機械制造技術基礎 課件 【ch02】金屬切削原理

金屬切削原理“普通高等教育機械類系列教材機械制造技術基礎第二章01切削運動與切削用量金屬切削加工是利用刀具切去工件毛坯上多余的金屬(加工余量),以獲得具有一定尺寸、形狀、位置精度和表面質量的機械加工方法。刀具的切削作用是通過刀具與工件之間的相互作用和相對運動來實現(xiàn)的。其中，刀具與工件之間的相對運動稱為切削運動，即表面成形運動。切削運動可分解為主運動和進給運動。所有切削運動的速度及方向都是按刀具相對于工件來確定的。2.1切削運動與切削用量1.主運動主運動是刀具與工件之間使刀具的前刀面逼近工件材料以進行切削加工的相對運動。主運動的速度最快，消耗的功率最大。在切削加工中，主運動只有一個。例如，車削時工件的回轉運動是主運動；銑削時銑刀的回轉運動是主運動；刨削時刀具或工作臺的往復直線運動是主運動。2.1切削運動與切削用量2.進給運動進給運動是與主運動配合，以連續(xù)不斷地切除工件上的多余金屬，從而形成所需幾何形狀的已加工表面的運動。進給運動可以是連續(xù)的，如車削、銑削和磨削等；也可以是間歇的，如刨削和插削。進給運動可能是與主運動同時連續(xù)進行的，也可能是與主運動交替間歇進行的。2.1切削運動與切削用量進給運動可以只有一個，也可以有幾個。如車削和刨削一般只需要一個進給運動，而銑削和磨削可能需要多個進給運動。還有些切削加工過程，如攻螺紋和拉削等，進給運動是在刀具設計時，通過合理布置切削刃來完成的。3.合成切削運動主運動和進給運動合成的運動稱為合成切削運動。2.1切削運動與切削用量010203(1)待加工表面：工件上有待切除的表面。(2)已加工表面：工件上經(jīng)刀具切削后形成的表面。(3)過渡表面：工件上連接待加工表面與已加工表面的表面。它是工件上正在被切削的表面。它在下一切削行程中被切除，或者在刀具或工件的下一轉里被切除，或者由下一切削刃切除。2.1切削運動與切削用量1.切削速度v切削速度是切削刃上選定點相對于待加工表面在主運動方向上的速度，單位為m/min。若主運動為旋轉運動，切削刃上各點的切削速度可能是不同的，一般將切削刃上的最大切削速度作為該切削過程的切削速度，切削速度可由下式計算：2.1切削運動與切削用量式中，dw為工件待加工表面或刀具的最大直徑(mm);n為工件或刀具每分鐘旋轉的轉數(shù)(r/min)。2.進給量f進給量是工件或刀具每旋轉一周或每完成一次行程時，工件與刀具在進給運動方向上的相對位移，單位為mm/r(用于車削、鏜削等)或mm/行程(用于刨削、磨削等)。進給量還可以用進給速度vr(單位為mm/s)或每齒進給量后(用于銑刀、鉸刀等多刃刀具，單位為mm/齒)表示。對于多齒刀具，若刀具齒數(shù)為z,則進給量與進給速度、每齒進給量的關系為V=nf=nf.2.1切削運動與切削用量3.背吃刀量ap背吃刀量是待加工表面與已加工表面之間的垂直距離，單位為mm。外圓車削時，背吃刀量為2.1切削運動與切削用量式中，dm為工件已加工表面的直徑(mm)。切削層是指工件上正在被切削刃切削的一層金屬，即相鄰兩個加工表面之間的一層金屬。以車削外圓為例，切削層是指工件每轉一轉，刀具從工件上切下的那一層金屬。切削層的大小反映了切削刃所受載荷的大小，直接影響到加工質量、生產(chǎn)效率和刀具的磨損等。1.切削層參數(shù)2.1切削運動與切削用量(1)切削寬度aw。沿主切削刃方向度量的切削層尺寸(mm)。車外圓時：式中，N?為主切削刃與工件軸線之間的夾角。(2)切削厚度ac。兩相鄰加工表面間的垂直距離(mm)。車外圓時：a=fsinx,(3)切削面積Ac。切削層垂直于切削速度的截面的面積(mm2)。車外圓時：A.=awa?=a,f2.1切削運動與切削用量1)直角切削和斜角切削直角切削是指切削刃垂直于合成切削運動方向的切削方式，如圖2.3(a)所示。斜角切削是指切削刃不垂直于合成切削運動方向的切削方式，如圖2.3(b)所示。直角切削方式，切屑流出方向在切削刃法平面內；而斜角切削方式，切屑流出方向不在切削刃法平面內。2.1切削運動與切削用量2)自由切削和非自由切削自由切削是指只有一條直線切削刃參與切削的切削方式。其特點是切削刃上各點切屑流出方向一致，且金屬變形在二維平面內。圖2.3(a)既是直角切削方式，又是自由切削方式，故稱為直角自由切削。曲線切削刃或兩條以上切削刃參與切削的切削方式稱為非自由切削。在實際生產(chǎn)中，切削多為非自由切削方式。在研究金屬變形時為了簡化條件，常以直角自由切削方式進行分析。2.1切削運動與切削用量02刀具的結構金屬切削刀具要實現(xiàn)其切削功能，一是要被正確地安裝在機床上，二是其結構形狀要有利于切削過程的進行。盡管金屬切削刀具的種類很多，結構各異，但其結構總是可以分成兩個部分：用于安裝于機床上的夾持部分和用于切削工件上多余金屬的切削部分。外圓車刀是最基本、最典型的切削刀具，如圖2.4所示，其切削部分(又稱刀頭)由前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃和刀尖組成，統(tǒng)稱為“三面兩刃一尖”。2.2刀具的結構010203040506前面是指刀具上與切屑接觸并相互作用的表面。前面(前刀面)主切削刃是指前面與主后面的交線，它完成主要的切削工作。主切削刃主后面是指刀具上與工件過渡表面接觸并相互作用的表面。主后面(主后刀面)副切削刃是指前面與副后面的交線，它配合主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。副切削刃副后面是指刀具上與工件已加工表面接觸并相互作用的表面。副后面(副后刀面)刀尖是指連接主切削刃和副切削刃的一段切削刃，它可以是很小的直線段或圓弧(稱為刀尖圓弧，一般刀尖圓弧半徑re=0.2～1.6mm)。刀尖2.2刀具的結構刀具作為工藝系統(tǒng)的組成部分，為保證切削加工的順利進行并獲得預期的加工質量，至少要滿足兩個基本條件：一是具有合理的幾何形狀；二是相對于工件具有正確的位置和運動。