金属切削原理

1.1金属切削原理数控加工工艺概述切削加工的基本条件(3)刀具必须具有一定的空间几何结构。零件多余材料被刀具从工件上切除的本质，仍然是材料受力变形直至断裂破坏，只是完成这个过程的时间很短，材料变形破坏的速度很快。为了完成这一过程时能够确保加工质量、尽量减少动力消耗和延长刀具寿命，刀具切削部分的几何结构和表面状态必须能适应切削过程的综合要求。(1)刀具和工件间要有形成零件结构要素所需的相对运动。这类相对运动由各种切削机床的传动系统提供。(2)刀具材料的性能能够满足切削加工的需要。刀具在切除工件上多余材料时，工作部分将受到切削力、切削热、切削摩擦等的共同作用，且切削负荷很重，工作条件恶劣。因此，刀具材料必须具有适应强迫切除多余材料这一特定过程的性能，例如足够的强度和刚度、高温下的耐磨性等。切削加工中的运动及构成表面成形运动和辅助运动一、表面成形运动:形成发生线的运动.按组成情况不同,可分为:简单成形运动和复合成形运动。按作用情况不同,可分为:主运动和进给运动。1、主运动：是刀具与工件之间的相对运动。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，通常只有一个主运动。2、进给运动：是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是步进的。二、辅助运动:实现机床的各种辅助动作,为表面成形创造条件。切入运动、切出运动、调整运动、分度运动以及其他各种空行程运动。切削运动示意图切削过程中工件上的加工表面待加工表面：即将被切去金属层的表面过渡表面：切削刃正在切削着的表面已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面（1）切削速度切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度称为切削速度，计算公式如下：vc=∏dn/1000m/s或m/mind－工件或刀具上某一点的回转直径（mm)n－工件或刀具的转速（r/s或r/min)切削用量三要素在生产中将切削速度、进给量和背吃刀量统称为切削用量进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r。每齿进给量对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量fz，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/z(毫米/齿)。vz=f·n=fz·z·nmm/s或mm/min背吃刀量：对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。外圆柱表面车削ap=（dw-dm）/2mm钻孔ap=dm/2mm主运动为直线运动时ap=Hw–Hmdm——已加工表面直径dw——待加工表面直径为了简化计算工作，切削层的表面形状和尺寸，通常都在垂直于切削速度vc的基面Pr内观察和量度。切削层参数为：（1）切削厚度垂直于加工表面来度量的切削层尺寸，称为切削厚度，以hD表示。在外圆纵车（λs＝0）时：hD＝fsinkr（2）切削宽度沿加工表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以bD表示。外圆纵车（当λs＝0时）bD=ap/sinkr可见，在f与ap一定的条件下，主偏角kr越大，切削厚度hD也就越大，但切削宽度bD越小；kr越小时，hD越小，bD越大；当kr＝90时，hD＝f。曲线形主切削刃、切削层各点的切削厚度互不相等。切削面积切削层在基面Pr的面积，称为切削面积，以AD表示。其计算公式为：AD=hD.bD对于车削来说，不论切削刃形状如何，切削面积均为：AD＝hD.bD=f.ap上面所计算的均为名义切削面积。实际切削面积等于名义切削面积减去残留面积。金属切削过程金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除成为切屑从而得到所需要的零件几何形状的过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力大小变化、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。切削过程示意图金属切削过程中的流线与三个变形区示意图(3)第三变形区。已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，造成纤维化与加工硬化。这一区域的格子线变形也是较密集的，称为第三变形区(Ⅲ)。(1)第一变形区。材料在刀具前刀面挤压作用下，从图中OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域称为第一变形区(Ⅰ)，亦称剪切区。(2)第二变形区。切屑沿前刀面滑移排出时紧贴前刀面的底层金属进一步受到前刀面的挤压阻滞和摩擦，再次剪切滑移变形而纤维化，其方向基本上和前刀面平行，这一区域称为第二变形区(Ⅱ)，亦称摩擦变形区。影响切削变形的因素工件材料的影响刀具几何参数的影响切削用量的影响切削力和切削功率切削力:定义:切削过程中作用在刀具上的切削抗力称为切削力。来源:1、切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形而产生的力；2、刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。切削合力与分力主切削力FC吃刀抗力FP进给抗力Ff切削功率定义：切削功率指在切削过程中消耗的功率，它是各分力方向上所消耗功率的和。由于主运动方向所消耗的功率最大，通常用主运动消耗的功率表示切削功率.4106cccvFPFc——切削力，单位：N；vc——切削速度，单位：m/min。•单位切削功率定义：单位时间内切除金属层单位体积所消耗的功率。pc=p×10-6〔KW/mm3.s-1〕•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。