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1.3 金属切削过程及其基本规律_图文

1.3 金属切削过程及其基本规律_图文

机械制造基础——第1章 第 章

1.3 金属切削过程及其基本规律

金属切削的变形过程
金属切削过程是指用刀具从工件表面切除 多余金属层, 多余金属层,形成切屑和已加工表面的过 程。该过程实际上就是切屑的形成过程 伴随着切屑的形成, 伴随着切屑的形成,会产生切削变 积屑瘤、表面硬化、切削力、 形、积屑瘤、表面硬化、切削力、 切削热和刀具磨损等物理现象

变形区 的划分

在金属切削过程中, 在金属切削过程中,被切削 金属层经刀具的挤压作用, 金属层经刀具的挤压作用, 发生弹性变形、塑性变形、 发生弹性变形、塑性变形、 直至切离工件形成切屑沿刀 具前刀面排出。通常将这个 具前刀面排出。 过程大致分为三个变形区

第一变形区
线和OM线围成的区域(Ⅰ)称为 线围成的区域( 由OA线和 线和 线围成的区域 第一变形区,也称剪切滑移区, 第一变形区,也称剪切滑移区,是切削 过程中产生变形的主要区域 OA为始滑移线,OM为终滑移线 为始滑移线, 为始滑移线 为终滑移线 一般切削速度下, 一般切削速度下,第一变形区的宽度仅为 0.02?0.2mm。所以可用一个平面 ? 。所以可用一个平面OM(剪 ( 切面)表示第一变形区。剪切面OM与切 切面)表示第一变形区。剪切面 与切 削速度方向的夹角称为剪切角? 削速度方向的夹角称为剪切角?

第二变形区
指刀—屑接触区( 指刀 屑接触区(Ⅱ) 屑接触区 切屑沿前刀面流出时进一步受到前 刀面的挤压和摩擦, 刀面的挤压和摩擦,使靠近前刀面 处金属纤维化, 处金属纤维化,其方向基本上和前 刀面平行。 刀面平行。又称为挤压变形区

第三变形区
指刀—工件接触区( )。在第三变形区里, 指刀 工件接触区(Ⅲ)。在第三变形区里, 工件接触区 在第三变形区里 后刀面施加法向力F 和摩擦力F 于工件。 后刀面施加法向力 rn和摩擦力 r于工件。Frn 使工件产生径向的塑性和弹性变形, 使已 使工件产生径向的塑性和弹性变形,Fr使已 加工表面产生切向的塑性和弹性变形 切削层金属以vc进入第一变形区后便开始塑 切削层金属以 进入第一变形区后便开始塑 性变形, 运动到刀刃时, 性变形,晶粒伸长 → 运动到刀刃时,晶粒 成纤维状, 刀尖以上部分沿 成纤维状,最后包围刀尖 →刀尖以上部分沿 前刀面流出,成为刀屑底层; 前刀面流出,成为刀屑底层;刀尖以下部分 沿后刀面流出,且纤维越伸越长、越细, 沿后刀面流出,且纤维越伸越长、越细,最 后拉断, 后拉断,成为已加工表面层

切削层部分金属进入第三变形区后发生塑性 变形,随着进入第三变形区深度的增大, 变形,随着进入第三变形区深度的增大,塑 性变形亦增大。在第一变形区发生纤维化的 性变形亦增大。 金属,有很小一部分进入第三变形区。 金属,有很小一部分进入第三变形区。第三 变形区以外的金属发生弹性变形, 变形区以外的金属发生弹性变形,这些金属 离开弹性变形区后, 离开弹性变形区后,弹性变形便恢复 由此可知,已加工表面受到挤压、 由此可知,已加工表面受到挤压、 摩擦、变形、 摩擦、变形、切削热等作用

切屑 的形成
刀具和工件接触,材料受到挤压, 刀具和工件接触,材料受到挤压,内部产生 外力F↗ 应力和弹性变形 → 外力 ↗,材料内部应力 和变形↗ 弹性变形↗ 当剪应力达到材 和变形↗ → 弹性变形↗ →当剪应力达到材 料的屈服强度τ 料的屈服强度 s时,材料将沿着与走刀方向 成45°的剪切面滑移,即产生塑性变形 → 外 °的剪切面滑移, 力F↗,滑移量↗ → 切削层金属与工件基体 ↗ 滑移量↗ 分离,形成切屑, 分离,形成切屑,沿前刀面流出

切屑的 形成过程

切屑的形态
切屑形态主要有四种类型 带状 切屑 挤裂 切屑 单元 切屑
又称节状切屑 又称粒状切屑

崩碎 切屑

切屑 变形程度 的衡量
通常用切屑变形系数Λh 通常用切屑变形系数 、 剪应变ε和剪切角 剪应变 和剪切角 ? 作为衡 量切屑变形程度的指标

剪应变ε 剪应变
是个反映切削 变形中金属滑 移本质的系数 剪应变ε表示为: 剪应变 表示为: 表示为 ε=?s/?y =(n’p + pn’)/mp =cot? + tan(? -γo)