為了使刀具滿足上述兩個基本條件且便于刀具的設計、制造和使用，定義了刀具角度以限定刀具切削部分的形狀和相對于工件的位置及運動方向。要確定和測量刀具角度，必須引入三個相互垂直的參考平面(參考系)。各國所采用的刀具角度參考系各不相同，主要有正交平面參考系、法平面參考系和假定工作平面參考系三類。我國主要采用正交平面參考系。如圖2.6所示，正交平面參考系由基面、切削平面和正交平面組成。2.2刀具的結構010203基面是過切削刃選定點的平面，它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及測量時適合安裝或定位的一個平面或軸線，一般其方位要垂直于假定的主運動方向。切削平面是通過切削刃選定點，與切削刃相切，并垂直于基面的平面。正交平面是通過切削刃選定點，同時垂直于基面和切削平面的平面。2.2刀具的結構1.基面2.切削平面3.正交平面刀具的標注角度的作用有兩個：一是確定刀具上切削刃的空間位置；二是確定刀具上前面、主后面、副后面的空間位置。2.2刀具的結構在正交平面內測量的前面與基面之間的夾角，稱為前角。前角表示前面的傾斜程度，有正、負和零值之分。1)前角x在正交平面內測量的主后面與切削平面之間的夾角，稱為后角。后角表示主后面的傾斜程度，一般為正值。2)后角α在正交平面內測量的主后面與前面之間的夾角，稱為楔角。楔角為派生角度，B=90°-(a%+%)。楔角主要用于比較切削刃的強度。3)楔角戶2.2刀具的結構在基面內測量的主切削刃在基面上的投影與進給運動方向的夾角，稱為主偏角。主偏角一般為正值。1)主偏角在基面內測量的副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向的夾角，稱為副偏角。副偏角一般為正值。2)副偏角x在基面內測量的切削平面和副切削平面之間的夾角，稱為刀尖角。刀尖角也可以定義為主切削刃和副切削刃在基面上的投影之間的夾角。刀尖角為派生角度，E=180°-(x?+x)。刀尖角主要用于比較刀尖的強度。3)刀尖角E2.2刀具的結構刃傾角L:在切削平面內測量的主切削刃與基面之間的夾角。如圖2.8所示，當主切削刃呈水平時，λs=0;當?shù)都鉃橹髑邢魅猩献畹忘c時，x<0;當?shù)都鉃橹髑邢魅猩献罡唿c時，s>0。2.2刀具的結構在實際的切削加工中，由于刀具安裝位置和進給運動的影響，切削平面、基面和正交平面位置會發(fā)生變化，故刀具的標注角度會發(fā)生一定的變化。以切削過程中實際的切削平面、基面和正交平面為參考平面所確定的刀具角度稱為刀具的工作角度，又稱實際角度。2.2刀具的結構1)橫向進給運動(橫車)2.2刀具的結構2)縱向進給運動(縱車)1)刀尖位置高低安裝刀具時，刀尖不一定在機床的中心高度上，如果刀尖高于機床中心(見圖2.11),此時工作切削平面為與工件表面切于選定點A的p…o平面，工作基面為與pse垂直的pe,其工作前角、后角分別為Yne、ape。2.2刀具的結構2)刀柄軸線不垂直于進給方向如圖2.12所示，當?shù)侗S線與進給方向不垂直時(刀柄軸線偏轉G角度),工作主偏角和工作副偏角與標注主偏角和標注副偏角的關系為Ke=K;±G;xm=x+G式中，刀頭左偏時為+,反之為-。2.2刀具的結構03切削過程的基本規(guī)律1.金屬切削過程的研究方法金屬切削過程是指被切削的金屬層在刀具的推擠和擠壓下由工件材料的一部分轉變成為切屑的過程。金屬切削過程是刀具的切削刃和前刀面對工件切削層的連續(xù)作用，使切削層產(chǎn)生剪切滑移變形的過程。在這個過程中還會伴隨產(chǎn)生已加工表面。被刀刃刮擦過的已加工表面的表層金屬也會產(chǎn)生彈塑性變形，使切削的變形過程更為復雜。研究切削過程對保證加工質量、提高生產(chǎn)效率、降低成本和促進切削加工技術的發(fā)展，有著十分重要的意義。常用的金屬切削過程的研究方法有：側面變形觀察法、快速落刀法、高速攝影法、掃描電鏡顯微觀察法、有限元法等。2.3切削過程的基本規(guī)律1)側面變形觀察法如圖2.13所示，將工件側面拋光，劃出細小方格，察看切削過程中這些方格如何被扭曲，從而獲知刀具前方變形區(qū)的范圍以及金屬顆粒如何流向切屑。用這種方法可以觀察分析從刀具接觸工件開始直至切屑形成的整個塑性變形的過程。2.3切削過程的基本規(guī)律2)快速落刀法利用快速落刀裝置在某一瞬間以很快的速度使刀具脫離工件，獲得切屑根部試樣。將切屑根部制成金相磨片，借助金相顯微鏡觀察金相組織的變化、晶粒的纖維化、滯留層和積屑瘤的情況，并且可以測得剪切角的大小。一種常見的快速落刀裝置如圖2.14所示，車刀桿的中部通過圓柱銷設于刀架上，刀桿的近刀片處有一個壓力彈簧，壓力彈簧的另一端固定于刀架上，刀桿的另一端與活動定位銷接觸。使用時轉動削邊銷，車刀桿在彈簧的推力作用下能夠穩(wěn)定快速地脫離工件。2.3切削過程的基本規(guī)律利用高速攝影技術可以觀察試件外表面切屑形成的動態(tài)過程，有時還可以看到試件顯微組織的變化。一般高速攝影的速度為1000～8000幅/秒。3)高速攝影法2.3切削過程的基本規(guī)律利用掃描電鏡觀察切屑根部或切屑的金相磨片，可以看到金屬晶粒內部的微觀滑移情況，從物理的角度來理解金屬切削過程及其現(xiàn)象。4)掃描電鏡顯微觀察法金屬切削有限元分析的主要過程是定義工件及刀具的材料性能、幾何參數(shù)和切削參數(shù)，以及工件和刀具的相互作用關系，建立切削過程的有限元仿真模型，利用有限元軟件對模型進行計算，得出仿真結果并加以分析，從而完成對金屬切削過程的仿真研究，如圖2.15所示。5)有限元法2.3切削過程的基本規(guī)律以直角自由切削塑性材料模型為基礎研究切屑形成過程，進而揭示金屬切削過程中涉及的應力、應變和變形問題。根據(jù)試驗，切削層金屬在刀具作用下變成切屑的形態(tài)大體可劃分為三個變形區(qū)，如圖2.16所示。