机械制造精品课件:第2章 金属切削过程的基本规律.ppt
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- 机械制造 精品 课件 金属 切削 过程 基本 规律
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1、第2章 金属切削过程的基本规律,2.1 金属切削过程 2.2 切削力与切削功率 2.3 切削热和切削温度 2.4 刀具的磨损与刀具使用寿命 2.5 切削条件的合理选择 2.6 工件材料的切削加工性,图2-1 金属切削过程中的滑移线和流线,2.1 金属切削过程,2.1.1 切屑的形成过程及变形区的划分,图2-2 切屑类型,图2-3 金属切削过程中的滑移线和流线,衡量切屑变形程度的方法 :切屑厚度压缩比h,图2-4 切屑厚度压缩比h的计算,一、切屑形成过程 以塑性材料的切屑 形成为例,金属切削区 可大致划分为: 三个变形区 第一变形区 第二变形区 第三变形区,(一)第一变形区,OA始滑移线 OM终
2、滑移线,变形的主要特征: 剪切滑移变形 加工硬化,一般速度范围内一区 宽度为0.020.2mm, 速度越高,宽度越小,可看作一个剪切平面,(剪切滑移区),(二)第二变形区,(三)第三变形区,切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩 擦,使靠近前刀面的金属纤维化,基本与前刀面平行。,(挤压摩擦区),已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和 摩擦,产生变形与回弹,造成纤维化和加工硬化。,刃前区:三个变形区汇集在切削刃附近,此处的应力集 中而复杂,被切削层在此与工件本体材料分离,(挤压摩擦回弹区),2.1.2 变形系数,在切削过程中,被切金属层在刀具的推挤下被压缩,因此,切屑厚度通常要大于切
3、削层的厚度,而切屑长度却小于切削长度,如图2-2所示,图2-2 三个变形区、剪切角,由于工件材料性质和切削条件不同,切削层变形程度也不同,因而产生的切屑也多种多样。归纳起来,主要有以下四种类型,如图2-8所示,图2-8切屑形态,a)带状切屑 :切屑延续成较长的带状,内表面光滑、而外表面呈毛茸状。 b)挤裂切屑:切屑内表面有时有裂纹,外表面呈锯齿形。 c)单元切屑:切屑切离成单元切屑。 d)崩碎切屑:切屑的形状不规则,加工表面凸凹不平。,2.1.3 切屑的类型,图2-9 切屑类型 a)带状切屑 b)挤裂切屑 c)单元切屑 d)崩碎切屑,在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下,加工一般钢料或其它
4、塑性材料时,常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高,通常是工件材料的2-3倍,在处于比较稳定的状态时,能够代替切削刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。,图2-34 积屑瘤现象,2.1.4 积屑瘤,在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时,往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块,称为积屑瘤。 积屑瘤的产生:切削过程中,刀屑间的摩擦,使刀具前刀面十分洁净,在一定温度和压力下,切屑底层金属与前刀面接触处发生粘结,形成了积屑瘤,如图7-9所示。,随后,积屑瘤逐渐长大,直到该处的温度和压力不足以产生粘结为止。积屑瘤在形成过程中是一层层增高的,到一定高度会脱落,经历
5、了一个生成、长大、脱落的周期性过程。,图7-9 积屑瘤的形成,积屑瘤的作用和影响: 1)保护刀具:积屑瘤包围着切削刃,同时覆盖着一部分前刀面。能代替切削刃和前刀面进行切削,从而减少了刀具磨损,起到保护刀具的作用。 2)增大前角:积屑瘤具有30左右的前角,因而减少了切削变形,降低了切削力。 3)增大切削厚度:积屑瘤前端伸出于切削刃之外,使切削厚度增加了hD值是变化的,因而影响了工件的尺寸精度。 4)增大已加工表面粗糙度:积屑瘤高度的周期性变化,使切削厚度不断变化,以及由此而引起振动,积屑瘤粘附在切削刃上很不规则,导致在已加工表面上刻划出深浅和宽窄不同的沟纹;脱落的积屑瘤碎片留在已加工表面上。,控