剪 应 变

cos γ o ε= sin φ cos φ - γ 0

(

)

切屑变形系数Λh 切屑变形系数
切屑变形系数Λh反映切屑 切屑变形系数 反映切屑 外形尺寸变化的程度

hch Lc Λh = = >1 hD Lch

剪切角?
剪切角是影响切屑变 形的重要因素, 形的重要因素,也可 反映切屑变形程度 计算剪切角的公式: 计算剪切角的公式:根据材料力学平 面应力状态理论, 面应力状态理论,主应力方向与最大 剪应力方向的夹角应为45? 剪应力方向的夹角应为

π = φ +β - γ o 4

(Lee and Shaffer)

结论

由切削变形系数、 由切削变形系数、剪应变 和剪切角公式可知 Λh↗ → 变形↗ 反映变形程度 ↗ 变形↗

γo↗ → φ↗ → ε↘ 在保证切削刃强度 ↗ ↘ 的前提下增大γo有利切削 的前提下增大 有利切削 β↗ → φ↘ → ε↗ 说明施用切削液减小 ↗ ↘ ↗ β有利切削 有利切削

已加工 表面变形 与加工 硬化

加工硬化亦称冷作硬 它是在第III变形 化,它是在第 变形 区内产生的物理现象 在钝圆弧切削刃和其邻近的 狭小后面的切削、 狭小后面的切削、挤压和摩 擦作用下, 擦作用下,已加工表面层的 金属晶粒会产生扭曲、 金属晶粒会产生扭曲、挤紧 和破碎。 和破碎。这种经过严重塑性 变形而使表面层硬度增高的 现象称为加工硬化 现象称为加工硬化

加工表面变形

衡量加工硬化程度的指标有: 衡量加工硬化程度的指标有: 加 工硬化程度N 硬化层深度h 工硬化程度 和 硬化层深度 y 生产中采取以下措施来减轻硬化程度 磨出锋利切削刃 增大前角或增大后角 减小背吃刀量a 减小背吃刀量 p 合理选用切削液

影响 切削变形 的主要 因素

工件材料

强度和硬度↗ 强度和硬度↗→ ?↘ → φ↗→ Λh↘ ↘ ↗ ↘ γo↗→φ↗→Λh↘ ↗ ↘ vc<20m/min,Λh小; , 小 vc>40m/min,Λh小 , 小

刀具前角

切削速度 进给量

f↗ → hD↗ → FrN↗ → σav↗ ↗ → ?↘ → φ↗ → Λh↘ ↘ ↗ ↘ 选择冷却润滑液越好, 越小 选择冷却润滑液越好,Λh越小 越好

冷却液

切削力与切削功率

切削 力
弹性变形抗力 塑性变形抗力 切屑与前刀面 的摩擦力 后刀面与已加工 表面的摩擦力

? 切削力的来源
(来自变形与摩擦) 来自变形与摩擦)

?切削力及其分解
作用在刀具上的合力F 作用在刀具上的合力 r可分解为 相互垂直的三个分力F 相互垂直的三个分力 c、Ff、Fp
背向力F 背向力 p 进给力F 进给力Ff 主切削力F 主切削力 c

?切削力的大小
Fr = Fc + F f + Fp
c f p

2

2

2

? F 、F 、F 之间的近似关系
Fp=(0.4~0.5)Fc ( ~ ) Ff =(0.3~0.4)Fc ( ~ ) Fr =(1.12~1.18)Fc ( ~ )

? 切削力的计算 ? 切削力的测量
测量切削力的专用仪器叫测力仪 按工作原理分为机械、液压、 按工作原理分为机械、液压、电气等 测力仪

? 切削力的经验公式
Fc = C Fc a
x Fc p
x Fp

f

y Fc

v K Fc
vc K Fp
vc K F f
Fc Fc Fc kc = = = AD a p f bD hD
nF f

n Fc c

Fp = C F p a p f
F f =CF f a p f
xF f

y Fp

nFp

yFf

?单位切削力 k

c

? 定义:单位时间内切削
切削功 率与单位 切削功率

? 计算:等于同一瞬间切
削刃基点上的切削力与 切削速度的乘积
Pc = Fc ? vc + Ff ?v f 1000 ×10 KW
3
3

力作的功叫P 力作的功叫 c

Pc = Fc ? vc ?10 KW

? 单位切削功率 单位切削功率p
3

c
3 6

Fpa p fv ×10 Pc Fz v ×10 pc = = = = Fp ×10 Q 1000a p fv 1000a p fv
Q——单位时间内的金属切除量 单位时间内的金属切除量