2.3切削過程的基本規(guī)律010203從OA線開始金屬發(fā)生剪切變形，到OM線金屬晶粒的剪切滑移基本結束，AOM區(qū)域稱為第一變形區(qū)(或剪切區(qū))。該區(qū)域是切屑變形的基本區(qū)，其變形的主要特點是晶粒沿滑移線的剪切滑移變形，并隨之產(chǎn)生加工硬化。該區(qū)是刀-屑接觸區(qū)。切屑沿前刀面流出時受到擠壓和摩擦，使靠近前刀面的晶粒進一步剪切滑移。其特征是切屑底層晶粒纖維化，流速減慢甚至會滯留在前刀面上；切屑發(fā)生彎曲；刀-屑接觸區(qū)溫度升高等。該區(qū)是刀-工接觸區(qū)，已加工表面受到切削刃鈍圓部分及后面(后刀面)的擠壓和摩擦，金屬晶粒進一步剪切滑移，有時也呈纖維化，其方向平行于已加工表面，并產(chǎn)生加工硬化和回彈現(xiàn)象。2.3切削過程的基本規(guī)律1)第一變形區(qū)(1)2)第二變形區(qū)(Ⅱ)3)第三變形區(qū)(Ⅲ)鑒于切削加工巨大的經(jīng)濟和工藝價值，建立切削過程的理論模型，用以預測切削狀態(tài)，對于優(yōu)化切削條件、提高加工效率具有重要意義。直角切削是最典型、最簡單的一種切削方式，對它的研究有助于揭示切削過程的基本原理及其物理本質。國內外學者致力于該領域的研究，并在過去的幾十年里建立了許多經(jīng)典的二維直角切削模型。下面將簡單介紹幾種簡單剪切模型。2.3切削過程的基本規(guī)律剪切角φ(剪切面與切削方向的夾角)是切削過程中極其重要的物理參數(shù)，它的大小影響整個切削模型的確定。Merchant根據(jù)做功最小原理，認為剪切角總是保持在適當?shù)拇笮?，使得切削過程中所消耗的能量最小，并且假定剪切面上的剪切應力等于材料剪切屈服強度，從而得到剪切角φ關于刀具前角y和摩擦角β之間的關系：2.3切削過程的基本規(guī)律2.3切削過程的基本規(guī)律2.3切削過程的基本規(guī)律模型假定切削過程中的塑性變形完全發(fā)生于剪切面ab上，整個滑移線場為均勻應力區(qū)，處于極限應力狀態(tài)并且沒有塑性流動，是一個臨界于剛體的初始塑性區(qū)，用以考察切削力在刀具表面和剪切面之間的傳遞。該模型中的整個滑移線場處于均勻應力狀態(tài)，因此可以通過摩爾應力圓對其進行研究，從而得到各角度間的相互關系，進一步給出剪切角表達式：1.材料去除機理塑性金屬材料在常規(guī)切削速度范圍內以剪切滑移去除為主。如圖2.16所示，當工件受到刀具的擠壓以后，切削層金屬在始滑移面以左發(fā)生彈性變形，越靠近始滑移面，彈性變形越大。在始滑移面上，應力達到材料的屈服點σs,則發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生剪切滑移現(xiàn)象。隨著刀具的連續(xù)移動，原來處于始滑移面上的金屬不斷向刀具靠攏，應力和變形也逐漸加大。在終滑移面上，應力和變形達到最大值。越過終滑移面后，切削層金屬將脫離工件基體，沿著前刀面流出而形成切屑，完成切離。1)塑性材料(1)常規(guī)切削速度范圍。2.3切削過程的基本規(guī)律塑性金屬材料在高速或超高速切削速度范圍內去除以絕熱剪切或周期性斷裂為主。絕熱剪切(又稱剪切局部化，突變性熱塑剪切)是材料在高應變率條件下塑性變形的局部化現(xiàn)象，普遍存在于爆炸、撞擊、侵徹、切削等涉及沖擊載荷的高速變形過程中?！敖^熱”是指由于應變速率很高，由塑性功轉化的熱量來不及散失而將其過程近似為絕熱。(2)高速或超高速切削速度范圍。2.3切削過程的基本規(guī)律以陶瓷材料磨削過程為例說明脆性材料的去除機理。陶瓷材料磨削過程中的去除主要有晶粒去除、材料剝落、脆性斷裂和晶界微破碎等幾種方式。在晶粒去除過程中，材料中的整個晶粒從工件表面上脫落，同時伴有材料的剝落，它是磨削過程中所產(chǎn)生的橫向和徑向裂紋的擴展而形成的局部剝落。而磨粒前下方的材料破碎則是表面圓周應力和剪切應力分布引起的各種脆性斷裂破壞的結果。2)脆性材料2.3切削過程的基本規(guī)律1)帶狀切屑帶狀切屑是最常見的一種切屑。它的內表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。若用顯微鏡觀察，在外表面上也可看到剪切面的條紋，但每個單元很薄，肉眼看來大體上是平整的。加工塑性金屬材料，當切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時，常得到這類切屑。2.3切削過程的基本規(guī)律2)擠裂切屑這類切屑與帶狀切屑的不同之它的第一變形區(qū)較寬，在剪切滑移過程中滑移量較大。由滑移變形所處在于表面呈鋸齒形，內表面有時有裂紋。這類切屑之所以呈鋸齒形，是由于產(chǎn)生的加工硬化使剪切力增加，在局部地方達到材料的破裂強度。這類切屑大多在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時產(chǎn)生。2.3切削過程的基本規(guī)律3)單元切屑如果在擠裂切屑的剪切面上，裂紋擴展到整個面，則整個單元被切離，成為梯形的單元切屑。以上三種切屑只有在加工塑性材料時才可能得到。其中，帶狀切屑的切削過程最平穩(wěn)，切削力波動最小，單元切屑的切削力波動最大。在生產(chǎn)中常見的是帶狀切屑，有時得到擠裂切屑，單元切屑則很少見。2.3切削過程的基本規(guī)律崩碎切屑是加工脆性材料的切屑。這種切屑的形狀是不規(guī)則的，加工表面是凸凹不平的。從切削過程來看，切屑在破裂前變形很小，和塑性材料的切屑形成機理不同，它的脆斷主要是由于材料所受應力超過了它的抗拉強度。加工脆硬材料，如高硅鑄鐵、白口鑄鐵等，特別是當切削厚度較大時常得到這種切屑。由于得到崩碎切屑的切削過程很不平穩(wěn)，容易破壞刀具，也有損于機床，已加工表面又粗糙，因此在生產(chǎn)中應力求避免。方法是減小切削厚度，使切屑成針狀或片狀；同時適當提高切削速度，以增加工件材料的塑性。