切削過程基本規(guī)律.ppt

1、2.2 切削過程的基本規(guī)律,2.2.1 切削力 1. 切削力分析及切削功率 （1）切削力的產(chǎn)生 、切削力的概念： 刀具在切削過程中克服加工阻力所需的力。,、切削力的產(chǎn)生,A、克服被加工材料對彈性變形的抗力 B、克服被加工材料對塑性變形的抗力 C、克服切屑對刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面和已加工表面間的摩擦力。,切削力的產(chǎn)生,（2）切削合力及分力 Fr FD 合力Fr Ff 進(jìn)給力 FP 背向力 Fc 切削力 FD為總合力在切削層尺寸平面上的投影,切削合力及分解,（3）切削功率 概念： 切削過程中所消耗的功率稱為切削功率Pc。 背向力FP在力的方向無位移，不做功，因此切削功率為進(jìn)給力F

2、f與切削力Fc所做的功。 根據(jù)功率公式切削功率： Pc （ Fc c Ff nf /1000）10-3KW 式中， Fc切削力（N）， c切削速度（m/min）， Ff進(jìn)給力（N），n工件轉(zhuǎn)速（r/s），f進(jìn)給量（） 由于Ff消耗功率一般小于12，可以忽略不計(jì)，因此功率公式可簡化為 ： Pc Fc c 10-3KW,.切削力的計(jì)算： （1）指數(shù)公式 指數(shù)公式應(yīng)用較廣，它的形式如下： 上式中，C、C、C為被加工金屬的切削條件系數(shù)， K、K 、K為當(dāng)加工條件與經(jīng)驗(yàn)公式條件不同時(shí)的修正系數(shù)。,（2）單位切削力公式 概念： 單位切削力指單位切削面積上的切削力。 公式： Kc = = （N/2） 式中，

3、Fc切削力（N）， AD切削面積（2）， ap背吃刀量()，f進(jìn)給量（/r）。 Kc可以查表。,.影響切削力的因素 （1）工件材料 （2）切削用量 、背吃刀量ap與進(jìn)給量f影響 、切削速度 （3）刀具幾何參數(shù) 、刀具前角 、刀具主偏角r和刀尖圓弧半徑 、刀具刃傾角s （4）刀具材料與切削液,（1）工件材料,一般材料的強(qiáng)度愈高，硬度越大，加工硬化性越強(qiáng)，塑性變形越大，加工此材料所需的切削力也越大。 有多種因素影響時(shí)，綜合考慮。如奧氏體不銹鋼，雖然強(qiáng)度、硬度低，但加工硬化能力大，因此切削力也較大。銅、鋁塑性變形大，但加工硬化小，切削力較低。,（2）切削用量,背吃刀量ap與進(jìn)給量 f 影響 因?yàn)榍邢?/p>

4、面積 AD ap f ，所以背吃刀量ap與進(jìn)給量 f 的增大都將增大切削面積。切削面積的增大將使變形力和摩擦力增大，切削力也將增大，但兩者對切削力影響不同。 由于進(jìn)給量 f 的增大會減小切削層的變形，所以背吃刀量ap對切削力的影響比進(jìn)給量f大。 在生產(chǎn)中，如機(jī)床消耗功率相等，為提高生產(chǎn)效率，一般采用提高進(jìn)給量而不是背吃刀量的措施。,積屑瘤產(chǎn)生階段，由于刀具實(shí)際前角增大，切削力減小。 在積屑瘤消失階段，切削力逐漸增大， 積屑瘤消失時(shí)，切削力Fc達(dá)到最大，以后又開始減小。 （與對變形系數(shù)的影響一樣，都有馬鞍形變化。）,切削速度對切削力的影響,（3）刀具幾何參數(shù),前角O ：對切削力影響最大。切削力隨

