机械加工技术及设备

机械制造技术MechanismManufactureTechnology孙庆群制作配套教材：第2章金属切削加工理论及其应用【学习目标】本章主要介绍金属切削加工过程中的切削变形、积屑瘤、加工硬化、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损和刀具寿命等物理现象以及磨削当中的特点，同时介绍这些现象的影响因素和控制方法。通过对本章的学习，让学生了解产生这些现象的基本规律，能够通过调整某些影响因素来控制切削过程，从而达到实现工件切削加工要求之目的。金属切削加工过程是指通过切削运动，刀具从工件的表面上切下多余的金属层，形成切屑和合格的已加工表面的过程。在此过程中将产生许多物理现象，如切削变形、积屑瘤、鳞刺、振动、表面硬化、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等。本章主要研究产生上述诸多现象的成因、本质及变化规律。掌握这些基本规律，对合理使用与设计刀具、夹具、机床，保证加工质量、降低加工成本、提高生产效率以及促进切削加工技术的进步都将具有非常重要的意义。2.1切削变形研究切削变形与切屑的形成非常复杂，下面以正交（直角）自由切削为研究模型进行简要说明。2.1.1金属切削层的切削变形1.切削变形的力学本质金属切削过程类似于金属材料受挤压的过程，当塑性金属材料受挤压时，金属先产生弹性变形而后是塑性变形，最大剪应力方向与最大主应力方向之间大致成45o夹角，即沿着OM或AB产生剪切滑移（如图2.1a所示）。图2.1金属的挤压与切削的比较图2.1金属的挤压与切削的比较2.切削过程中的三个变形区在切削过程中存在着三个变形区（如图2.2所示）：（1）第一变形区。由始滑移面OA与终滑移面OM所围成的区域（Ⅰ）称为第一变形区，也称剪切滑移区。这是主要变形区（产生塑性变形形成切屑）。滑移面与切削速度的夹角称为剪切角φ。（2）第二变形区。它是指刀—屑接触区，即与前面接触的切屑底层内产生的变形区域（Ⅱ），切屑沿刀具前面流出时进一步受到刀具前面的挤压和摩擦，切屑卷曲，靠近前面处晶粒纤维化，其方向基本上和刀具前面平行。（3）第三变形区。它是指刀—工件接触区，亦即近切削刃处已加工表面层内产生的变形区域（Ⅲ）。已加工表面受到切削刃钝圆部分与刀具后面的挤压和摩擦产生变形，造成晶粒纤维化与表面加工硬化。三个变形区的变形相互牵连，切削变形是一个整体，且整个变形过程是在极短的时间内完成的。a)b)图2.2切削变形状态a)正交平面中的受力情况b)金相照片1.切屑的形成过程切削层在刀具挤压和摩擦的作用，产生弹性变形和塑性变形，当切削层的承受的切应力达到材料的屈服强度极限时，便产生剪切滑移，切削层经过第一变形区形后即沿着刀具前面流出，便形成了切屑。a）b）图2.3切屑的形成过程a)形成切屑的剪切滑移过程b)切屑形成模型2.1.2切屑的形成与切屑类型2.切屑的类型由于工件材料和切削条件的不同，切削中的变形程度也不相同，因此，会形成多种类型的切屑，如图2.4所示。a）b）c）d）图2.4切屑的类型a）带状切屑b）节状切屑c）粒状切屑d）崩碎切屑（1）带状切屑。产生条件：切削塑性材料（如软钢、铝等）时，如果切削速度较高、切削厚度较薄、刀具前角较大，容易形成内表面光滑、外表面呈毛茸状的带状切屑。优点：切削过程较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。缺点：切屑连绵不断，有时会缠绕在刀具或工件上影响加工过程。（2）节状（挤裂）切屑产生条件：大多在切削塑性金属材料时，如果切削速度较低、进给量较大（亦即切削厚度较大）、刀具前角较小，容易产生这种屑型。特点：切削中切应变较大，切削力有波动和和振动，已加工表面粗糙度较大。对硬质合金刀具易产生崩刃。（3）粒状（单元）切屑采用小前角或负前角，以极低的切削速度和大的切削厚度切削粗晶粒金属时，会产生粒状屑型，此时，切削过程更不稳定，加工表面的质量也会更差。（4）崩碎切屑在切削铸铁等脆性金属时，由于脆性材料抗拉强度低，刀具切入后，切削层未经塑性变形，就会在材料组织的石墨与铁素体之间疏松界上产生不规则崩裂，形成崩碎切屑。