4)崩碎切屑2.3切削過程的基本規(guī)律以上是四種典型的切屑，但加工現(xiàn)場獲得的切屑，其形狀是多種多樣的。在現(xiàn)代切削加工中，切削速度與金屬切除率很高，切削條件很惡劣，常常產(chǎn)生大量不可接受的切屑。2.3切削過程的基本規(guī)律這類切屑或拉傷工件的已加工表面，使表面更粗糙；或劃傷機床，卡在機床運動副之間；或造成刀具的早期破損；有時甚至影響操作者的安全。特別對于數(shù)控機床、自動線及柔性制造系統(tǒng)，若不能進行有效的切屑控制，輕則限制機床能力的發(fā)揮，重則使生產(chǎn)無法正常進行。所謂切屑控制(又稱斷屑處理),是指在切削加工中采取適當?shù)拇胧﹣砜刂魄行嫉木砬?、流出與折斷，以形成可接受的良好屑形。從切屑控制的角度出發(fā)，國際標準化組織(ISO)制定了切屑分類標準。2.3切削過程的基本規(guī)律圖2.21切屑分類1.前刀面上的摩擦切削塑性金屬材料時，切屑與前刀面之間的壓力為2～3GPa,溫度為400～1000℃,切屑底部與前刀面發(fā)生黏結現(xiàn)象，也稱冷焊現(xiàn)象。此處不是一般金屬之間的外摩擦，而是切屑的黏結層金屬與上層金屬之間產(chǎn)生相對剪切滑移，屬于內摩擦。內摩擦力的大小與材料的剪切屈服應力特性及黏結面積大小有關。2.3切削過程的基本規(guī)律在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑的情況下，加工一般鋼料或其他塑性材料時，常常在前刀面處粘一塊截面有時呈三角狀的硬塊。它的硬度很高，通常是工件材料的2～3倍，在處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)時，能夠代替刀刃進行切削。這塊冷焊在前刀面上的金屬稱為積屑瘤或刀瘤，如圖2.23所示。2.3切削過程的基本規(guī)律切削加工時，切屑與前刀面發(fā)生強烈摩擦而形成新鮮表面接觸。當接觸面具有適當?shù)臏囟群洼^高的壓力時就會產(chǎn)生黏結(冷焊)。于是，切屑底層金屬與前刀面冷焊而滯留在前刀面上。連續(xù)流動的切屑從粘在刀面的底層上流過時，在溫度、壓力適當?shù)那闆r下，也會被阻滯在底層上，使黏結層逐層在前一層上積聚，最后長成積屑瘤。2.3切削過程的基本規(guī)律積屑瘤的產(chǎn)生以及它的積聚高度與金屬材料的硬化性質有關，也與刃前區(qū)的溫度和壓力分布有關。一般來說，塑性材料的加工硬化傾向越強，越易產(chǎn)生積屑瘤；溫度與壓力太低，不會產(chǎn)生積屑瘤；反之，溫度太高，產(chǎn)生弱化作用，也不會產(chǎn)生積屑瘤。走刀量保持一定時，積屑瘤高度與切削速度有密切關系。形成積屑瘤有一最佳切削溫度(對于碳素鋼，最佳溫度為300～500℃),此時積屑瘤高度Hb最大；當溫度高于或低于此溫度時，積屑瘤高度皆變小。2.3切削過程的基本規(guī)律(1)增大實際前角積屑瘤加大了刀具的實際前角，可使切削力變小，對切削過程起積極的作用。積屑瘤越高，實際前角越大。(3)使加工表面粗糙度增大積屑瘤的底部相對穩(wěn)定一些，其頂部很不穩(wěn)定，容易破裂，一部分連附于切屑底部而排出，一部分殘留在加工表面上，積屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工時必須設法避免或減小積屑瘤。(2)增大切削厚度由于積屑瘤的產(chǎn)生、成長、脫落是一個周期性的動態(tài)過程，切削厚度的變化容易引起切削過程出現(xiàn)振動。(4)對刀具壽命的影響積屑瘤粘在前刀面上，在相對穩(wěn)定時，可代替刀刃切削，有減少刀具磨損、提高壽命的作用。積屑瘤不穩(wěn)定時，積屑瘤碎片擠壓前刀面和后刀面，加劇刀具磨損，積屑瘤破碎時還可能引起硬質合金刀具刀面的剝落，從而降低刀具的壽命。2.3切削過程的基本規(guī)律材料的塑性越好，刀與屑之間的接觸長度越大，摩擦系數(shù)越大，切削溫度越高，就越易產(chǎn)生黏結，更容易產(chǎn)生積屑瘤。故應適當提高工件材料的硬度，減小加工硬化傾向。(1)工件材料降低切削速度，使溫度變低，則黏結現(xiàn)象不易發(fā)生；采用高速切削，使切削溫度高于積屑瘤消失的相應溫度，則黏結現(xiàn)象更易發(fā)生，故應使用合理的切削速度。(2)切削速度采用潤滑性能好的切削液，可減小摩擦力和溫度。(3)切削液2.3切削過程的基本規(guī)律增大刀具前角，可以減小切屑與前刀面接觸區(qū)的壓力。(4)刀具前角進給量小，切屑與前刀面接觸長度小，摩擦系數(shù)小，切削溫度低，則不易產(chǎn)生積屑瘤。(5)進給量顯然，積屑瘤有利有弊。粗加工時，對精度和表面粗糙度要求不高，如果積屑瘤能穩(wěn)定生長，則可以代替刀具進行切削，保護刀具，同時可減小切削變形。精加工時，積屑瘤會影響加工精度，因而不允許積屑瘤出現(xiàn)。2.3切削過程的基本規(guī)律(1)降低切削速度，使切削溫度下降到不易產(chǎn)生黏結現(xiàn)象的程度；(2)采用高速切削，使切削速度高于積屑瘤消失的極限速度；(3)增大刀具前角，減小刀具前刀面與切屑的接觸壓力；(4)使用潤滑性好的切削液，精研刀具表面，降低刀具前刀面與切屑接觸面的摩擦系數(shù)；(5)適當提高工件材料的硬度，減小材料硬化指數(shù)。精加工時避免或減小積屑瘤的主要措施如下：2.3切削過程的基本規(guī)律04切削力1.切削力的來源(1)克服被加工材料彈性變形的抗力。(2)克服被加工材料塑性變形的抗力。(3)克服切屑與刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面(后面)與過渡表面和已加工表面之間的摩擦力。金屬切削時，刀具切除工件上的多余金屬所需要的力稱為切削力。如圖2.24所示，切削力主要來源于：2.4

