2.2金属切削原理ppt课件

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1、机械制造工程学1刀具的结构与材料切削变形切削力与切削功率切削热与切削温度主要主要内容内容第2章金属切削原理刀具磨损与刀具寿命金属切削规律的应用2没有副刃参加切削，且s=0。a）直角切削）直角切削b）斜角切削）斜角切削c）不自由切）不自由切削削切削变形1. 直角切削3 切切屑屑的的形形成成与与切切离离过过程程，是是切切削削层层受受到到刀刀具具前前刀刀面面的的挤挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。压而产生以滑移为主的塑性变形过程。FABOM45a）正挤压）正挤压FABOM45b）偏挤压）偏挤压OMFc）切削）切削 正正挤挤压压：金金属属材材料料受受挤挤压压时时，最最大大剪剪应应力力方方向向与与作作

2、用用力力方向约成方向约成4545 偏偏挤挤压压：金金属属材材料料一一部部分分受受挤挤压压时时，OBOB线线以以下下金金属属由由于于母体阻碍，不能沿母体阻碍，不能沿ABAB线滑移，而只能沿线滑移，而只能沿OMOM线滑移线滑移 切切削削：与与偏偏挤挤压压情情况况类类似似。弹弹性性变变形形剪剪切切应应力力增增大大，达达到到屈屈服服点点产产生生塑塑性性变变形形，沿沿OMOM线线滑滑移移剪剪切切应应力力与与滑滑移移量继续增大，达到断裂强度量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。切屑与母体脱离。切削变形2. 挤压与切削4切削变形3. 切削变形过程5图3-3切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=

3、s剪切角切削变形3. 切削变形过程6切削变形过程示意图切削变形过程示意图工工 件件刀 具切削变形3. 切削变形过程7图3-4 切削变形实验设备与录像装置切削变形3. 切削变形过程8 第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。图3-5切削部位三个变形区 第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。 第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。切削变形4. 三个切削变形区9挤裂切屑带状切屑切削变形5. 切屑类型与形成条件10节状切屑

4、崩碎切屑图3-6切屑形态照片切削变形5. 切屑类型与形成条件11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，切削速度较低加工硬脆材料， 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

5、度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑切削变形5. 切屑类型与形成条件12切屑的各种形状切削变形5. 切屑类型与形成条件13v为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。v切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图3-7）图3-7切屑的卷曲图3-8断屑的产生v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图3-8）切削变形5. 切屑类型与形成条件切屑控制14切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。LchhDhchLD图3-9切屑与切削层尺寸 厚度变形系数（3-1） 长度变形系数（3-2）切削变形6.

6、 变形程度变形系数15 当当 00=0=03030， h h 1.51.5时，时， h h与与 相近相近 主主要要反反映映第第 变变形形区区的的变变形形， h h还还包包含含了了第第 变形区的影响。变形区的影响。ysOM0图3-10相对滑移系数（3-3）切削变形6. 变形程度相 对 滑 移 系 数16 粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。 图3-11切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。 滑动区：切屑在脱离前刀面之前

7、，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfi两个摩擦区两个摩擦区切削变形7. 切屑与前刀面的摩擦17切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。A点前方正应力最大，剪应力为0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。变形原因变形原因变形情况变形情况应力分布应力分布nhDhDhACFE图3-12已加工表面变形切削变形8. 已加工表面的摩擦18rFcFFpFf pFfFf pFf pfvF切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力切削力来源切削力来源3个变形区

8、产生的弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间摩擦力切削力分解切削力分解切削力与切削功率1. 切削力19切削力经验公式切削力经验公式式中CFc , CFp , CFf与工件、刀具材料有关系数；xFc , xFp , xFf切削深度ap 对切削力影响指数；yFc , yFp , yFf进给量f对切削力影响指数；KFc , KFp , KFf考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。切削力与切削功率1. 切削力20（3-7）单位切削力单位切削力切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc=1）式中Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。（3-8）切削功率切削功率切削力与切削功

9、率2. 切削功率21机床电机功率机床电机功率单位切削功率单位切削功率式中机床传动效率，通常=0.750.85（3-10）（3-9）指单位时间切除单位体积V0材料所消耗的功率切削力与切削功率2. 切削功率22工件材料工件材料切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂（图3-16） 强度高加工硬化倾向大切削力大519283555100130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）图3-16切削速度对切削力的影响切削用量切削用量切削力与切削功率3. 影响切削力的因素23前角0增大，切削力减小（图3-17）主偏角r对主切削力影响不