5、著前角的增大而減小。這是因?yàn)榍敖堑脑龃?，切削變形與摩擦力減小，切削力相應(yīng)減小。 刀具主偏角r ： 對切削力Fc的影響不大，r 60 o75 o 時(shí)， Fc最小，因此，主偏角r 75 o 的車刀在生產(chǎn)中應(yīng)用較多。 背向力Fp隨主偏角r的增大而減小。 進(jìn)給力Ff隨主偏角r的增大而增大。 刀尖圓弧半徑增大，切削變形增大，切削力也增大。相當(dāng)于r減小對切削力影響。,（4）刀具材料與切削液,刀具材料影響到它與被加工材料摩擦力的變化，因此影響切削力的變化。同樣的切削條件，陶瓷刀切削力最小，硬質(zhì)合金次之，高速鋼刀具切削力最大。 切削液的正確應(yīng)用，可以降低摩擦力，減小切削力。,.切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo) 切削熱產(chǎn)生的

6、原因: 、在金屬切削過程中，切削層發(fā)生彈性與塑性變形 、切屑、工件與刀具的摩擦也產(chǎn)生了大量的熱量。 切削熱產(chǎn)生的區(qū)域： 、剪切面， 、切屑與刀具前刀面的接觸區(qū)， 、刀具后刀面與工件過渡表面接觸區(qū)。,2.2.2 切削熱與切削溫度,金屬切削層的塑性變形產(chǎn)生的熱量最大，即主要在剪切面區(qū)產(chǎn)生。 切削熱量的近似計(jì)算公式： Q Fc c（J/s） 實(shí)際上是切削力所做的功。 其中：切削力Fc （N），切削主運(yùn)動(dòng)速度c （m/s）。,切削產(chǎn)生的熱量在各種介質(zhì)中傳送的比例,切削產(chǎn)生的熱量主要由切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)（空氣或切削液）傳出，如不考慮切削液，則各種介質(zhì)的比例參考如下： （1）車削加工 切屑，508

7、6；刀具，1040；工件，39；空氣，1。切削速度越高，切削厚度越大，切屑傳出的熱量越多。 （2）鉆削加工 切屑，28；刀具，14.5；工件，52.5；空氣5。,切削溫度的分布,（1）切削最高溫度并不在刀刃，而是離刀刃有一定距離。對于45鋼，約在離刀刃1處前刀面的溫度最高。 （2）后刀面溫度的分布與前刀面類似，最高溫度也在切削刃附近，不過比前刀面的溫度低。 （3）終剪切面后，沿切屑流出的垂直方向溫度變化較大，越靠近刀面，溫度越高，這說明切屑在刀面附近被摩擦升溫，而且切屑在前刀面的摩擦熱集中在切屑底層。,（1）切削用量 經(jīng)驗(yàn)公式：高速鋼刀具(加工材料45鋼)： 140170a f v 硬質(zhì)合金刀

8、具(加工材料45鋼)： 320a f v 切削用量三要素c、 ap 、f中， 切削速度c對溫度的影響最顯著，因?yàn)橹笖?shù)最大，切削速度增加一倍，溫度約增加32； 其次是進(jìn)給量f ，進(jìn)給量增加一倍，溫度約升高18， 背吃刀量ap影響最小，約7。 主要的原因是速度增加，使摩擦熱增多； f增加，切削變形減小，切屑帶走的熱量也增多，所以熱量增加不多； 背吃刀量ap的增加，使切削寬度增加，顯著增加熱量的散熱面積。,影響切削溫度的因素,（2）刀具的幾何參數(shù),前角o ：前角o增大，切削溫度降低。因前角增大時(shí)，單位切削力下降，切削熱減少。 主偏角r ：主偏角r減小，切削寬度bD增大，切削厚度減小，因此切削溫度也下

9、降。,（3）工件材料P54,材料的強(qiáng)度與硬度增大時(shí)，單位切削力增大，因此切削熱增多，切削溫度升高。 導(dǎo)熱系數(shù)影響材料的傳熱，因此導(dǎo)熱系數(shù)大，產(chǎn)生的切削溫度低。 例如，低碳鋼，強(qiáng)度與硬度較低，導(dǎo)熱系數(shù)大，產(chǎn)生的切削溫度低。 不銹鋼與45鋼相比，導(dǎo)熱系數(shù)小，因此切削溫度比45鋼高。,（4）切削液,切削液對切削溫度的影響，與切削液的導(dǎo)熱性能、比熱、流量、澆注方式以及本身的溫度都有很大關(guān)系。 切削液的導(dǎo)熱性越好，溫度越低，則切削溫度也越低。 從導(dǎo)熱性能方面來看，水基切削液優(yōu)于乳化液，乳化液優(yōu)于油類切削液。,2.2.3 刀具磨損與耐用度,1.刀具的磨損形式 （1）前刀面磨損 、特點(diǎn)： 在前刀面上離切削刃