? 选择机床电动机功率P 时
E

PE = Pc / ηc ≥Pc / η m

影响 切削力 的因素
工件 材料 切削 用量 其它 因素 刀具几 何参数

切削热与切削温度

切削热 的产生 和传出

切削热的产生
在切削加工中, 在切削加工中,切削变形 与摩擦所消耗的能量几乎 全部转换为热能。 全部转换为热能。所以三 个变形区就是三个发热源

Qs + Qr = Qc + Qt + Qw + Qm

切削热的传出

由切屑、刀具、 由切屑、刀具、工件 和周围介质传导

切削热 的产生 和传出

切削 温度

切削温度是指切削过程中 切削区域的温度 切削温度对加工的影响

改变 前刀 面的 摩擦 系数

改变 工件 材料 的性 能

影响 已加 工表 面质 量

影响 积屑 瘤的 产生

影响 零件 的加 工精 度

切削温度的测定

通常通过实验测定

常用的切削温度测定方法如下 自然热电偶法 热辐射法 热敏涂色法 远红外线法 人工热电偶法

自然热 电偶法

切削温度的分布
工件、切屑、 工件、切屑、 刀具的切削 温度分布组 成一温度场

切削温度的分布规律
剪切面上各点温度几乎相同 前后刀面上的的最高温度都不在刀刃上, 前后刀面上的的最高温度都不在刀刃上, 而在离刀刃有一定距离的地方性 (摩擦热沿刀面不断增加之故) 剪切区中, 剪切区中,垂直剪切面方向的温度梯度很大 切屑底层上的温度梯度很大

后刀面接触长度较小; 后刀面接触长度较小;加工表 面受到的是一次热冲击 工件材料塑性愈大, 工件材料塑性愈大,切削温度 分布愈均匀;材料脆性愈大, 分布愈均匀;材料脆性愈大, 最高温度点离刀刃愈近 材料导热系数愈低, 材料导热系数愈低, 刀具前后面温度愈高

影响切 削温度的 主要因素

切削用量
vc、ap、f ↗ → 切削 功率↗ 切削热量↗ 功率↗ 切削热量↗ 切削温度↗ 切削温度↗

刀具几何参数

γo↗ → 切削温度↘; kr↗ → 切削温度↘ 散热体积↘ 切削温度↗ 散热体积↘ → 切削温度↗; br1、rε基本上无影响

工件材料

强度↗ 硬度↗ 强度↗、硬度↗、导热系 切削温度↗ 数↘ →切削温度↗ 切削温度

刀具磨损

VB(平均磨损宽度)≥ (平均磨损宽度) 0.4mm →切削温度↗↗ 切削温度↗↗ 切削温度

切削液

冷却越充分, 冷却越充分,切削温度 越低

刀具磨损与刀具耐用度

刀具磨 损形式

正常磨损

当刀具设计合理, 当刀具设计合理, 制造、刃磨合格, 制造、刃磨合格, 使用正确, 使用正确,则刀 具主要是由于正 常磨损而逐渐钝 化

前刀面 磨损 后刀面 磨损

切削塑性材料时, 切削塑性材料时,在前 刀面上形成月牙洼磨损

前后刀面 同时磨损

后刀面磨损带往往不均匀, 后刀面磨损带往往不均匀,其 值以平均磨损带宽度VB表示 值以平均磨损带宽度 表示

主要指刀 具的脆性 破损、 破损、塑 性破损

刀具磨损的测量位置

磨料 磨损

刀具磨损 的原因

热电 磨损

粘结 磨损

扩散 磨损 化学 磨损

相变 磨损

又称冷焊磨损

又称氧化磨损

刀具的 磨损过程和 磨钝标准

三个 磨损 阶段

刀具的磨钝标准

刀具磨损到一定限度就 不能继续使用,这个磨 不能继续使用, 损限度称为磨钝标准

国际标准ISO规定以 背吃刀量处后刀面上 规定以1/2背吃刀量处后刀面上 国际标准 规定以 测定的磨损带宽度VB值作为刀具磨钝标准 测定的磨损带宽度 值作为刀具磨钝标准 自动化生产中的 精加工刀具, 精加工刀具,常 以沿工件径向的 刀具磨损量作为 刀具的磨钝标准, 刀具的磨钝标准, 称为刀具径向磨 损量NB值 损量 值

刀具 耐用度

指一把新刀从开始切削一直 到磨损量达到磨钝标准为止 所经过的总切削时间( 所经过的总切削时间(单位 为分钟) 为分钟),以 T 来表示 泰勒(F. W. Taylor)推出 泰勒( ) 刀具耐用度三因素关系式

T=

CT v f ap
1 m 1 n 1 p

切削用量对刀具耐用度的影响
当其他条件不变时,切削速度提高一倍, 当其他条件不变时,切削速度提高一倍, 耐用度T将降低到原来的 将降低到原来的3.125% 耐用度 将降低到原来的 % 若进给量提高一倍, 若进给量提高一倍,而其他条件不 变时,耐用度则降低到原来的21% 变时,耐用度则降低到原来的 % 当其他切削条件不变时, 当其他切削条件不变时,若切削深度提 高一倍,则耐用度仅降低到原来的78% 高一倍,则耐用度仅降低到原来的 %

影响刀具耐用度的因素

刀具 材料 刀具 的 几何 参数 切削 用量

工件 材料

刀具耐用度的选择
根据单件工时最短的原则 来确定刀具耐用度 根据单件成本最低的原则 来制定刀具耐用度

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