任务1金属切削和一般规律.

1任务1：金属切削和一般规律1.1.1切削运动和工件上的加工表面在金属切削加工过程中，数控机床的运动主要包括金属切削运动和辅助运动。1．金属切削运动金属切削加工就是用金属切削把工件毛坯上余量（预留的金属材料）切除，获得图样所要求的零件。在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对运动，这种相对运动就称为切削运动。切削运动是由金属切削机床通过两种运动单元组合而成的，其—是产生切削力的运动，其二是保证了切削工作连续进行的运动，按照它们在切削过程中所起的作用，通常分主运动和进给运动。1）主运动主运动是由机床提供的主要运动，它使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具接近工件并切除切削层。主运动只有一个，可以是旋转运动，如车削时工件的旋转运动（图1-1），铣削时铣刀的旋转运动；也可以是直线运动，如刨削时刀具或工件的往复直线运动。其特点是切削速度（vc）最高，消耗的机床功率也最大。2）进给运动进给运动是由机床提供的使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动即可不断地或连续地切除切削层，并得出具有所需几何特性的已加工表面。进给运动可以是连续的运动，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动（图1-1）；也可以是间断运动，如刨削时刀具的横向运动。其特点是消耗的功率比主运动小得多。进给运动可以是一个，也可以有多个或没有。3）合成切削运动当主运动和进给运动同时进行时，由主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称为合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度，该速度方向与过渡表面相切，如图1-1所示。合成切削速度ve等于主运动速度vc和进给运动速度vf的矢量和，即：ve=vc+vf（1.1）2．加工中的工件表面在金属切削加工过程中，工件上多余的材料不断地被刀具切除而转变为切屑，与此同时，工件在切削过图1-1切削运动和工件表面2程中形成了三个不断变化着的表面（图1-1），分别如下：1)待加工表面工件上有待切除切削层的表面称为待加工表面。2)已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面称为已加工表面。3)过渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程（如刨削）、刀具或工件的下一转里（如单刃镗削或车削）将被切除，或者由下一切削刃（如铣削）切除的表面。1.1.2切削要素1．切削用量三要素切削用量是用来表示切削运动、调整机床加工参数的参量，用来定量表述主运动和进给运动。切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三个要素（图1-2）。1）切削速度（vc）切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时线速度称为切削速度。回转运动的线速度vc（单位：m／min）的计算公式如下。vc＝πdn／1000（1.2）式中：d——切削刃上选定点处所对应的工件或刀具的回转直径，单位为mm；n——工件或刀具的转速，单位为r／min。需要注意的是：车削加工时，应计算待加工表面的切削速度。2）进给量（ƒ）刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，称为进给量。可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表达或度量（图1-2），其单位用mm/r或mm／行程（如刨削等）表示。数控编程时，也可以用进给速度vf表示刀具与工件的相对运动速度，单位是mm／min。车削时的进给速度vf为vf＝nƒ(1.3)对于铰刀、铣刀等多齿刀具，通常规定每齿进给量ƒz（单位：mm/z），其含义是刀具每转过一个齿，刀具相对于工件在进给运动方向上的位移量。进给速度vf与每齿进给量的关系为vf＝nzƒz(1.4)式中：z——刀具齿数。