金属切削过程培训讲义.ppt

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北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  金属切削过程就是通过刀具把被切金属层变为切屑的 过程。  金属的切削过程，实质上是工件切削层在刀具的挤压 下，产生剪切滑移为主的塑性变形，而形成切屑的过 程。  挤压、滑移、挤裂、切离 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 金属切削过程中的滑移线和流线 第三节 金属切削过程 一、切屑的形成过程及变形区的划分 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 第一变形区金属的滑移 OA面--“始滑移面 ”  切削层中点P  OM--“终滑移面  一、切屑的形成过程及变形区 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 三个变形区、剪切角  平面OM表示第一变形区（Ⅰ）  第二变形区（II）  第三变形区（Ⅲ）  第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 三个变形区说明 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 二、变形系数  切屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数ξh（切 屑厚度压缩比Ah）；  切削长度与切屑长度之比称为长度变形系数ξl，  变形系数直观地反映了切屑的变形程度，且容易测量。 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  厚度变形系数  长度变形系数 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  对于同一种工件材料，如果在不同的切削条件下进 行切削，变形系数越大，则表明切削中的塑性变形 越大，切削力和切削热相应增加，动力消耗上升， 加工质量下降。  有效控制变形系数，有利于提高工件的加工质量。 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 切屑类型 a)带状切屑 b)节状切屑 c)单元切屑 d)崩碎切屑 三、切屑类型 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  带状切屑  采用较高的切削速度、较小的切削厚度和前角较大的 刀具，切削塑性较好的金属材料时，易形成带状切屑。 形成带状切屑时，切削力的波动小，切削过程比较平 稳，已加工表面粗糙度较小，但这种切屑容易缠绕在 刀具或工件上，损伤已加工表面，或危害操作者安全， 应采取适当的断屑措施。  节状切屑  采用较低的切削速度、较大的切削厚度和前角较小的 刀具，切削中等硬度的塑性材料时，易形成节状切屑。 形成节状切屑时，金属的塑性变形和切削抗力较大， 切削力的波动也比较大，切削过程不平稳，已加工表 面也比较粗糙。 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  单元切屑  切削塑性材料时，切削层金属在塑性变形过程中，剪切面上产 生的剪应力超过材料的强度极限，切屑沿剪切面完全断开， 形成形状类似，而又互相分离的屑块。采用极低的切削速度， 大的切削厚度，小的前角，切削塑性较差的材料时，易形成 单元切屑。形成单元切屑时，切削力波动很大，有振动，已 加工表面粗糙，且有振纹。  崩碎切屑  切削脆性材料时，由于材料的塑性小，抗拉强度低，切削层 金属在产生弹性变形后，几乎不产生塑性变形而突然崩裂， 形成形状极不规则的碎块。形成崩碎切屑时，切削力幅度小， 但波动很大，伴有振动和冲击，使已加工表面凸凹不平。 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 （一）积屑瘤的产生 在切削塑性金属材料时，经常在前刀面上靠刃口处 沾结一小块很硬的金属楔块（如图3-6），这个金属 楔块称积屑瘤。 四、积屑瘤 积屑瘤  第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 （二）积屑瘤对切削过程的影响 积屑瘤对切削加工的影响 ①对切削力的影响 ②对已加工表面粗糙度的影响 ③对刀具强度的影响 积屑瘤与切削刃的金相显微照片 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进 行切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高， 实际工作前角越大，刀具越锋利。 积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。 积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。 第三节 金属切削过程 （1）积屑瘤 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  积屑瘤对切削过程的影响有其有利的一面，也有其 不利的一面。  粗加工时，可允许积屑瘤的产生，以增大实际前角， 使切削轻快；  精加工时，则应尽量避免产生积屑瘤，以确保加工 质量。 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 （2）积屑瘤的成因 1）工件材料的塑性； 2）切削速度； 3）刀具前角； 4）冷却润滑条件。 切削速度对积屑瘤的影响 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 （三）控制积屑瘤产生的措施 （1）避免容易产生积屑瘤的切削速度范围 （2）降低材料塑性 （3）合理使用切削液 （4）增大刀具前角 第三节 金属切削过程 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  切削力决定着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工 表面质量。  切削力又是计算切削功率，设计和使用机床、刀具、夹 具的必要依据。  切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和 使用寿命  切削热影响工件的加工精度和表面质量。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 一、切削力的来源、合力及其分力 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 切削力的来源  一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变 形、塑性变形所产生的抗力；  二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 切削力 （1）总切削力的分解 1）切削力Fc  2）背向力Fp   3）进给力Ff  第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论   第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论   单位：kw        Fc——切削力，单位：N；       vc——切削速度，单位：m/min。 第四节 切削力、切削热与切削温度 （2）切削功率 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 （2）切削功率  单位：kw  m ——机床传动效率， 一般，取 m  = ～。  机床电机所需功率 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  单位切削力是指单位面积上的主切削力，用KC表示 （单位N/mm2）。 KC=FC/AD 式中 AD——切削层公称横截面积（mm 2）AD=ap•.f； Fc——主切削力（N）。  计算主切削力： FC=KC •AD= KC •ap•.f 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 切削力 第四节 切削力、切削热与切削温度 2. 