10、大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rFp，Ff，图3-18）图3-17前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff图3-18主偏角r对切削力的影响主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200刀具几何角度影响刀具几何角度影响切削力与切削功率3. 影响切削力的因素24刀具几何角度影响刀具几何角度影响与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（sFp，Ff）刀尖圆弧半径r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rFp，Ff）；其他因素影响其他因素影响刀具材料：与工件材料之

11、间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；切削液：有润滑作用，使切削力降低；后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著；切削力与切削功率3. 影响切削力的因素25切削热来源切削热来源切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具图3-19切削热的来源与传出切削热传出切削热传出主要来源 QA=QD+QFF+QFR （3-12）（3-11）式中，QD,QFF ,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量切削热与切削温度1. 切削热26切削温度分布切削温度分布切削塑性材料前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆

12、性材料后刀面靠近刀尖处温度最高。750刀具二维切削中的温度分布图工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611C切削热与切削温度2. 切削温度27q切削用量的影响 式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、X vc、f、ap 的指数。经验公式 （3-12）刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.2

13、6表3-2切削温度的系数及指数切削热与切削温度3. 影响切削温度的因素28q刀具几何参数的影响 前角前角 o o切削温度切削温度 主偏角主偏角 r r切削温度切削温度 负倒棱及刀尖圆弧半径负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小对切削温度影响很小 q工件材料的影响 工工件件材材料料机机械械性性能能切切削削温温度度 工件材料工件材料导热性导热性切削温度切削温度 vc（m/min）1GH13121Cr18Ni9Ti345钢(正火)4HT200刀具材料：YT15；YG8刀 具 几 何 参 数 ：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f

14、=0.1mm/r切削速度、工件材料对切削温度的影响切削速度、工件材料对切削温度的影响（）103050709011013040060080010001243q刀具磨损的影响 q冷却液的影响 切削热与切削温度3. 影响切削温度的因素29自然热电偶法自然热电偶法工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（图3-22）。mV人工热电偶图 工件刀具金属丝小孔可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。人工热电偶法人

15、工热电偶法红外测温法红外测温法切削热与切削温度4. 切削温度的测量方法30积屑瘤成因积屑瘤成因一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接 粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化增大前角，保护刀刃影响加工精度和表面粗糙度滞留粘接长大积屑瘤形成过程积屑瘤形成过程积屑瘤影响积屑瘤影响切屑刀具图3-23积屑瘤积屑瘤切削热与切削温度5. 积屑瘤31残余应力概念残余应力概念未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。残余应力种类及影响残余应力种类及影响残余张应力：易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度 残余压应力：有利于提高零件疲劳强度 残余应力分布不均：会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度切

16、削热与切削温度6. 残余应力32 热塑变形效应：表层张应力，里层压应力 里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力 表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力 实际应力状态是上述各因素影响的综合结果残余应力产生原因残余应力产生原因 控制切削过程：尽可能减小残余应力 时效处理：最大限度减小残余应力 残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法残余应力的控制残余应力的控制切削热与切削温度6. 残余应力33加工硬化概念加工硬化概念已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工表面严重变

17、形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化 硬化程度（3-13）式中H硬化层显微硬度（HV）；H0基体层显微硬度（HV）。 硬化层深度指硬化层深入基体的距离hd（m）加工硬化产生原因加工硬化产生原因加工硬化度量加工硬化度量切削热与切削温度7. 加工硬化34 减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等 减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等 进行适当的热处理加工硬化的控制加工硬化的控制距表面深度HVH0hiH0图3-24加工硬化与表面深度的关系切削热与切削温度7. 加工硬化35刀具磨损形态刀具磨损形态 正常磨损前刀面磨损前刀面磨损形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大

18、影响：削弱刀刃强度，降低加工质量后刀面磨损后刀面磨损形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料,v较小,hD较小；加工脆性材料影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量VBVBmaxa) KTKBb)图3-25刀具磨损形态前、后刀面磨损前、后刀面磨损刀具磨损与刀具寿命1. 刀具磨损 非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）36刀具的磨损刀具的磨损刀具磨损与刀具寿命1. 刀具磨损37图3-26刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具磨损过程3个阶段（图3-26）常取后刀面最大允许磨损量VB磨钝标准刀具磨损与刀具寿命1. 刀具