这种切屑的形状很不规则，加工出的工件表面也凹凸不平。工件材料越脆、切削厚度越大、刀具前角越小，就越容易产生这种切屑。2.1.3变形程度的表示方法通常可用切削变形系数来衡量切削变形程度。如果把切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，会发现切屑厚度增加（＞）、切屑长度缩短（＜），切屑宽度基本没发生变化。这是切屑流出时受到刀具前面摩擦作用的结果。切削变形系数就是切屑厚度hch与切削层厚度hD的比值，或者是切削层长Lc度和切屑长度Lch的比值。即：chhDhchlDlDchchDhhhllA＞1（2.1）值越大，切屑越厚越短，则切削变形就越大。hAa）b）c）图2.5变形程度表示a）切屑与切削层的外形尺寸；b）切屑的厚度增加、长度缩短；c）前角、剪切角与切削变形的关系需要说明的是：在切削某些材料时，可能会出现＜1，这就不能正确反映切削变形的实际情况。hA2.1.4切屑与刀具前面间的摩擦和积屑瘤在塑性金属切削过程中，因切屑底层与刀具前面间挤压摩擦严重，使切屑底层金属的流动速度低于上层的流动速度而形成滞流层。当滞流层金属与刀具前面之间的摩擦力超过切屑内部的结合力时，滞流层的一部分金属就会黏结在切削刃附近（亦称冷焊），不断沉积便形成小硬块称为积屑瘤。当温度和压力适当时，滞流层金属就会黏附在刀具前面上，依次层层堆积，高度逐渐增大而形成了积屑瘤，它代替切削刃继续剪切较软的金属层，长高的积屑瘤在外力或振动作用下可能会发生局部断裂或脱落，条件合适时又会继续生成、长高。这样生成、长大、脱落，再生成、再长大、再脱落……经历着一个又一个非周期性变化的过程。a）b）c）图2.6积屑瘤a）内摩擦应力分布；b）积屑瘤外形；c）积屑瘤外形尺寸加工条件：工件材料45钢、刀具材料W18Cr4V、=5°、=20m/min、=0.23mm/rcvf1.积屑瘤对切削过程的影响（1）保护刀具。由于硬度高于工件硬度，能代替刀刃切削，对刀具切削刃有保护作用。（2）增大工作前角。积屑瘤增大了刀具的实际工作前角，使刀具变得锋利，减小切削变形，降低了切削力。（3）增大切削厚度。由于积屑瘤前端伸出于切削刃之外，会产生过切，使切削厚度增加了ΔhD。又由于积屑瘤的产生、长大与脱落非周期性变化，所以ΔhD值是变化的，会影响到被加工工件的尺寸精度。（4）增加已加工表面粗糙度首先，由于积屑瘤高度非周期性的变化，使得切削厚度也无规则变化，工件已加工表面会出现高低不平；其次，脱落掉的积屑瘤碎片黏附在已加工表面上恶化表面粗糙度；另外，积屑瘤高度的不断变化造成刀具切削刃高度的不断变化会引起振动，导致在工件已加工表面上刻划出沟纹，严重影响以加工表面粗糙度。2.抑制和消除积屑瘤的措施（1）增大刀具前角，使切削轻快，可减少积屑瘤的产生。（2）减少进给量和切削厚度。（3）采用低速或高速切削，避开容易产生积屑瘤的切削速度，如图2.7a是积屑瘤与切削速度之间的关系。（4）提高刀具刃磨质量、合理选用切削液，可以减轻摩擦，降低切削温度和减少黏结，能够抑制积屑瘤的产生或降低积屑瘤的高度。（5）合理调节各切削参数间的关系，防止形成中温区。（6）对工件材料适当热处理，提高硬度，降低塑性。图2.7切削速度对积屑瘤的影响加工条件：加工材料45钢=4.5mm、=0.67mm/rpaf2.1.5已加工表面变形和加工硬化1.产生加工硬化的原因任何刀具的切削刃口都不可能磨得绝对锋利，当在钝圆弧切削刃和其邻近的狭小后面的切削、挤压和摩擦作用下，会使得已加工表面层的金属晶粒产生扭曲、挤紧和破碎等严重的塑性变形，从而使表面层硬度增高，这种表面层硬度增高的现象称为加工硬化。金属材料经硬化后提高了屈服强度，并在已加工表面上出现显微裂纹和残余应力，降低了表面质量和材料的疲劳强度，并给下道工序带来加工困难，增大刀具的磨损，从而使刀具寿命下降。一般材料的塑性越大，金属晶格滑移越容易，以及滑移面越多，硬化程度越严重。2.控制和减轻硬化的措施（1）磨出锋利的切削刃。（2）增大前角或增大后角。（3）减小背吃刀量。（4）适当减小进给量。（5）适当降低工件材料的塑性。