6、制积屑瘤产生的措施,(1)避开容易产生积屑瘤的切削速度范围 当工件材料一定时,切削速度是影响积屑瘤的主要因素。 (2)降低材料塑性 工件材料塑性越大,刀具与切屑之间的平均摩擦因数增加,越容易生成积屑瘤。 (3)合理使用切削液 使用切削液可降低切削温度,减少摩擦,因此,可抑制积屑瘤的产生。 (4)增大刀具前角、提高刀具刃磨质量 刀具前角的增大,可以减少切屑变形和切削力,降低切削温度,因此,增大前角能抑制积屑瘤的产生。,在切屑形成过程,切屑与刀具的前刀面之间及切削表面与刀具的后刀面之间要发生摩擦,因此刀具在切削加工时必然要克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。这些作用在刀具上所有力的合力称之
7、为刀具的一个切削部分上的,总切削力,也称切削合力。总切削力的方向、大小将随工件材料的性质、切削用量的大小及刀具的几何形状的变化而变化,因此通常将其分解成几个方向既定的分力。图7-11所示体现了切削力的来源。,图2-11 切削力的来源,2.2 切削力与切削功率,2.2.1 切削力的来源、合力及其分力,1、切削力的分解:如图2-12所示 1)主切削力(切向力)Fc :是主运动方向上的切削分力,切于过渡表面并与基面垂直,消耗功率最多,是计算刀具强度、设计机床零件,确定机床功率的主要依据。,2)进给力(轴向力)Ff:是作用在进给方向上的切削分力,处于基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀具进给
8、功率的依据。,图2-12 切削力的分解,3)背向力(径向力或吃刀力)Fp :是作用在吃刀方向上的切削分力,处于基面内并与工件轴线垂直的力。它是确定与工件加工精度有关的工件挠度、切削过程的振动的力。,消耗在切削过程中的功率叫切削功率Pc,单位是kW,它是Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。在进行外圆车削时,因Fp方向没有位移,故消耗功率为零。,式中 Fc主切削力,单位为N; Ff进给力,单位为N; f 进给量,单位为mm/r; c切削速度,单位为m/s; nw工件转速,单位为r/s。,2.2.2 切削功率,单位切削力kc是指单位切削面积上的切削力:,2.2.3 单位切削力,切
9、削力 背向力 进给力 切削时消耗的功率,2.2.4 切削力测量与经验公式,1.切削力的经验公式,1.测定机床功率,计算切削力 用功率表测出机床电动机在切削过程中所消耗的功率PE后,计算出切削功率Pc。 2.用测力仪测量切削力 测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形,或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换处理后,读出Fc、Ff和Fp的值。,2.测力仪原理,图2-10 电阻应变片,(一)工件材料的影响(系数CF 或单位切削力kc体现) 工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大,切削力越大。,(二)切削用量的影响 apAc成正比, kc不变, ap的 指数约等于1,因而 切削力成
10、正比增加 fAc成正比,但 kc略减小, f 的 指数小于1,因而 切削力增加但与f 不成正比,速度v 对F 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况 在无积屑瘤阶段, v 变形程度切削力减小,2.2.5 影响切削力的因素,1. 在积屑瘤增长阶段 随v 积屑瘤高度 变形程度,F ,2. 在积屑瘤减小阶段 v 变形程度,F ,3. 在无积屑瘤阶段 随v ,温度升高,摩擦 系数变形程度 F 计算F 时乘以修正系数Kv 或指数zF约为-0.15来体现,(三)刀具几何参数的影响 1. 前角0 的影响 加工塑性材料时,0 变形程度F,Fc,加工脆性材料时,切削变形很小, 0对 F 影响不显著 0 30或高速
