外表面呈锯齿形，如图2 - 4b所示。,2.1 切削变形,(3)粒状(单元)切屑 对于切削塑性金属材料，如果整个剪切平面上产生的剪应力超过材料强度极限，节状(挤裂)切屑便被剪切断裂成颗粒状，即形成粒状(单元)切屑，如图2 - 4c所示。 (4)崩碎切屑 在切削铸铁等脆性金属时，由于脆性材料抗拉强度低，刀具切入后，切削层未经塑性变形，就会在材料组织的石墨与铁素体之间的疏松界面上产生不规则崩裂，形成崩碎切屑，如图2 - 4d所示。 2.1.3 切削变形程度的表示方法 切削变形是材料微观组织的动态变
4、化过程，因此，变形量的计算很复杂，但为了深入分析和定量研究切削变形的变化规律，通常可用切削变形系数Ah来衡量切削变形程度。,2.1 切削变形,图2 - 5 切削变形程度表示 a)切屑与切削层的外形尺寸 b)切屑的厚度增加、长度缩短 c)前角、剪切角与切削变形的关系,2.1 切削变形,2.1.4 切屑与刀具前面之间的摩擦和积屑瘤 在塑性金属切削过程中，由于切屑底层与刀具前面之间存在着强烈的挤压和剧烈的摩擦，使切屑底层金属的流动速度低于上层的流动速度而形成滞流层，如图2 6a所示。,图2 - 6 积屑瘤 a)内摩擦应力分布 b)积屑瘤外形 c)积屑瘤外形尺寸 加工条件：工件材料45钢、刀具材料W1
5、8Cr4V、=5、=20m/min、f=0.23mm/r,2.1 切削变形,1.积屑瘤对切削过程的影响 (1)保护刀具 由于它的硬度高于工件材料硬度的23倍，故能代替切削刃切削，对刀具切削刃有保护作用。 (2)增大工作前角 积屑瘤形成后，增大了刀具的实际工作前角，使刀具变得锋利，从而减小了切削变形，降低了切削力。 (3)增大切削厚度 由于积屑瘤前端伸出于切削刃之外，加工时会产生过切现象，使切削厚度增加了hD。,2.1 切削变形,(4)增加已加工表面粗糙度 首先，由于积屑瘤高度非周期性的变化，使得切削厚度也无规则变化，工件已加工表面会出现高低不平；其次，脱落掉的积屑瘤碎片粘附在已加工表面上恶化表
6、面粗糙度；另外，积屑瘤高度的不断变化造成刀具切削刃高度的不断变化会引起振动，导致在工件已加工表面上刻划出沟纹，严重影响已加工表面粗糙度。 2.抑制和消除积屑瘤的措施 1)增大刀具前角，使得切削轻快，可减少积屑瘤的产生。,图2 - 7 切削速度对积屑瘤的影响 加工条件：加工材料45钢 =4.5mm f=0.67mm/r,2.1 切削变形,2)减少进给量和切削厚度。 3)采用低速或高速切削，避开容易产生积屑瘤的中等切削速度，如图2 - 7所示，是切削45钢时积屑瘤与切削速度之间的关系。 4)提高刀具刃磨质量、合理选用切削液，可以减轻摩擦，降低切削温度和减少粘结，能够抑制积屑瘤的产生或降低积屑瘤的高
7、度。 5)合理调节各切削参数间的关系，以防止形成中温区域。 6)对工件材料进行适当热处理，提高其硬度，就降低工件的塑性。 2.1.5 已加工表面变形和加工硬化 1.产生加工硬化的原因 2.控制和减轻硬化的措施,2.1 切削变形,(1)磨出锋利的切削刃 在刀具刃磨时，明显减小切削刃的钝圆弧半径rn，能够减小切削过程中的摩擦，从而使硬化程度有效降低。 (2)增大前角o或增大后角o 增大前角o或后角o，都能使切削刃钝圆弧半径rn减小，切削刃变得锋利，切削变形随之减小，加工硬化程度也随之降低。 (3)减小背吃刀量ap 适当减小背吃刀量ap，会减少切入深度，使得切削力减少，切削变形减小，故硬化程度就随之