10、小段距離有一月牙洼，隨著磨損的加劇，主要是月牙洼逐漸加深，洼寬變化并不是很大。磨損程度用洼深KT表示。,（2）后刀面磨損,、特點(diǎn)： 在刀具后刀面上出現(xiàn)與加工表面基本平行的磨損帶。 、C、B、N三個(gè)區(qū) C區(qū)是刀尖區(qū)，由于散熱差，強(qiáng)度低，磨損嚴(yán)重，最大值VC； B區(qū)處于磨損帶中間，磨損均勻，最大磨損量VBmax； N區(qū)處于切削刃與待加工表面的相交處，磨損嚴(yán)重，磨損量以VN表示，此區(qū)域的磨損也叫邊界磨損， 加工鑄件、鍛件等外皮粗糙的工件時(shí)， N區(qū)區(qū)域容易磨損。,（3）破損 刀具破損比例較高，硬質(zhì)合金刀具有5060是破損。特別是用脆性大的刀具連續(xù)切削或加工高硬度材料時(shí)，破損較嚴(yán)重。它又分為以下幾種形式

11、： 、崩刃 特點(diǎn)是在切削刃產(chǎn)生小的缺口，尺寸與進(jìn)給量相當(dāng)。硬質(zhì)合金刀具連續(xù)切削時(shí)容易產(chǎn)生。 、剝落 特點(diǎn)是前后刀面上平行于切削刃剝落一層碎片，常與切削刃一起剝落。陶瓷刀具端銑常發(fā)生剝落，另外硬質(zhì)合金刀具連續(xù)切削也發(fā)生。 、裂紋 特點(diǎn)是垂直或傾斜于切削刃有熱裂紋。由于長時(shí)間連續(xù)切削，刀具疲勞而引起。 、塑性破損 特點(diǎn)是刀刃發(fā)生塌陷。是由于切削時(shí)高溫高壓作用引起的。,2 . 刀具的磨損原因：,（1）硬質(zhì)點(diǎn)磨損,（2）粘結(jié)磨損,（3）擴(kuò)散磨損,（4）氧化磨損,（5）相變磨損,（1）硬質(zhì)點(diǎn)磨損,因?yàn)楣ぜ牧现泻幸恍┨蓟铩⒌?、積屑瘤殘留物等硬質(zhì)點(diǎn)雜質(zhì)，在金屬加工過程中，會將刀具表面劃傷，造成機(jī)械

12、磨損。低速刀具磨損的主要原因是硬質(zhì)點(diǎn)磨損。,（2）粘結(jié)磨損,加工過程中，切屑與刀具接觸面在一定的溫度與壓力下，產(chǎn)生塑性變形而發(fā)生冷焊現(xiàn)象后，刀具表面粘結(jié)點(diǎn)被切屑帶走而發(fā)生的磨損。一般，具有較大的抗剪和抗拉強(qiáng)度的刀具抗粘結(jié)磨損能力強(qiáng)，如高速鋼刀具具有較強(qiáng)的抗粘結(jié)磨損能力。,（3）擴(kuò)散磨損,由于切削時(shí)高溫作用，刀具與工件材料中的合金元素相互擴(kuò)散，而造成刀具磨損。硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具切削鋼件溫度較高時(shí)，常發(fā)生擴(kuò)散磨損。金剛石刀具不宜加工鋼鐵材料。一般在刀具表層涂覆TiC、TiN、Al2O3等，能有效提高抗擴(kuò)散磨損能力。,（4）氧化磨損,硬質(zhì)合金刀具切削溫度達(dá)到700o800o時(shí)，刀具中一些C、C