19、磨损38磨粒磨损各种切速下均存在低速情况下刀具磨损的主要原因粘结磨损（冷焊）刀具材料与工件材料亲和力大刀具材料与工件材料硬度比小中等偏低切速粘结磨损加剧扩散磨损高温下发生氧化磨损高温情况下，在切削刃工作边界发生刀具磨损原因刀具磨损原因刀具磨损与刀具寿命1. 刀具磨损39刀具寿命（耐用度）概念刀具寿命（耐用度）概念 刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T表示。 刀具总寿命一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。式中CT 、m、n、p为与工件、刀具材料等有关的常数。可见v的影响最显著；f 次之；ap影响最小。用硬质合金刀具切削碳钢（b=0.763GPa）时，有：刀具寿命（

20、耐用度）经验公式刀具寿命（耐用度）经验公式刀具磨损与刀具寿命2. 刀具寿命40图3-27不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料寿命（耐用度）比较不同刀具材料寿命（耐用度）比较刀具磨损与刀具寿命2. 刀具寿命41式中to、tm 、ta 、tc分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；T为刀具寿命。令f，ap为常数，有：使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：将上式代入式（4-14），对T求导，并

21、令其为0，可得到最大生产率刀具寿命为：（3-16）又：最大生产率寿命最大生产率寿命刀具磨损与刀具寿命2. 刀具寿命42（3-18）式中C0工序成本；Cm机时费；Ct 刀具费用；tm，ta，tc，T含义同前。使工序成本最小的刀具寿命。仍以车削为例，工序成本为：仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为tmCm刀具费用taCmC0刀具耐用度Top成本图3-28经济寿命经济寿命经济寿命刀具磨损与刀具寿命2. 刀具寿命43规定刀具切削时间，离线检测常规方法常规方法通通过过切切削削力力（切切削削功功率率）变变化化幅幅值值，判判断断刀刀具具的的磨磨损损程程度度；当当切切削削力力突突然然增大或突然下

22、降很大幅值时，则表明刀具发生了破损增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的通过实验确定刀具磨损与破损的“ “阈值阈值” ” 切削力与切削功率检测方法切削力与切削功率检测方法 切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍 声发射检测方法声发射检测方法 刀具磨损与刀具寿命3. 刀具磨破损检测与监控44钻头破损检测器图3-29声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号

23、刀具磨损与刀具寿命3. 刀具磨破损检测与监控451. 确定切削深度ap尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分2次走刀，第一次走刀的切削深度取单边余量的2/33/4。2. 确定进给量 f 粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表） 精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）3. 确定切削速度 v根据规定的刀具耐用度确定切削速度v（计算或查表）4. 校验机床功率(仅对粗加工) 式中P机床电机功率（KW）；机床传动效率； Fc 主切削力（N）。由：，可导出：金属切削规律的应用1. 选择切削参数46优化问题的数学模型优化问题的数学模型求设计变量：X=x1,x2,xnT，使目标函数f (X)

24、min，并满足约束条件：g i (X)0（i =1,2,m） 设计变量：切削过程可以控制的输入变量，即切削用量。ap通常已由工艺过程确定，故一般取v和 f 为设计变量。 目标函数：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。（3-21）1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短切削用量优化模型切削用量优化模型金属切削规律的应用2. 优化切削用量47（3-22）（3-23）2）以最小生产成本为优化目标使工序成本为最小3）以最大利润为优化目标使单位成本金属去除率最大金属切削规律的应用2. 优化切削用量48 约束条件：指设计变量的取值范围（3-24）1）机床结构参数限制2）加工表面粗糙度限制（3-25）式

25、中Ra 表面粗糙度（m）；r刀尖圆弧半径（mm）3）机床功率的限制（3-26）式中各符号含义同前。金属切削规律的应用2. 优化切削用量49即函数求极值的方法。不能考虑约束条件，只适于处理简单问题。（3-27）可利用设置惩罚函数，将约束优化问题转化为无约束优化问题处理。惩罚函数的表达式：式中Ra惩罚函数；r原目标函数；Mp惩罚因子（一个很大的数）；惩罚项；间接法（解析法）间接法（解析法）直接法（数值法或搜索法）直接法（数值法或搜索法）金属切削规律的应用2. 优化切削用量50 寻优过程示意图（采用田川法 + 局部寻优）fv0图3-30田川法寻优过程示意图fminfmaxvminvmaxPPmax约束边界Pop可行域等值线Pcop金属切削规律的应用2. 优化切削用量5152