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fAD↑↑↑↑变形抗力摩擦力切削力↑b）切削速度Vc对切削力的影响;切削塑性材料时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↑↑↑前角对切削力的影响b）主偏角kr对切削力的影响;rFFDfκsin=rFFDPκcos=c）刃倾角ls对切削力的影响;•d）刀尖圆弧半径re对切削力的影响;•刀具材料和切削液的使用对切削力也有一定的影响。切削热和切削温度切削热和由它导致的切削温度是影响金属切削状态的重要物理因素之一，切削时所消耗能量的97%～99%转化为热能。大量的热能使切削区的温度升高，直接影响到刀具的寿命和工件的加工精度及表面质量。因此研究切削热和切削温度对生产实践有着重要的指导意义。1.切削热的来源与传出一个是切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦，这是切削热的主要来源。另一个是切削层金属在刀具的作用下发生弹性变形和塑性变形。2.切削温度的分布a）法平面内的切削温度分布b）刀具前面上的切削温度分布图3-33切削温度的分布影响切削温度的因素切削用量刀具的几何参数切削液工件材料切削用量选择•刀具耐用度的确定•切削用量的选择原则•切削用量的选择方法刀具耐用度的确定（一）最大生产率耐用度•完成一个工序所需要的工时tw为•求一阶导数，得最大生产率耐用度（二）最低成本耐用度（经济耐用度）•每个工件的工序成本为•刀具经济使用寿命mwmctottttttT1pctmTtm(mmmctottttCtttMCTT）1()tcctCmTtmM切削用量的选择原则•粗加工时，为充分发挥机床和刀具的性能，以提高金属切除量为主要目的，应选择较大的切削深度、较大的进给量和适当的切削速度。•精加工时，应主要考虑保证加工质量，并尽可能的提高加工效率，应采用较小的进给量和较高的切削速度。在切削加工性差的材料时，由于这些材料硬度高、强度高、导热系数低，必须首先考虑选择合理的切削速度。切削用量的选择方法•在一般情况下，首先根据加工余量选择切削深度ap，其次根据工件材料的硬化深度和切屑断连的已加工表面粗糙度情况选择进给量f，最后尽量选择较高的（高速钢刀具选择较低的）切削速度Vc，以切削速度来控制切削温度，消除切屑瘤，保证工件表面粗糙度。刀具几何参数和切削用量表工件材料刀具材料刀具几何参数切削用量低碳钢易切钢中碳钢GYT、YWG25-308-2030-4025-3015-208-106-890-18020-300.3-50.3-100.5-50.1-0.50.08-10.1-0.5γ0α0Vc(m/min)Ap(nm)F(mm/r)•参数选择说明•A、粗车时，选用低的切削速度，大的切削深度和进给量。•B、精车时，选用高的切削速度，小的切削深度和进给量。•C、高速钢刀具精车时采用Vc小于10m/min的切削速度以控制积屑瘤产生，降低钢件粗糙度。•D、对铸钢件，粗车应选比较低的切削速度。•E、断续切削时，刀具前角适当减小。•F、刀具材料抗弯强度低，γ0应减小到0～5°。切削如铸铁等脆性材料时，切削层金属未经明崩碎切屑显的塑性变形，就在弯曲拉应力作用下脆断，得到了不规则的细粒状切屑，称为崩碎切屑。1、切屑的种类在加工塑性金属材料时，若切削层金属的剪带状切屑切滑移变形未达到材料的剪切破坏极限，切屑就呈连续不断的带状，称为带状切屑。在切削速度较低、切削厚度很大的情况下，切节状切屑钢及切削黄铜等材料时，切屑的外表面局部达到剪切破坏极限，开裂呈节状，称为节状切屑。在切削速度较低、切削厚度很大的情况下，切钢粒状切屑及铅等材料时，由于剪切变形完全达到材料的破坏极限，切下的切屑断裂成均匀的颗粒状，成为粒状切屑。切屑种类切屑的各种形状2、切屑的流向、卷曲和折断•切屑的流向在直角自由切削时，切屑在正交平面内流出。在直角非自由切削时，切屑流出方向与正交平面形成出屑角η。•切屑的卷曲切屑的卷曲是由于切削过程中的塑性变形和摩擦变形、切屑流出时的附加变形而产生的。断屑槽的形状3、影响断屑的因素•卷屑槽的尺寸参数•刀具角度•切削用量(1)被切削材料的屈服极限强度越小，则弹性恢复少，越易折断。(2)被切削材料的弹性模量大时，也容易折断。(3)被切削材料塑性越低，越容易折断。(4)切削厚度越大，则应力增大，容易断屑，而薄切屑则难断。(6)切削速度提高时，断屑效果降低。(7)刀具前角越小，切屑变形越大，容易折断。(5)背吃刀量增加，则断屑困难增大。积屑瘤切削钢、球墨铸铁和铝合金等塑性金属时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下，常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊(黏结)并层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，它能够代替刀面和切削刃进行切削，这个楔块称为积屑瘤。积屑瘤的特点：(1)化学性质与工件材料相同，说明积屑瘤来自于工件材料(切屑底层)逐渐堆积。(2)硬度是工件材料的3～4倍，稳定时可代替刀刃进行切削。(3)积屑瘤是一个动态结构，不稳定，产生、成长、脱落反复进行。bg(2)积屑瘤的存在使刀具在切削时具有更大的实际前角，减小了切屑的变形，并使切削力下降。(4)在切削过程中积屑瘤是不断地生长和破碎的，所以积屑瘤的高度也是在不断地变化的，从而也导致了实际切削厚度不断地变化，引起局部过切，使零件的表面粗糙度增大。同时部分积屑瘤的碎片会嵌入已加工表面，影响零件表面质量。(5)不稳定的积屑瘤不断地生长、破碎和脱落，积屑瘤脱落时会剥离前刀面上的刀具材料，造成刀具的磨损加剧。积屑瘤对加工的影响有以下几个方面：(1)稳性的积屑瘤可以代替切削刃和前刀面进行切削，从而保护切削刃和前刀面，减少刀具的磨损。(3)积屑瘤具有一定的高度，其前端伸出切削刃之外，如图所示，使实际的切削厚度增大。精加工时避免积屑瘤常用的方法有：(1)选择低速或高速加工，避开容易产生积屑瘤的切削速度区间。例如，高速钢刀具采用低速宽刀加工，硬质合金刀具采用高速精加工。(2)采用冷却性和润滑性好的切削液，减小刀具前刀面的粗糙度等。(3)增大刀具前角，减小前刀面上的正压力。(4)采用先预热处理，适当提高工件材料硬度、降低塑性，减小工件材料的加工硬化倾向。谢谢！