3）背吃刀量（αp）也叫切深，是已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，称为背吃刀量，其单位为mm。车削外圆时：αp＝（dw—dm）／2(1.5)式中：dw一待加工表面直径，单位为mm；dm一已加工表面直径，单位为mm。镗孔时式(1—5)中的dw与dm的位置互换一下，钻孔加工的背吃刀量为钻头的半径。2．切削层参数图1-2切削用量的三要素3在金属切削过程中，刀具或工件沿进给运动方向每移动一个ƒ（车削）或ƒz（多齿刀具切削）所切除的金属层，称为切削层。图1—3所示为车削时的切削层，当工件旋转一转时，车刀主切削刃由过渡表面I的位置移动到过渡表面Ⅱ的位置，其间所切除的工件材料层即为车削时的切削层。切削层的尺寸称为切削层参数，切削层参数通常在基面内测量。1）切削厚度（hD）是指在垂直于切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。当主切削刃为直线时，各点的切削厚度相等（图1-3），并可近似按式（1.6）计算。在曲线切削刃上，各点的切削厚度是变化的（图1-4）。hD＝ƒsinκr(1.6)2）切削宽度（bD）是指沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸，反映了刀具主切削刃参与切削工作的长度(图1—3)。直线刃的切削宽度可按式（1—7）估算：bD＝αp／sinκr(1.7)3）切削面积（AD）是指切削层的横截面积。车削时切削面积可按式（1.8）计算：AD＝bDhD(1.8)在实际切削时，由于刀具副偏角的存在，刀具常常会在已加工表面上留下刀纹，这些刀纹的横截面积即为残留面积（ΔAD）。残留面积将直接影响已加工表面的粗糙度，同时也减小了切削层的切削面积。3．材料切除率Q材料切除率是指在特定瞬间、单位时间里被刀具切除的工件材料的体积。相当于切削层横截面积以vc值沿切削速度方向运动一个单位时间所包含的空间体积(单位：mm3)，它是反映切削效率高低的一个指标。其计算公式为Q＝1000vcαpƒ(1.9)1.1.2金属切削过程中的变形研究证明：金属的切削过程实质上是被切削金属层在刀具挤压作用下产生剪切滑移的塑性变形过程。图1-3纵车外圆切削层的参数图1-4曲线切削刃工作时的切削厚度与宽度4为了研究方便，通常把切削过程中的塑性变形区域划分为三个变形区（如图1-5）：1．第一变形区被切削金属层在刀具前面的挤压力作用下，首先产生弹性变形，当最大切应力达到材料的屈服极限时，即沿图1-6中的0A-OM曲线发生剪切滑移，并依次由位置1移至位置2，2-2'之间的距离就是它的滑移量。随着刀具前刀面的逐渐趋近，塑性变形也逐渐增大，滑移依次为3-3'、4-4'，直至OM曲线，滑移终止，被切削金属层与母体脱离成为切屑沿刀具前面流出。曲线OAMO所包围的区域就是剪切滑移区，又称第一变形区，也是金属切削过程中的主要变形区，其宽度很窄，约为0.02~0.2mm，且切削速度越高，宽度越窄。第一变形区消耗大部分功率并产生大量的切削热。为使问题简化，设想用一个平面OM代替剪切滑移区，则平面OM就称为剪切平面。剪切平面与切削速度之间的夹角称为剪切角，以φ表示（如图1-5所示）。2．第二变形区经第一变形区剪切滑移而形成的切屑，在沿刀具前刀面流出时，又受到前刀面的挤压而产生摩擦，靠近前刀面处的金属再次产生剪切变形，使切屑底层薄薄的一层金属流动滞缓，这一层滞缓流动的金属层称为滞流层。滞流层的变形程度比切屑上层大几倍到几十倍。3．第三变形区第三变形区是刀具后刀面和工件的接触区，是指工件过渡表面和已加工表面金属层受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹而产生塑性变形的区域。第三变形区的金属变形，造成已加工表层金属的纤维化和加工硬化，并产生一定的残余应力。将影响到工件的表面质量和使用性能。以上分别讨论了三个变形区的特征，三个变形区是相互联系而又相互影响的。金属切削过程中的许多物理现象都和三个变形区的变形密切相关，研究切削过程中的变形，是掌握金属切削加工技术的基础。切削变形的大小，主要取决于第一变形区及第二变形区的挤压和摩擦情况，其主要影响因素及规律如下：⑴工件材料实验证明，工件材料强度和硬度越高，变形系数越小；而塑性大的金属材料变形大，塑性小的金属材料变形小。⑵刀具前角刀具前角越大，变形系数越小。这是因为增大刀具前角，可使剪切角增大，从而使切削变形减小。