13、O、TiC等被空氣氧化，在刀具表層形成一層硬度較低的氧化膜，當(dāng)氧化膜磨損掉后在刀具表面形成氧化磨損。,（5）相變磨損,在切削的高溫下，刀具金相組織發(fā)生改變，引起硬度降低造成的磨損。 總的來說，刀具磨損可能是其中的一種或幾種。對一定的刀具和工件材料，起主導(dǎo)作用的是切削溫度。在低溫區(qū)，一般以硬質(zhì)點(diǎn)磨損為主；在高溫區(qū)以粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損等為主。,積屑瘤對金屬切削過程產(chǎn)生的影響問題？,（1）實(shí)際刀具前角如何變化？ （2）實(shí)際切削厚度如何變化？ （3）加工后表面粗糙度如何變化？ （4）切削刀具的耐用度如何變化？,（1）實(shí)際刀具前角增大,刀具前角o指前刀面與基面之間的夾角，其概念將在后節(jié)詳細(xì)論述

14、。如圖所示，由于積屑瘤的粘附，刀具前角增大了一個(gè)b角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的話，無疑實(shí)際刀具前角增大,現(xiàn)為o b 。 刀具前角增大可減小切削力，對切削過程有積極的作用。而且，切削瘤的高度Hb 越大，實(shí)際刀具前角也越大，切削更容易。,（2）實(shí)際切削厚度增大,由圖2-9可以看出，當(dāng)切削瘤存在時(shí)，實(shí)際的金屬切削層厚度比無切削瘤時(shí)增加了一個(gè)hD，顯然，這對工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，這個(gè)厚度hD的增加并不是固定的，因?yàn)榍邢髁鲈诓煌Ｗ兓?，它是一個(gè)產(chǎn)生，長大，最后脫落的周期性變化過程，這樣可能在加工中產(chǎn)生振動(dòng)。,（3）加工后表面粗糙度增大,積屑瘤的變化不但是整體，而且積屑瘤本身也有一

15、個(gè)變化過程。積屑瘤的底部一般比較穩(wěn)定，而它的頂部極不穩(wěn)定，經(jīng)常會破裂，然后再形成。 破裂的一部分隨切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面變得非常粗糙?？梢钥闯觯绻胩岣弑砻婕庸べ|(zhì)量，必須控制積屑瘤的發(fā)生。,（4）切削刀具的耐用度降低,從積屑瘤在刀具上的粘附來看，積屑瘤應(yīng)該對刀具有保護(hù)作用，它代替刀具切削，減少了刀具磨損。 積屑瘤的粘附是不穩(wěn)定的，它會周期性的從刀具上脫落，當(dāng)它脫落時(shí)，可能使刀具表面金屬剝落，從而使刀具磨損加大。對于硬質(zhì)合金刀具這一點(diǎn)表現(xiàn)尤為明顯。,課堂問題,避免積屑瘤的發(fā)生的措施？,避免積屑瘤的發(fā)生的措施P45,、首先從加工前的熱處理工藝階段解決。通過熱處理，提高零件材

16、料的硬度，降低材料的加工硬化。 、調(diào)整刀具角度，增大前角，從而減小切屑對刀具前刀面的壓力。 、調(diào)低切削速度，使切削層與刀具前刀面接觸面溫度降低，避免粘結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生?；虿捎幂^高的切削速度，增加切削溫度，因?yàn)闇囟雀叩揭欢ǔ潭?，積屑瘤也不會發(fā)生。 、更換切削液，采用潤滑性能更好的切削液，減少切削摩擦。,影響切削變形的因素問題？,1隨著工件材料強(qiáng)度的增大，切屑的變形如何變化？ 2當(dāng)?shù)毒咔敖荗增大時(shí)，金屬切屑的變形趨勢？ 刀尖圓弧半徑越大，表面的切削變形是增大還是減??？ 3隨切削速度變化的材料變形系數(shù)曲線是一直遞減的嗎？為什么？ 4在無積屑瘤段，進(jìn)給量f越大，材料的變形系數(shù)如何變化？,1工件材料,通過試