11、切削时, 0对 F 影响不显著,2. 主偏角r的影响 (1)r对Fc影响较小, 影响程度不超过10% r在6075之 间时,Fc最小。,(2)r对Fp、 Ff影响较大 Fp FD cosr Ff FD sinr Fp随r 增大而减小, Ff随r 增大而增大,3. 刃倾角s的影响 (1)s对Fc影响很小,(2) s对Fp、 Ff影响较大 Fp随s增大而减小, Ff随s增大而增大,4.负倒棱b1的影响,b1 与f 之比增大, 切削力随之增大。 当切钢b1/f 5或 切铸铁b1/f 3时, 切削力趋于稳定,接 近于负前角的状态。,5.刀尖圆弧半径r的影响,(1)r对Fc影响很小 (2)Fp随 r增大
12、而增大 Ff随 r增大而减小,r增大相当于r减小的影响,(六)刀具材料的影响 按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序, 切削力依次增大。,(五)切削液的影响 切削液润滑作用越好,力减 小越显著,低速时更突出。,(四)刀具磨损的影响 后刀面平均磨损带宽度VB 越大,摩擦越强烈,切削力 也越大。 VB对背向力Fp影响最显著,计算举例: 用YT5硬质合金车刀外圆纵车b = 630 MPa的热轧45钢,车刀几何参数为go =10、kr = 75、ls = 5,切削用量为asp = 2mm、f = 0.3mm/r、vc = 100 m / min。 试计算切削力Fc、Fp、Ff 及切削功率Pc
13、。,2.2.6 切削力计算例题,解: 查表3-2得: CFC=2795 xFC =1.0 yFC =0.75 zFC =-0.15,解:,解:,当 b = 630MPa时,续:,按kr =75查表3-4,得,按go =10查表3-4,得,按ls =-5查表3-4,得,续:,切削热产生于三个变形区, 切削过程中消耗的能量约 98%转换为热能,切削热 qPcFcv =Cfcapf 0.75v-0.15KFcv = Cfcapf 0.75v0.85KFc,切削热通过切屑、工件、 刀具和周围介质向外传出,2.3 切削热和切削温度,2.3.1 切削热的产生与传出,切削温度的分布,红外胶片法测得切钢料的温
14、度场, 分析归纳切削温度分布规律: 剪切区等温线与滑移线相近 OM线温度比OA线上温度高 剪切滑移相等的地方温度相等, 剪切变形是切削热的第一来源,2.前后刀面最高温度点不在刀刃上 切屑上最高温度比剪切区温度高 切屑底层温度比上层温度高 摩擦是切削热的又一来源,2.3.2 切削温度的测量方法,图2-15 自然热电偶法测量切削温度示意图,切削温度 一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度,两个方面:切削热的产生与传出,(一)切削用量的影响,由实验得出切削温度经验公式如下 C v z f y ap x 式中系数及指数见表1-4,由表中数据看出: z在0.30.5之间,y在0.150.3,x在0.050
15、.1 切削用量时切削温度 ,其中v 对影响最大,进 给量 f 的影响比v 小,背吃刀量ap的影响很小。,2.3.3 影响切削温度的主要因素,(二)刀具几何参数的影响 1. 前角0 的影响 0 变形程度F q 但0 20时,因散热面积,对的影响减小,2. 主偏角r的影响 r ,切削宽度aw ,散热面积 ,(三)工件材料的影响 强度硬度、塑性和韧性越大, 切削力越大,切削温度升高。 导热率大,散热快,温度下降,(四)刀具磨损的影响 后刀面磨损增大,切削温度升 高; VB达一定值影响加剧; v越 高刀磨损对影响越显著,(五)切削液的影响 浇切削液对切削温度刀具磨损加工质量有明显效果。 热导率比热容和
16、流量越大,本身温度越低冷却效果越显著,刀具失效形式:磨损 (正常工作时逐渐产生的损耗) 破损 (突发的破坏,随机的),(一)前刀面磨损 切塑性材料,v 和ac较大时, 在前刀面上形成月牙洼磨损, 以最大深度KT 表示,(二)后刀面磨损 切铸铁或v 和ac较小切塑性 材料时,主要发生这种磨损。,2.4 刀具的磨损与刀具使用寿命,2.4.1 刀具磨损方式,后刀面磨损带不均匀,刀尖部分磨损严重,最大值为VC; 中间部位磨损较均匀,平均磨损宽度以VB表示;边界处 磨损严重,以VN表示。,(三)边界磨损 切钢料时,主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接 触处磨出沟纹,称为边界磨损。边界处的加工硬化层、
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