图1-5三个变形区的划分Ⅰ-第一变形区Ⅱ-第二变形区Ⅲ-第三变形区图1-6第一变形区的剪切滑移5⑶切削速度切削速度vc与切削变形系数ξ的实验曲线如图1-7所示，当中低速切削30钢时，首先，切削变形系数ξ随切削速度的增加而减小，它对应于积屑瘤的成长阶段，由于实际前角的增大而使ξ减小。而后，随着速度的提高，ξ又逐渐增大，它对应于积屑瘤减小和消失的阶段。最后，在高速范围内，ξ又随着切削速度的继续增高而减小。这是因为切削温度随vc的增大而升高，使切削底层金属被软化，剪切强度下降，降低了刀具和切屑之间的摩擦系数，从而使变形系数减小。此外，当切削速度vc很高时，切削层有可能末充分滑移变形就成为切屑流出，这也是变形系数减小的原因之一。⑷切削厚度由图1-7可知，当进给量增加（切削厚度增加）时，切削变形系数减小。1.1.3切屑的形成、种类及控制1．切削的种类如前所述，金属切削层变形的过程即为切屑的形成过程。由于工件材料不同，切削加工条件不同，所以金属切削过程中的变形程度也就不同，从而形成不同的切屑。根据切削过程中变形程度的不同，切屑可分为四种不同的形态，如图1-8所示。1）带状切屑（图l-8a）这种切屑的底层（与前刀面接触的面）光滑，外表面呈毛茸状，无明显裂纹。在加工塑性金属材料（如软钢、铜、铝等），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，容易产生这种切屑。形成带状切屑时，切削过程较平稳，切削力波动较小，己加工表面质量较高。2）节状切屑（图l-8b）又称挤裂切屑。这种切屑的底面有时出现裂纹，上表面呈明显的锯齿状。在加工塑性较低的金属材料（如黄铜），当切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时，容易产生节状切屑；特别当工艺系统刚性不足、加工碳素钢材料时，也容易得到这种切屑。产生节状切屑时，切削过程不太稳定，切削力波动也较大，已加工表面质量较差。3）粒状切屑（图1-8c）又称单元切屑。当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塑性金属（延伸率较低的结构钢）时，会产生这种切屑。产生粒状切屑时，切削过程不平稳，切削力波动较大，已加工表面质量较差。4）崩碎切屑（图1-8d）在切削脆性金属（铸铁、青铜等）时，由于材料的塑性很小，抗拉强度很低，在切削时切削层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就被挤裂，形成不规则状的碎块切屑，这就是崩碎切屑。当工件材料越硬脆、刀具前角越小、切削厚度越大时，越容易产生崩碎切屑。产生崩碎切屑时，切削力波动大，加工表面凹凸不平，刀屑接触长度较短，切削力和切削热量集中作用在刀刃处，刀刃容易损坏。Vc/m﹒s-1图1-7切削速度及进给量对变形系数的影响工件材料：30钢背吃刀量αp=4mm6从加工过程的平稳性、保证加工精度和加工表面质量考虑，带状切屑是较好的切屑类型。需要说明的是，切屑的形态是可以随切削条件的改变而相互转化的。2．切屑的流向和卷曲1）切屑的流向如图1-9所示，在直角自由切削时，切屑沿正交平面方向流出。在直角非自由切削时，由于刀尖圆弧半径和切削刃的影响，切屑流出方向与主剖面形成一个出屑角η，η与κr和副切削刃工作长度有关；斜角切削时，切屑的流向受刃倾角λs影响，出屑角η近似等于刃倾角λs。图1-10为λs对切屑流向的影响示意图。倾角为正值，切削开始时刀尖与工件先接触，切屑流向待加工表面，可避免缠绕和划伤已加工表面，对半精加工、精加工有利；刃倾角为负值，切削开始时刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面，容易划伤已加工表面，在粗加工开始，尤其是在断续切削时，可避免刀尖受冲击，起到保护刀尖的作用。2）切屑的卷曲形式在金属切削加工中，不利的屑形将严重影响操作安全、加工质量、刀具寿命、机床精度和生产率。因此有必要对切屑的卷曲形式和断屑方法进行深入研究，以便对切屑形态进行有效控制。切屑的卷曲是由于切削过程中的塑性和摩擦变形、切屑流出时的附加变形而产生的。在塑性金属切削加工过程中，由于切屑向上卷曲和横向卷曲的程度不同，所产生的切屑形态也各不相同。为了便于分析切屑卷曲的形式，可将切屑分为向上卷曲型、复合卷曲型和横向卷曲型三大类。在脆性金属切削加工中，容易产生粒状切屑和针状切屑，只有在高速切削、刀具前角较大、切削厚度较小时，此类切屑的卷曲方向才与一般情况下略有差异。a.带状切