切削力的经验公式 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 切削力 背向力 进给力 切削时消耗的功率 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 [计算举例]： 工件材料：40Cr热轧棒料；HBS=212 刀具结构：机夹可转位车刀 刀片材料及型号：YT15；TNMA150605 刀具几何参数：γ0=15º，κr=90º，λS=-5º， br=， γ01=-10º（负倒棱的前角），rε= 机床型号：CA6140车床 切削用量：ap=3mm，f= [试求] 切削力Fc、Fp、Ff和切削功率Pc 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 [查表2-6至表2-15得下列数据： Cfc=1640N， xfc=1， yFc=， kvFc=， krfc=1 ，kvfc=1，kbrFc=， KκFc=，Fp/Fc=，Ff/Fc=，KrFc =1，KλFc =1 ，KVBFc= （取VB=），Kc=1962N/mm 2。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 [解]：1．主切削力Fc 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 2．背向力Fp与进给力Ff（估算法） 3．切削功率Pc 机床消耗功率： 取机床传动效率ηm=，而CA6140车床电机功率为 ，功率足够。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 二、切削力 3. 影响切削力的因素 总切削力的来源有两个方面： 一是克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗 力； 二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力和工件表面 对刀具后面的摩擦阻力。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 1）工件材料的性能对切削力有显著的影响。 工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度 也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也 愈大。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 2）切削用量对切削力的影响。 a）背吃刀量asp 和进给量f对切削力的影响; 背吃刀量asp 进给量f AD ↑ ↑ ↑↑ 变形抗力 摩擦力 切削力↑ 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 二、切削力 标准切削试验：刀具材料P10，工件材料45钢σb = 650 Mpa， 车刀几何参数为go =10°、kr  = 45°、ls =0°。 即，ap增大一倍，FC也增大一倍；而f 增大一倍，FC只能增 大68%～80％。  第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  由此可见，从减小切削力和节省动力消耗的观点出发， 在切除相同余量的条件下，增大 f 比增大asp 更为有 利。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 2）切削用量对切削力的影响。 b）切削速度Vc对切削力的影响; 切削塑性材料时 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 3）刀具几何参数对切削力的影响。 a） 前角go对切削力的影响; ↑ 刀刃锋利↑ ↓前角go 变形抗力 切削力↓ 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 3）刀具几何参数对切削力的影响。 a） 前角go对切削力的影响; 图3-25 前角对切削力的影响 asp = 4 mm f =  mm / r 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 3）刀具几何参数对切削力的影响。 b） 主偏角kr 对切削力的影响; 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 3）刀具几何参数对切削力的影响。 c）刃倾角ls 对切削力的影响; ls↑ ↓ 背前角gp↑ 侧前角gf Fp↓ Ff↑ 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 3）刀具几何参数对切削 力的影响。 d）刀尖圆弧半径re 对 切削力的影响; 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 3. 影响切削力的因素 3）刀具几何参数对切削力的影响。 e）使用切削液 对切削力的影响。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 五、 影响切削力的因素 ⑴工件材料的影响 ⑵切削用量的影响 ①背吃刀量和进给量的影响 ②切削速度的影响 ⑶刀具几何参数的影响 ①前角的影响 ②负倒棱的影响 ③主偏角的影响 ④刃倾角的影响 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 ⑷刀具磨损的影响 ⑸切削液的影响 ⑹刀具材料的影响 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 切削热来源于切削层金 属发生弹性、塑性变形 所产生的热及切屑与前 刀面、工件与后刀面之 间的摩擦。 切削热来源 七、切削热的产生与传出 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 1.切削热的来源与传出 式中  Q——单位时间产生的热量，单位：J / s； Fc——切削力，单位：N； vc——切削速度单位：m / s。  第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。影 响散热的主要因素是： ⑴工件材料的导热性能 ⑵刀具材料的导热性能 ⑶周围介质 ⑷切屑与刀具的接触时间 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论  切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质传导出去， 热平衡式可写为：  Q=Qe+Qt+Qw+Qm (2-33)  式中 Qe——单位时间内传给切屑的热量（J/s）；  Qt——单位时间内传给刀具的热量（J/s）；  Qw——单位时间内传给工件的热量（J/s）；  Qm——单位时间内传给周围介质的热量（J/s） 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 三、切削热和切削温度 不同切削速度下的热量传出比例 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 三、切削热和切削温度 加工方法 切屑 工件 刀具 车削 50~80% 10~40% <5% 铣削 70% <30% 5% 钻、镗削 30% >50% 15% 磨削 4% >80% 12% 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 三、切削热和切削温度 3.影响切削温度的主要因素 (1)工件材料 工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单 位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。 工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削 热相应增多，切削区的平均温度降低。 例如，合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热 系数又一般均低于45钢，所以切削合金结构钢的切削 温度高于切削45钢的切削温度。