17、驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)工件材料強(qiáng)度和切屑變形有密切的關(guān)系。 從圖可以看出，隨著工件材料強(qiáng)度的增大，切屑的變形越來越小。,圖2-10 材料強(qiáng)度對變形系數(shù)的影響,2刀具幾何參數(shù),由圖2-7可以看到，當(dāng)?shù)毒咔敖荗增大時(shí)，沿刀面流出的金屬切削層將比較平緩的流出，金屬切屑的變形也會變小。 刀尖圓弧半徑對切削變形也有影響，刀尖圓弧半徑越大，表明刀尖越鈍，對加工表面擠壓也越大，表面的切削變形也越大。,3、切削速度,由圖2-11可以看出，隨切削速度變化的材料變形系數(shù)曲線并不是一直遞減，而是在某一段有一個(gè)波峰，這實(shí)際是積屑瘤產(chǎn)生的影響。所以切削速度對材料變形的影響分為兩個(gè)段，一個(gè)是積屑瘤這一段，另一個(gè)是無積屑瘤段。,積屑

18、瘤段情況,切削速度對切屑變形的影響主要是通過積屑瘤對切屑變形的影響來實(shí)現(xiàn)的。 在積屑瘤增長階段，積屑瘤隨著切削速度的增大而增大，積屑瘤越大，實(shí)際刀具前角也越大，切屑的變形相對減少，所以在此階段，切削速度增加時(shí)，材料變形系數(shù)也減少。 隨著速度的增加，積屑瘤增大到一定程度又會消退，在消退階段，積屑瘤隨著切削速度的增加而減小，同時(shí)，實(shí)際刀具前角也減小，材料的變形將增大，在積屑瘤完全消退時(shí)，材料變形將最大。,在無積屑瘤段,材料變形系數(shù)是隨著切削速度的增加而減小。主要是因?yàn)樗苄宰冃蔚膫鞑ニ俣缺葟椥宰冃蔚穆?，速度低時(shí)，金屬始剪切面為OA，當(dāng)速度增大到一定值時(shí)，金屬流動(dòng)速度大于塑性變形速度，在OA面金屬并未

19、充分變形，相當(dāng)于始剪切面后移至OA面（見圖2-12），終剪切面OM也后移至OM，第一變形區(qū)后移，使得材料變形系數(shù)減小。另外，速度越大，摩擦系數(shù)減小，材料變形系數(shù)也會減小。,4進(jìn)給量,如圖2-11所示，顯示了進(jìn)給量對切屑變形的影響。在無積屑瘤段，進(jìn)給量f越大，材料的變形系數(shù)越小。,課堂問題,三個(gè)方向的分力Ff 進(jìn)給力、FP 背向力、Fc 切削力中，哪個(gè)方向分力不做功？為什么？,背向力FP在力的方向無位移，不做功，因此切削功率為進(jìn)給力Ff與切削力Fc所做的功。,影響切削力的因素問題？,1、一般材料的強(qiáng)度愈高，硬度越大，加工硬化性越強(qiáng)，塑性變形越大，加工此材料所需的切削力也越大還是越?。?2、在生產(chǎn)

20、中，如機(jī)床消耗功率相等，為提高生產(chǎn)效率，一般采用提高背吃刀量而不是進(jìn)給量的措施，對嗎？為什么？ 3、切削速度如何影響切削力的影響？,（1）工件材料,一般材料的強(qiáng)度愈高，硬度越大，加工硬化性越強(qiáng)，塑性變形越大，加工此材料所需的切削力也越大。,（2）切削用量,背吃刀量ap與進(jìn)給量 f 影響 因?yàn)榍邢髅娣e AD ap f ，所以背吃刀量ap與進(jìn)給量 f 的增大都將增大切削面積。切削面積的增大將使變形力和摩擦力增大，切削力也將增大，但兩者對切削力影響不同。 由于進(jìn)給量 f 的增大會減小切削層的變形，所以背吃刀量ap對切削力的影響比進(jìn)給量f大。 在生產(chǎn)中，如機(jī)床消耗功率相等，為提高生產(chǎn)效率，一般采用提高

21、進(jìn)給量而不是背吃刀量的措施。,積屑瘤產(chǎn)生階段，由于刀具實(shí)際前角增大，切削力減小。 在積屑瘤消失階段，切削力逐漸增大， 積屑瘤消失時(shí)，切削力Fc達(dá)到最大，以后又開始減小。 （與對變形系數(shù)的影響一樣，都有馬鞍形變化。）,切削速度對切削力的影響,4、切削力隨著前角的增大如何變化？為什么？ 5、刀具主偏角r ： 背向力Fp隨主偏角r的增大如何變化？ 進(jìn)給力Ff隨主偏角r的增大如何變化？ 6、刀尖圓弧半徑增大，切削力如何變化？ 7、同樣的切削條件，陶瓷刀切削力、硬質(zhì)合金、高速鋼刀具切削力中哪個(gè)力？哪個(gè)力小？,（3）刀具幾何參數(shù),前角O ：對切削力影響最大。切削力隨著前角的增大而減小。這是因?yàn)榍敖堑脑龃螅?/p>