切削力以外圓車削為例，作用在刀具上的切削合力F?可分解為相互垂直的三個分力，如圖2.25所示。2.4

切削力0102Fe——主切削力(或稱切向力),是切削合力在主運動方向上的投影，其方向垂直于基面。主切削力作用在工件上，并通過卡盤(夾具)傳遞到機床主軸箱，它是設計機床主軸、齒輪和計算主運動功率的主要依據(jù)，也是設計夾具和選擇切削用量的重要依據(jù)。主切削力作用于刀具上，使刀桿彎曲、刀片受壓，故根據(jù)它來確定刀桿、刀片的尺寸。Fp——背向力(或稱徑向力),它在基面內并與進給方向垂直。背向力作用于工件上，如果加工系統(tǒng)剛性不足，它可使工件產(chǎn)生彎曲變形，是影響加工精度、引起切削振動的主要原因。背向力不消耗切削功率。2.4

切削力0304Fr——進給抗力或軸向力，它在基面內并與進給方向平行。進給抗力是設計進給機構和計算進給功率的依據(jù)。進給抗力作用在機床進給機構上，是計算進給機構薄弱環(huán)節(jié)零件的強度和檢驗進給機構強度的主要依據(jù)。它消耗總切削功率的1%～5%。Fo、Fp、Fr之間的比例關系隨著刀具材料、幾何參數(shù)、工件材料及刀具磨損狀態(tài)的不同存在較大的變化。顯然：2.4

切削力1.功率反求法利用功率表測量機床的功率，然后求得切削力的大小。該方法誤差較大。2.切削測力儀通常使用的切削測力儀有兩種：電阻應變片式測力儀和壓電晶體式測力儀(如Kistler測力儀)。這兩種測力儀都可以測出Fe、Fp、Fr三個分力，后者精度較高。2.4

切削力3.經(jīng)驗公式法通過大量實驗，將測力儀測得的切削力數(shù)據(jù)，用數(shù)學方法進行處理，得到切削力的經(jīng)驗公式。通常采用切削力的指數(shù)公式，如下式：4.單位切削力法單位切削力是指單位切削面積上的切削力，用p表示。若已知單位切削力F.和切削面積A,即可求得切削力。2.4

切削力5.解析計算法瞬時剛性力模型可以較準確地對銑削過程中任意時刻銑削力的大小和方向進行預測，其計算公式為：6.有限元法由于計算機軟、硬件技術的發(fā)展，有限元技術以其特有的優(yōu)勢在金屬切削領域得到了廣泛的應用，越來越多的商用有限元軟件被開發(fā)應用于切削加工模擬，包括Abaqus、DEFORM、Third

Wave

AdvantEdge等。有限元法除了可以計算切削力，還可對切削溫度、殘余應力、刀具磨損等進行分析，優(yōu)化切削參數(shù)，是模擬切削過程的有效工具。2.4

切削力1.工件材料的影響(1)工件材料的強度、硬度越高，雖然切屑變形略有減小，但總的切削力還是增大的。(2)工件材料的化學成分不同(如含碳量多少，是否含有合金元素等),則切削力不同。(3)工件材料的熱處理狀態(tài)不同，則切削力不同。(4)材料硬化指數(shù)不同，則切削力不同。如不銹鋼硬化指數(shù)大，則切削力大；銅、鋁、鑄鐵及脆性材料硬化指數(shù)小，則切削力小。工件材料不同，則材料的剪切強度、塑性變形程度及刀與屑間的摩擦條件不同，從而影響切削力。2.4

切削力當背吃刀量和進給量增加時，切削面積增加，切削力增大。但背吃刀量增加時變形系數(shù)不變，切削力按正比關系增加；而進給量增加時變形系數(shù)減小，因此，切削力不按正比關系增加。進給量對切削力的影響比背吃刀量的影響小。1)背吃刀量和進給量的影響2.4

切削力如圖2.26所示，切削塑性金屬(45鋼)時，在積屑瘤區(qū)，積屑瘤現(xiàn)象使刀具實際前角增大，切屑變形減小，切削力減小。在無積屑瘤時，隨切削速度的增大，切削力減小。切削脆性金屬時，切削速度增大，切削力略有減小。因此，在刀具材料和機床性能允許的條件下，采用高速切削，既能提高生產(chǎn)效率，又能使切削力減小。2)切削速度的影響2.4