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 (2)切削用量 在切削用量中，切削速度对切削温度的影响最大。 随着切削速度的提高，材料切除率随之成正比例的 增加。但随着切削速度的提高，切屑变形相应减小，所 以，切削功和切削热虽然有所增高，但不可能成正比例 的增高，因此，切削温度也不会成正比例的增高。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 (2)切削用量 切削速度 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 (2)切削用量 进给量 材料切除率 Q = 1000 vc  asp  f 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 切削用量对切削温度的影响程度以切削速度为最大， 进给量次之，背吃刀量最小。 在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量， 然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。 切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的，这 也是制订零件加工工艺规程时，确定切削用量的原则。 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 (3)刀具几何参数 1） 前角 2） 主偏角 第四节 切削力、切削热与切削温度 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 刀具磨损与刀具寿命 刀具失效 刀具磨损 刀具破损 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 一、刀具磨损方式 车刀典型磨损形式示意图 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 一、刀具磨损方式 刀具磨损形式分为正常磨损和非正常磨损两大类。 (1)正常磨损 正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质 量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐的磨损。 ①后刀面磨损 ②前刀面磨损 ③前后刀面同时磨损 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 一、刀具磨损的形式 （2）非正常磨损 非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损 坏现象。其中有： ①破损 在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或碎裂。 ②卷刃 切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生 塌陷或隆起的塑性变形现象。 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 二、刀具磨损的原因 磨料磨损：也称机械磨损，由于切屑或工件的摩擦面上有 一些微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹，这就 是磨料磨损。 粘结磨损 ：粘附是冷焊和熔焊的总称 扩散磨损 ：在高温下，刀具材料与工件材料的成份产生 互相扩散 氧化磨损 ： 当切削温度达700~800℃时，空气中的氧与 硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用， 产生较软的氧化物（如CoO、WO2、TiO2）被切屑或工件 摩擦掉而形成的磨损称氧化磨损。 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 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 二、刀具磨损的原因 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 1．刀具的磨损过程 ⑴初期磨损 ⑵正常磨损 ⑶剧烈磨损 典型的刀具磨损曲线  三、刀具磨损过程及磨钝标准 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 2.刀具的磨钝标准 刀具磨损到一定限度就不能再继续使用，这个磨损限 度称为磨钝标准 刀具的磨损量的大小直接影响切削力、切削热、切削 温度及工件的加工质量。所以，一定的加工条件都 对刀具的磨损量值做了相应的规定。 以符号VB表示。 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 对于一般刀具，常以后面磨损带高度VB的允许极限值 作为磨钝标准 定尺寸刀具和自动化生产中的精加工刀具，常以径向磨 损量NB的允许值作为磨钝标准。 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 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。 （3-14） 式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数 。 刀具寿命（耐用度）经验公式 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 （3-15） 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（σb= a）时， 有： 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 不同刀具材料的耐用度比较 硬质合金 （VB=） 陶瓷刀具 （VB=） 高速钢 刀具耐用度T（min） 1           2      3      5    6    8 10        20     30  40  60 800 600 500 400 300 200 100 80 60 50 切 削 速 度 v（ m /m in ） 不同刀具材料寿命（耐用度）比较 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 (2) 刀具寿命与切削用量的关系 确定切削用量就应该遵循下列原则： 采用尽可能大的背吃刀量，采用能满足已加工表面 粗糙度要求的尽可能大的进给量，再根据所确定 的刀具寿命值，按切削用量与刀具寿命的关系公 式计算切削速度。 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 五、刀具合理使用寿命的选择  据单件工序工时最短的原则来确定刀具的使用寿命， 即最大生产率使用寿命(Tp)；  根据工序成本最低的原则来制订刀具的使用寿命，即 经济使用寿命（Tc）  刀具最大生产率使用寿命和刀具经济使用寿命公式 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 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，并令其为0，可得到 最大生产率刀具寿命为： （3-16） 又： 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 最大生产率寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 （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 taCm C0 刀具耐用度Top 成 本 经济寿命 经济寿命 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 刀具最大生产率使用寿命和刀具经济使用寿命公式  式中　m—— 指数；  tct—— 刀具磨钝后，换刀一次所需要时间；  Ct—— 刀具成本；  M—— 该工序单位时间的机床折旧费及所分担的全厂开支。 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论 作业 第二章 4、6、8、12、13、14 北京信息科技大学 第二章机械加工及设备的基础理论