22、切削變形與摩擦力減小，切削力相應(yīng)減小。 刀具主偏角r ： 對切削力Fc的影響不大，r 60 o75 o 時(shí)， Fc最小，因此，主偏角r 75 o 的車刀在生產(chǎn)中應(yīng)用較多。 背向力Fp隨主偏角r的增大而減小。 進(jìn)給力Ff隨主偏角r的增大而增大。 刀尖圓弧半徑增大，切削變形增大，切削力也增大。相當(dāng)于r減小對切削力影響。,（4）刀具材料,刀具材料影響到它與被加工材料摩擦力的變化，因此影響切削力的變化。同樣的切削條件，陶瓷刀切削力最小，硬質(zhì)合金次之，高速鋼刀具切削力最大。,1、切削速度c 、進(jìn)給量f 、背吃刀量ap哪一個(gè)對溫度的影響最顯著？說明原因？ 2、前角o對切削溫度的影響？ 3、主偏角r對切削溫

23、度的影響？ 4、材料的強(qiáng)度與硬度增大時(shí)，切削溫度升高還是降低？ 5、從導(dǎo)熱性能方面來看，水基切削液優(yōu)于乳化液，油類切削液優(yōu)于乳化液。對嗎？為什么？,（1）切削用量 經(jīng)驗(yàn)公式：高速鋼刀具(加工材料45鋼)： 140170a f v 硬質(zhì)合金刀具(加工材料45鋼)： 320a f v 切削用量三要素c、 ap 、f中， 切削速度c對溫度的影響最顯著，因?yàn)橹笖?shù)最大，切削速度增加一倍，溫度約增加32； 其次是進(jìn)給量f ，進(jìn)給量增加一倍，溫度約升高18， 背吃刀量ap影響最小，約7。 主要的原因是速度增加，使摩擦熱增多； f增加，切削變形減小，切屑帶走的熱量也增多，所以熱量增加不多； 背吃刀量ap的增加

24、，使切削寬度增加，顯著增加熱量的散熱面積。,影響切削溫度的因素,（2）刀具的幾何參數(shù),前角o ：前角o增大，切削溫度降低。因前角增大時(shí)，單位切削力下降，切削熱減少。 主偏角r ：主偏角r減小，切削寬度bD增大，切削厚度減小，因此切削溫度也下降。,（3）工件材料,材料的強(qiáng)度與硬度增大時(shí)，單位切削力增大，因此切削熱增多，切削溫度升高。 導(dǎo)熱系數(shù)影響材料的傳熱，因此導(dǎo)熱系數(shù)大，產(chǎn)生的切削溫度低。,（4）切削液,從導(dǎo)熱性能方面來看，水基切削液優(yōu)于乳化液，乳化液優(yōu)于油類切削液。 切削液的導(dǎo)熱性越好，溫度越低，則切削溫度也越低。,2 . 刀具的磨損原因：,（1）硬質(zhì)點(diǎn)磨損 （2）粘結(jié)磨損 （3）擴(kuò)散磨損 （4）氧化磨損 （5）相變磨損,問題？ 在低溫區(qū)，一般以哪些磨損為主？在高溫區(qū)又以哪些磨損等為主？,總的來說，刀具磨損可能是其中的一種或幾種。對一定的刀具和工件材料，起主導(dǎo)作用的是切削溫度。在低溫區(qū)，一般以硬質(zhì)點(diǎn)磨損為主；在高溫區(qū)以粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損等為主。,3刀具破損原因： 在斷續(xù)切削條件下，由于強(qiáng)烈的機(jī)械與熱沖擊，超過刀具材料強(qiáng)度，引起刀具破損 斷續(xù)切削時(shí)，在交