切削力1)前角的影響前角對切削力的影響較大。當切削塑性金屬時，切削力隨前角增大而減小。因為前角增大，剪切角φ增大，變形系數(shù)ξ減小，切屑流出阻力減小。前角對切削力的影響程度隨v增大而減小。加工脆性金屬時前角對切削力的影響不明顯。2.4

切削力2)負倒棱的影響如圖2.27所示，在鋒利的切削刃上磨出負倒棱，可以提高刃口強度，從而提高刀具使用壽命。但負倒棱導致切削變形增大，切削力增大。若負倒棱寬度為b?,切屑與刀具前刀面的接觸長度為L,則bn<l時切屑沿前刀面流出，正前角仍起作用，但切削力比無倒棱時要大些；而當br>l?時切屑沿負倒棱而不是前刀面流出，切削力相當于用負前角為yol的車刀車削時的切削力。當有負倒棱時，切削力經(jīng)驗公式應加修正系數(shù)。2.4

切削力3)主偏角的影響主偏角主要是通過影響切削厚度和刀尖圓弧曲線長度來影響變形，從而影響切削力的。主偏角對切削力的影響如圖2.28所示。當x<60°時，隨x?增加，切削厚度ac增大，變形減小，故切削力減??；當x>75°時，雖然ac增大，但刀尖圓弧刃工作長度增大引起變形增大，且占主導作用，故主切削力F。增大。當x>60°時，背向力F,減小，進給抗力F?增加。由于主偏角=60°~75°能減小切削力F。和Fp,因此，生產(chǎn)中x=75°的車刀得到廣泛應用。

2.4

切削力在一般的切削加工中，刀尖圓弧半徑對切削力的影響較小，但刀尖圓弧半徑增大時切削厚度a.減小，則圓弧刃工作部分平均主偏角減小，在基面內分力Fp增大，而F?減小。4)刀尖圓弧半徑的影響2.4