（6）合理选用切削液。2.1.6影响切削变形的主要因素1.工件材料——工件材料的强度、硬度越高，刀—屑间的正压力越大，平均正应力增大，切削温度增加，刀—屑间接触长度减小，摩擦系数减小，切削变形减小。2.前角——刀具前角增大，楔角减小，切削刃钝圆弧半径减小，切削刃锋利，切屑流出时阻力减小，使摩擦系数μ减小，故变形系数减小，切削变形减小。但前角增大，则作用在前刀面的平均法向应力会随之减小，因此，摩擦系数会增大。hA3.切削速度——切削速度通过切削温度和积屑瘤影响切削变形，当无积屑瘤时，低速时温度低，不易黏结，摩擦系数μ小，切削变形小；随切速提高，切削温度增加，黏结逐渐严重，摩擦系数μ增大；切速再提高，切削温度使被加工材料的剪切屈服强度降低，剪切应力减小，摩擦系数μ减少，切削变形变小。随着切削速度提高，积屑瘤高度也逐渐增加，刀具工作前角随之增大，因此，减少。当达到中等切速时，积屑瘤高度达最大值，变为最小。切削速度再继续增高时，因切削温度升高，摩擦系数μ减小而使减小。在高速切削时，切削层来不及充分变形已被切离，所以很小。hAhAhAhA4.进给量——进给量增大，切屑厚度增加，前面上正压力增大，平均法向应力增大，故摩擦系数μ减小，剪切角增大，因此切削变形系数减小，切削变形减小。2.2切削力切削力是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力。它是影响工艺系统强度、刚度和加工工件质量的重要因素。切削力是设计机床、刀具、夹具以及计算切削动力消耗的主要依据。在目前自动化生产、精密加工中，常利用切削力来检测和监控加工表面质量、加工精度和刀具磨损的程度。2.2.1切削力的来源、合力及其分力1.切削力的来源在刀具作用下，被切削层金属、切屑和工件已加工表面金属都在发生弹性变形和塑性变形，因而产生变形抗力。法向力切削作用在刀具前面和后面上。由于切屑沿前面流出，故有对刀具前面产生摩擦力；刀具和工件间有相对运动，由有摩擦力作用于刀具后面。几个方面的作用力便形成了作用在刀具上的合力F。切削力来源于两个方面：①切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形和塑性变形所产生的抗力；②刀具与切屑及工件表面间的摩擦阻力。2.切削力的分解如图2.8，在切削时，各种切削力的总和形成作用在刀具上的合力F。为便于测量、计算和应用的需要，常将作用力F分解为三个分力。a）b）图2.8切削时的合力及其分力切向力（主切削力）——在主运动方向上的分力；背向力（径向力或切深抗力）——在垂直于工作表面上的分力；进给力（轴向力力）——在进给运动方向上的分力。合力F、推力与各分力之间关系：；（2.2）式（2.2）表明，当当时，、，各分力的大小对切削过程产生明显不同的作用。22222fPCCDFFFFFFrDpFFcosrDfFFsin；、时，00fDPrFFFk90r0pFDfFF实验可得，当各分力间近似关系为：随着切削条件的不同，三个分力之间的比例可在较大范围内变化，但主切削力的值总是最大。2.2.2分力的作用1.切向力（主切削力）切向力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。切向力作用在工件上，并通过卡盘传递到机床主轴箱，它是设计机床主轴、齿轮和计算主运动功率的主要依据；由于作用使刀杆弯曲、刀片受压，故用它决定刀杆、刀片尺寸；是设计夹具和选择切削用量的重要依据。时，、、01545srk）（）（4.0~3.0:5.0~4.0:1::fpcFFFcFcFcFcFcF2.背向力（径向力或切深抗力）背向力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。在纵车外圆时，如果加工工艺系统刚性不足，背向力是影响加工工件精度、引起切削振动的主要原因。不消耗切削功率。3.轴向力（进给抗力）轴向力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的力。轴向力作用在机床进给机构上，它是计算进给机构薄弱环节零件的