8、而减轻。 (4)适当减小进给量 进给量减小时，切削力在塑性变形区域范围内减小，加工硬化程度及硬化层深度均有所减小。 (5)适当降低工件材料的塑性 工件材料塑性越小，则强化指数越小，加工硬化越不明显。,2.1 切削变形,(6)合理选用切削液 浇注合适的切削液能减小刀具后面与加工表面之间的摩擦，可使硬化深度明显减小。 2.1.6 影响切削变形的主要因素 因为可以用切削变形系数Ah值来衡量切削变形程度，所以，在生产中常通过改变切削参数，来分析影响Ah的变化规律。 1.工件材料 2.前角o 3.切削速度vc 4.进给量f,2.2 切削力,2.2.1 切削力的来源、合力及其分力 1.切削力的来源 2.切
9、削力的分解,图2 - 8 切削时的合力及其分力,2.2 切削力,2.2.2 分力的作用 1.切向力(主切削力)Fc 2.背向力(径向力或切深抗力)Fp 3.轴向力(进给抗力)Ff 2.2.3 切削功率 切削过程中消耗的功率称为切削功率，用Pc表示。,2.2 切削力,2.利用单位切削力和单位切削功率计算切削力 (1)单位切削力 单位切削力可用单位切削层面积切削力kc或单位切削层宽度切削力F表示。,2.2.4 切削力和切削功率的估算 1.利用指数公式计算切削力,2.2 切削力,表2 - 1 常用材料的单位切削力,(2)单位切削功率pc pc是在单位时间内切除单位体积材料所需的切削功率。 2.2.5
10、 影响切削力的因素 切削过程中，影响切削力的因素很多，凡是影响切削变形和摩擦的因素，均会影响切削力。 1.切削用量的影响 2.工件材料的影响,表2 - 1 常用材料的单位切削力,2.2 切削力,3.刀具几何参数的影响 4.其他因素的影响,2.3 切削热与切削温度,2.3.1 切削热的产生与传散 在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性和塑性变形，切屑与刀具前面，工件与刀具后面之间产生摩擦，由于变形和摩擦而产生热量，这就是产生切削热的原因。 2.3.2 切削温度的分布 切削温度的分布规律如下（见图2 9）：,图2 - 9 切削温度的分布 a)刀具、工件和切屑中温度分布 b)刀具中温度分布 加工条件
11、：刀具材料YT14 加工条件：工件材料30Mn4 =60m/min =3mm f=0.25mm/r,2.3 切削热与切削温度,1)刀屑接触面摩擦大，热量不易传散，故产生的温度值最高。 2)切削区域的最高温度点不在切削刃上，而是在前刀面上离切削刃有一定距离的地方，这是摩擦热沿刀面不断增加的缘故。 3)剪切区中，在剪切面上各点的变形功大致相同，故各点处温度值较接近，但垂直剪切面方向的温度梯度很大。 4)切屑底层上的温度梯度很大。 5)工件材料塑性越大，切削温度分布越均匀；材料脆性越大，最高温度点离切削刃越近。 6)材料导热系数越低，刀具前、后面上的温度越高。 7)切屑带走热量最多，它的平均温度高于
12、刀具、工件上的平均温度。 2.3.3 控制切削温度的措施,2.3 切削热与切削温度,为了减小切削温度给加工带来的不利影响，通常采取以下几方面的控制措施。 1.适当调整刀具几何参数 2.适当调整切削用量 3.选用合适的切削液,2.4 刀具磨损与刀具寿命,2.4.1 刀具磨损 在切削过程中，刀具在高温、高压条件下，前、后面分别受到工件、切屑的强烈摩擦作用，使得刀具材料逐渐被磨耗或出现其他形式的损坏。 1.刀具磨损的形式 (1)正常磨损 正常磨损是指刀具材料的微粒被工件或切屑带走而产生的磨损，随着切削时间的增加，这种现象逐渐扩大的磨损称为正常磨损。 1)后面磨损(见图2 - 10a)。 2)前面磨损