切削力實驗證明，刃傾角A在-40°~40°內變化時Fe沒有什么變化。但λs的變化會引起切削合力F方向的變化，使Fp減小，F(xiàn)?隨A的增大而增大。5)刃傾角的影響05切削熱與切削溫度1.切削熱的來源被切削的金屬在刀具的作用下，發(fā)生彈性和塑性變形而產(chǎn)生功耗，這是切削熱的一個重要來源。此外，切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也要產(chǎn)生功耗，也會產(chǎn)生大量的熱量。如圖2.29所示，切削時共有三個發(fā)熱區(qū)域，即剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面與過渡表面接觸區(qū)。三個發(fā)熱區(qū)與三個變形區(qū)相對應，所以切削熱的來源就是切屑變形功和前刀面、后刀面的摩擦功。2.5切削熱與切削溫度切削塑性材料時，變形和摩擦都比較大，所以發(fā)熱較多。切削速度提高時，因切屑的變形減小，所以塑性變形產(chǎn)生的熱量百分比降低，而摩擦產(chǎn)生熱量的百分比升高。切削脆性材料時，后刀面上摩擦產(chǎn)生的熱量在切削熱中所占的百分比升高。對磨損量較小的刀具，后刀面與工件的摩擦較小，所以在計算切削熱時，如果將后刀面的摩擦功所轉化的熱量忽略不計，則切削時所消耗的功率可按下式計算： Pm=Fv式中，Pm為切削功率(J/s),即每秒鐘所產(chǎn)生的切削熱。在用硬質合金車刀車削ob=0.637GPa的結構鋼時，將切削力F.的經(jīng)驗公式代入得： Pm=Fv=Caf?7v??K由上式可知，ap增大1倍時，Pm相應地增大1倍，因而切削熱也增大1倍；切削速度v的影響次之，進給量f的影響最??；其他因素對切削熱的影響和它們對切削力的影響完全相同。2.5切削熱與切削溫度切削區(qū)域的熱量被切屑、工件、刀具和周圍介質傳出。向周圍介質直接傳出的熱量，在干切削(不用切削液)時，所占比例在1%以下，故在分析和計算時可忽略不計。工件材料的導熱性能是影響熱傳導的重要因素。工件材料的熱導率越低，通過工件和切屑傳導出去的切削熱越少，這就必然使通過刀具傳導出去的熱量增加。刀具材料的熱導率較高時，切削熱易從刀具導出，使切削區(qū)域溫度降低，有利于刀具壽命的延長。切屑與刀具的接觸時間也影響刀具的切削溫度。2.5切削熱與切削溫度0102車削加工時，切屑帶走的切削熱為50%～86%,車刀傳出的切削熱為10%～40%,工件傳出的切削熱為3%～9%,周圍介質(如空氣)傳出的切削熱為1%。切削速度越高或切削厚度越大，則切屑帶走的熱量越多。鉆削加工時，切屑帶走的切削熱為28%,刀具傳出的切削熱為14.5%,工件傳出的切削熱為52.5%,周圍介質傳出的切削熱為5%。2.5切削熱與切削溫度關于切削熱由切屑、刀具、工件及周圍介質傳出的比例，可舉例如下：盡管切削熱是切削溫度升高的根源，但直接影響切削過程的卻是切削溫度。切削溫度一般指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。切削溫度的測量方法很多，大致可分為熱電偶法、輻射溫度計法及其他測量方法。目前應用較廣的是自然熱電偶法和人工熱電偶法。2.5切削熱與切削溫度1)自然熱電偶法圖2.30為自然熱電偶法測量切削溫度的示意圖。在切削時，不同材料的刀具和工件，在切削高溫作用下形成一熱端，與刀具、工件保持室溫的一端(冷端)必然有熱電勢產(chǎn)生(稱塞貝克效應),用儀表測出這一熱電勢，再與這兩種材料的標定曲線進行對照，就可得出切削溫度的平均值。2.5切削熱與切削溫度2)人工熱電偶法將兩種預先標定的金屬絲組成熱電偶(或標準的熱電偶),熱端焊接在被測點上，兩冷端用儀器連接起來，儀器可測得切削時的熱電勢數(shù)值，參照該標準熱電偶的標定曲線，便可得出被測點的溫度值。人工熱電偶法可以測量切削區(qū)內任一點的溫度，因此，用人工熱電偶法可以測量切屑、刀具、工件上不同點的溫度。2.5切削熱與切削溫度采用光/熱輻射法測量切削溫度的原理是：刀具、切屑和工件受熱時都會產(chǎn)生一定強度的光/熱輻射，且輻射強度隨溫度升高而增大，因此可通過測量光、熱輻射的能量間接測定切削溫度，如紅外熱像儀法。2.5切削熱與切削溫度金相結構法是基于金屬材料在高溫下會發(fā)生相應的金相結構變化這一原理來測溫的。該方法通過觀察刀具或工件切削前后金相組織的變化來判定切削溫度的變化。除此以外，還有一種用掃描電鏡觀測刀具預定剖面顯微組織的變化，并與標準試樣對照，從而確定刀具切削過程中所達到的溫度的方法。2.5切削熱與切削溫度利用人工熱電偶法測得刀具和工件上各點溫度數(shù)據(jù)，再通過傳熱學理論計算得出刀具、工件和切屑的溫度分布以及切削不同材料工件時的溫度分布，如圖2.31和圖2.32所示。2.5切削熱與切削溫度(1)在剪切區(qū)內，沿剪切面方向上各點溫度幾乎相同，而在垂直于剪切面方向上的溫度梯度很大。這說明在剪切面上各點的應力應變規(guī)律基本相同，剪切區(qū)內的剪切滑移變形很強烈，瞬間產(chǎn)生大量熱量且十分集中，使剪切區(qū)溫度急劇升高。(2)前刀面上溫度最高點不在切削刃上，而是在離切削刃有一定距離的地方，這是內摩擦區(qū)的摩擦熱沿前刀面不斷增大的緣故。(3)切屑帶走的熱量最多，它的平均溫度高于刀具、工件的平均溫度。(4)刀-屑接觸面溫度最高且梯度大，主要是因為切削速度高，摩擦大，熱量不易擴散。(5)刀具材料和工件材料的熱導率越小，前、后刀面上的溫度越高。如高溫合金和鈦合金的熱導率低，切削溫度高，因此切削時宜采用較低的切削速度，以降低刀具上的溫度。2.5切削熱與切削溫度切削溫度的高低取決于兩個方面：產(chǎn)生的熱量和散熱速度。產(chǎn)生的熱量少，散熱速度快，則切削溫度低；或者上述之一起主導作用，也會降低切削溫度。因而，凡是能影響產(chǎn)生的熱量和散熱速度的因素均會影響切削溫度。根據(jù)理論分析和大量的實驗研究可知，切削溫度主要受切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材料、刀具磨損和切削液的影響。2.5切削熱與切削溫度切削溫度的經(jīng)驗公式為 θ=C?v?f?a式中，θ為測得的切削區(qū)平均溫度，℃;Co為與工件、刀具材料和其他切削參數(shù)有關的切削溫度系數(shù)；zo、yo、xg分別為v、人ap影響切削溫度的指數(shù)。2.5切削熱與切削溫度(1)切削速度對切削溫度影響最大。這是因為隨著v的增大，摩擦熱增大，又來不及傳出，產(chǎn)生熱積聚現(xiàn)象；但切削速度提高使剪切滑移變形減小，因此θ不隨v成正比增大。(2)進給量f對切削溫度的影響次之。這是由于一方面f增大時，單位時間切削體積增大，切削溫度升高；另一方面f增大時ac增大，變形減小，而且切屑熱容量增大，由切屑帶走的熱量增加，所以切削區(qū)切削溫度的上升不顯著。(3)背吃刀量對切削溫度的影響最小。這是因為雖然ap增大使產(chǎn)生的熱量成正比增大，但散熱面積按相同比例增大，故ap對切削溫度影響很小。2.5切削熱與切削溫度0102前角影響切削過程中的變形和摩擦程度。前角y?增大，使切屑變形程度減小，產(chǎn)生的切削熱減少，因而切削溫度下降。但當前角y。大于20°時，對切削溫度的影響減小，這是楔角變小使散熱體積減小的緣故。主偏角主要通過對切削刃工作長度和刀尖角變化的影響來影響切削溫度。若減小主偏角r,則刀尖角和切削刃工作長度加大，切削面積增大，散熱條件較好，故切削溫度較低；隨主偏角x?的增大，切削刃工作長度縮短，同時刀尖角減小，散熱面積減小，切削溫度逐漸升高。2.5切削熱與切削溫度1)前角的影響2)主偏角的影響工件材料對切削溫度的影響取決于其強度、硬度、導熱性等。由理論分析可知，單位切削力是影響切削溫度的重要因素，而工件材料的強度(包括硬度)直接決定了單位切削力，所以工件材料強度(包括硬度)增大時，產(chǎn)生的切削熱增加，切削溫度升高。工件材料的熱導率則直接影響切削熱的導出。在同等條件下，切削合金鋼比切削碳鋼的溫度要高。切削脆性材料時，由于形成崩碎切屑，變形和摩擦都較小，故切削溫度低。2.5切削熱與切削溫度刀具磨損嚴重時，刀具刃口變鈍，切屑變形增大，同時后刀面與工件之間的摩擦增大，兩者均使切削熱增加，故切削溫度升高。在后刀面的磨損達到一定程度后，對切削溫度的影響增大；切削速度越高，影響就越顯著。合金鋼的強度大，熱導率小，所以切削合金鋼時刀具磨損對切削溫度的影響就比切削碳素鋼時大。2.5切削熱與切削溫度澆注切削液對降低切削溫度、減小刀具磨損和提高已加工表面的質量有顯著的效果。切削液對切削溫度的影響，與切削液的導熱性能、比熱、流量、澆注方式以及本身的溫度有很大的關系。從導熱性能來看，油類切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。2.5切削熱與切削溫度06切削加工表面完整性0102切削加工屬于復雜的動態(tài)過程，涉及非線性和多樣性耦合現(xiàn)象，例如熱力耦合載荷、大彈塑性變形、摩擦學條件和切屑分離等。在刀具磨損狀態(tài)下，切削加工過程的復雜性源于極端的摩擦條件和相互的界面耦合作用，其特征主要是溫度升高和機械負荷增大，導致一系列理化過程。2.6切削加工表面完整性機械加工表面完整性主要包括表面形貌特征、微觀組織和物理力學性能。一般根據(jù)零部件服役過程中特定性能以及常用的測試方法，可以選擇有限的表面完整性參數(shù)進行測試與表征。其中，接觸式測量方法包括機械探針式和光學探針式兩種。非接觸式測量方法包括白光干涉測量、共聚焦激光掃描、掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡及其他機器視覺測量方法等。加工表面形貌測量方法可以分為接觸式和非接觸式兩種。2.6切削加工表面完整性2.6切削加工表面完整性特征名稱具體表征參數(shù)及其描述測量手段2D表征參數(shù)3D表征參數(shù)表

面

粗

糙

度(a)高度參數(shù)①輪廓算術平均偏差②輪廓均方根偏差③輪廓平均高度④最大波峰值⑤最大波谷值⑥輪廓峰谷總高度

(b)功能參數(shù)①偏態(tài)系數(shù)②峰態(tài)系數(shù)(c)斜率參數(shù)

均方根斜率(d)間距參數(shù)①中線截距平均值②高峰點數(shù)(a)高度參數(shù)①3D均方根高度②3D平均高度③最大波峰值④最大波谷值

(b)功能參數(shù)①3D偏態(tài)系數(shù)②3D峰態(tài)系數(shù)(c)空間參數(shù)①表面紋理縱橫比②表面紋理方向③最速衰減自相關長度(d)混合型參數(shù)①3D均方根斜率②展開界面面積率

采用探針式表面輪廓儀、光學表面輪廓儀或掃描電鏡進行測量。例如，采用美國Veeco公司的三維光學

表面輪廓儀(NT1100),可一次性測量出多項2D和

3D表面粗糙度表征參數(shù)2.6切削加工表面完整性特征名稱具體表征參數(shù)及其描述測量手段

微

觀

組

織

(a)微觀裂紋①微觀裂紋深度hwe②開口寬度d(b)塑性變形①晶粒組織扭曲厚度dro②晶粒扭曲后的縱寬比k③金屬流線方向f(c)相變相的體積分數(shù)φ(d)晶間腐蝕①腐蝕晶界的總長度lai②腐蝕的深度hc(e)凹陷、撕裂、搭接、凸起

①凹陷的深度h②凹陷的表面積sn③撕裂帶的長度④撕裂帶與表層的夾角⑤搭接的長度h⑥凸起的高度hp(f)切屑瘤①切屑痛的角度0②切眉瘤的高度h③切屑瘤的面積s(g)熔化再沉積①熔化顆粒的直徑lx②再沉積面積sR③沉積高度hpe

(h)變質層①變質層的厚度B②變質層晶粒扭曲程度M

采用低倍(100～1000倍)

金相照片觀察表面微觀裂

紋及金屬塑性變形、晶間腐

蝕、凹陷、切屑瘤、熔化再

沉積等；制備TEM試樣觀察位錯并計算其面密度；利用TEM衍射斑點判斷材料物相的組成及相的比例等零件加工中，表面的濕度變化、機械變形和化學變化均會造成表面層硬度隨表面下深度而變化。加工表面層硬度梯度分布測試方法主要包括顯微硬度及納米壓痕測試等。典型的顯微硬度隨表面下深度變化曲線如圖2.35所示，曲線上各特征點的含義如表2.3所示。2.6切削加工表面完整性顯微硬度HV/MPa圖2.35顯微硬度隨表面下深度變化曲線殘余應力是在消除了一切外力影響(諸如力、溫度變化或外部能量等)后在零件材料中殘存的那些應力。2.6切削加工表面完整性特征名稱具體表征參數(shù)及其描述測量手段

顯微硬度①表層的顯微硬度HV?②表面硬化層厚度hay③基體的顯微硬度HVo④顯微硬度隨深度變化的曲線HV-h

采用帶有努氏或維氏壓頭的顯微硬度測試儀在

金相切片上進行測量目前常用的殘余應力檢測方法是X射線衍射無損檢測方法，即利用電化學拋光方法將加工表面材料進行逐層去除，獲取加工表面深層殘余應力梯度分布特征及影響深度。表面殘余應力隨表面下深度變化的分布曲線如圖2.36所示，曲線上各特征點的含義如表2.4所示。2.6切削加工表面完整性特征名稱具體表征參數(shù)及其描述測量手段

殘余應力①表面殘余應力值(深度為0時的值)O;Sur②峰值拉應力(一定深度時的值)Max③反向過渡深度值(通常深度為幾十微米)ho④峰值壓應力(一定深度時的值)Oc.Max⑤殘余應力的影響深度hy(這時應力應減小到低于13.8MPa或者其值變得微不足道或者低于抗拉強度的10%)

采用X射線衍射儀或者鉆

孔法進行測量為實現(xiàn)加工表面完整性的評價與預測，需要采取相關的技術手段和計算方法將輸入的切削參數(shù)與輸出的表面完整性參數(shù)進行關聯(lián)，并進行定性和定量影響效應分析。表面完整性特征參數(shù)的研究方法主要包括實驗測試、經(jīng)驗模型、解析模型、數(shù)值仿真模型和混合模型等。2.6切削加工表面完整性1.表面粗糙度對零件使用性能的影響當兩個互相摩擦的零件配合時，由于零件表面凹凸不平，只有零件表面一些凸峰相互接觸，而不是全部表面配合接觸。由于實際接觸面積小，因此單位面積上壓力很大。當零件相互摩擦時，表面凸峰很快被壓扁壓平，產(chǎn)生劇烈磨損，從而影響零件的配合性質。粗糙表面的耐腐蝕性比光滑表面差，因為腐蝕性物質容易聚集在粗糙表面的凹谷里和裂縫處，并逐漸擴大其腐蝕范圍。在外力作用下，粗糙表面極易產(chǎn)生應力集中，使零件表面產(chǎn)生顯微裂紋，降低零件的疲勞強度。試驗表明，在沒有冷作硬化層和殘余應力的情況下，表面粗糙度越小，零件的疲勞強度就越接近基體材料。2.6切削加工表面完整性2.冷作硬化對零件使用性能的影響表面冷作硬化通常對常溫下工作的零件較為有利，有時能提高其疲勞強度，但對高溫下工作的零件則不利。由于零件表面層硬度在高溫作用下發(fā)生改變，零件表面層會發(fā)生殘余應力松弛，塑性變形層內的原子擴散遷移率就會增大，導