13、(见图2 - 10b)。,2.4 刀具磨损与刀具寿命,图2 - 10 正常磨损 a)后面磨损 b)前面磨损,3)前、后面同时磨损。 4)副后面磨损。,2.4 刀具磨损与刀具寿命,(2)非正常磨损 刀具的非正常磨损主要是指刀具的脆性破损和塑性破损，一般有如下几种破损形式。 1)塑性变形。 2)崩刃。 3)剥落。 4)热裂。 2.磨损过程和磨钝标准,图2 - 11 刀具磨损曲线,2.4 刀具磨损与刀具寿命,(1)刀具的磨损过程 1)初期磨损阶段()。 2)正常磨损阶段()。 3)急剧磨损阶段()。 (2)刀具的磨钝标准 磨损标准亦称磨损判据。 3.刀具磨损的原因及改善途径 (1)磨料磨损(又称机械
14、磨损) 在工件材料中含有氧化物、碳化物和氮化物等硬质点，在铸、锻工件表面上存在着硬夹杂物和在切屑、加工表面上粘附着硬的积屑瘤残片，这些硬质点在切削时似同“磨粒”对刀具表面产生摩擦和刻划作用致使刀面磨损。,2.4 刀具磨损与刀具寿命,(2)粘结磨损 粘结磨损亦称冷焊磨损，切削区存在着很大的压力和强烈的摩擦，切削温度也较高，在切屑、工件与刀具前、后面之间的吸附膜被挤破，形成新的表面紧密接触，因而发生粘结(冷焊)现象。 (3)扩散磨损 扩散磨损是由于在高温作用下，使工件与刀具材料中合金元素相互扩散置换造成的。 (4)相变磨损 相变磨损是工具钢刀具在较高速度切削时产生塑性变形的主要原因。 (5)化学磨
15、损 又称氧化磨损。 2.4.2 刀具寿命 1.刀具寿命的概念 2.影响刀具寿命的因素,2.4 刀具磨损与刀具寿命,(1)切削用量对刀具寿命T的影响 对于同一种材料的切削加工，当刀具的材料和几何参数确定之后，对刀具寿命影响最大的是切削用量。 (2)刀具几何参数 合理选择刀具几何参数(如前角o、主偏角r、副偏角和增大刀尖圆弧半径r)能提高刀具寿命。 (3)工件材料 加工材料的强度、硬度越高、韧性越高、延伸率越小或导热性越差，则切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，刀具寿命就越低。 (4)刀具材料 刀具材料的抗弯强度和硬度越高，耐磨性和耐热性越好，则刀具抗磨损的能力就越强，刀具寿命也越高。 3.合
16、理刀具寿命的确定原则,2.4 刀具磨损与刀具寿命,(1)最高生产率寿命TP TP是根据切削一个零件所花费的时间最少或在单位时间内加工出的零件最多来确定的。 (2)最低生产成本寿命TC TC是根据加工零件的一道工序成本最低来确定的。,图2 - 12 生产率、工序成本与刀具 寿命的关系曲线,2.4 刀具磨损与刀具寿命,1)简单刀具的制造成本低，故它的寿命较复杂刀具的寿命可规定低些。 2)可转位刀具的切削刃转位迅速，更换刀片简便，故刀具寿命可规定低些。 3)精加工刀具的寿命应制订得较高些。 4)自动生产线刀具、数控刀具应制订较高刀具寿命。 4.刀具寿命允许的切削速度vT的计算,2.5 切削液及其选用,2.5.1 切削液的作用 1.冷却作用 2.润滑作用 3.排屑和洗涤作用 4.防锈作用 2.5.2 切削液的种类及其选用 生产中常用的切削液有：以冷却为主的水溶性切削液和以润滑为主的油溶性切削液。 1.水溶性切削液,2.5 切削液及其选用,(1)水溶液 水溶液是以水为主要成分的切削液，它是在软水中加入防锈剂、防霉剂，有的还加入油性添加剂
