金属切削原理与刀具

2012-2013学年春季学期金属切削过程金属切削过程的变形切削的类型及控制切削力切削热和切削温度刀具磨损和刀具寿命金属切削过程定义：刀具和工件相互作用形成切屑的过程。目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。两个基本条件：切削运动和刀具。过程中的现象：切削变形、切削力、切削热、积屑瘤、加工硬化和刀具磨损。意义：有助于切削加工技术的发展，保证加工质量，提高生产率和降低成本。金属切削过程FABOM45°a）正挤压FABOM45°b）偏挤压OMFc）切削正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。切削的形成过程金属切削过程中的变形金属切削过程中的变形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Ⅰ第一变形区Ⅱ第二变形区Ⅲ第三变形区金属切削过程中的变形OA—始滑移线:塑性变形开始；OM—终滑移线：金属晶粒的剪切滑移基本完成，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。变形的主要特征：•剪切滑移变形•加工硬化一般速度范围内Ⅰ区宽度为0.02～0.2mm，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面（1）第一变形区（剪切滑移区）金属切削过程中的变形ⅠⅢⅡ前刀面挤压与摩擦，金属纤维化的二次变形。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。（2）第二变形区（挤压摩擦区）金属切削过程中的变形ⅠⅢⅡ（3）第三变形区切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，造成纤维化和加工硬化，影响巳加工表面质量。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。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）切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角金属切削过程中的变形切屑的类型及控制1）带状切屑产生条件：加工塑性金属，且切削厚度较小，切削速度较高、刀具前角较大。优点：切削过程平稳，切削力波动范围小，已加工表面粗糙度较小。缺点：容易缠绕刀具或工件，影响加工过程。带状切屑切屑的类型（从变形观点出发）2）挤裂(节状)切屑产生条件：加工塑性金属，在低速、切削厚度较大、刀具前角较小特点：切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗糙度较大。挤裂切屑切屑的类型及控制3）单元(粒状)切屑产生条件：加工塑性金属，切削速度极低时，增大进给量，减小前角。特点：切削过程不平稳，切削力波动大，已加工表面粗糙度大。粒状切屑切屑的类型及控制切塑性材料带状切屑挤裂切屑单元切屑↑γ0↑v↓hD↓γ0↓v↑hD↓γ0↓v↑hD↑γ0↑v↓hD4）崩碎切屑切脆性材料，工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑。材料所受应力超过了抗拉强度。切削力的幅度小，但波动大，切削过程不平稳，易损坏刀具，已加工表面粗糙。崩碎切屑切屑的类型及控制减小切削厚度，使切屑成针状或片状，同时提高切削速度，以增加工件材料的塑性。切屑的控制1）采用断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。切屑的类型及控制切削加工中采用适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，形成“可接受”的良好切屑。切屑的类型及控制增大刀具主偏角切削厚度变大，有利于断屑。2）改变刀具角度减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角正值切屑常卷曲后碰到后刀面折断负值切屑常卷曲后碰到已加工表面折断切屑的类型及控制3）调整切削用量即据实际条件适当选择切削用量。进给量切削厚度对断屑有利加工表面粗糙度切削速度切削变形利于断屑切除效率切屑的类型及控制积屑瘤的成因速度不高、切削塑性金属、形成带状切屑，刀具和切屑间的压力和摩擦，使得切屑冷焊并层积在前刀面上，形成硬度很高的一块剖面呈三角状的硬块，其硬度是工件材料硬度的2～3倍，能够代替刀刃进行切削，并以一定的频率生长和脱落。这硬块称为积屑瘤。1）积屑瘤的形成积屑瘤的形成及其影响（1）工件材料的性质塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；切削区的温度和压力很低时，不会产生积屑瘤；切削区的温度太高时，由于材料变软，也不会产生积屑瘤。2）积屑瘤的成因（2）切削区的温度分布和压力分布有关。（3）刀具前角增大刀具前角可以有效抑制积屑瘤的形成。（4）冷却润滑条件加注切削液可以有效抑制积屑瘤的形成。积屑瘤的形成及其影响根据积屑瘤的有无及生长高度Hb与切削速度关系，可分为四个区：（5）切削速度I区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成；Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件逐渐形成，随着切削速度的提高，积屑瘤高度也增加。摩擦阻力Ff与切削流动推力T：FfT积屑瘤高度增大；FfT积屑瘤被推走；Ff＝T积屑瘤达到临界高度。Ⅲ区：积屑瘤的高度随切削速度的增加而减小，当到达边界时，积屑瘤消失。速度高，切屑温度高被软化，摩擦阻力下降，滞留倾向减弱。Ⅳ区：切削速度进一步提高，由于切削速度较高而冷焊消失，此时积屑瘤不再存在，当切屑底部的纤维化依然存在，切屑的滞留倾向也依然存在。积屑瘤的形成及其影响积屑瘤的形成及其影响（1）增大刀具前角减小了切屑变形，降低切削力，使切削过程容易进行。（2）增大切削厚度ΔhD的变化导致切削厚度的变化，从而导致切削力的波动和影响加工质量。3）积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤的形成及其影响（3）增大已加工表面粗糙度积屑瘤伸出切削刃外的部分高低不平，外形极不规则，增大了已加工表面的粗糙度，降低了表面加工质量。（4）对刀具寿命的影响积屑瘤如生长稳定，起到了保护了刀具，提高了刀具的使用寿命的作用；如频繁脱落，则加剧了刀具的磨损，降低了刀具的使用寿命。积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。在粗加工时，可充分利用积屑瘤,精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：（2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。（1）合理选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。（3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。（4）降低工材塑性，适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。4）控制措施（5）减小进给量。积屑瘤的形成及其影响l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形的抗力；2）克服塑性变形的抗力；切削力来源于以下三个方面：1）切削力3）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力；切削过程受力分析κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv切削力的分解F切削合力Fc主切削力Fp背向力Ff进给力2）切削合力及分解切削合力及分解22222NCPfFcFFFFF切屑的受力分析sinDssAFA前刀面：法向力Fn摩擦力Ff剪切面：正压力Fns剪切力Fs切屑形成力F第一步：受力分析sinDssAFAcos()soFF切屑的受力分析剪切角Φ摩擦角β第二步：角度分析cos()cos()sincos()cDoooAFFsin()sin()sincos()pDoooAFFtan()/opcFFtan切屑的受力分析cos()sincos()sDooFAF第三步：分力计算切屑变形过程被切削金属层好比一叠卡片，刀具进行切削时，卡片之间发生滑移。切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层的变形程度。lchlC切屑与切削层尺寸◆厚度变形系数Dchhhh◆长度变形系数CLchll1.变形系数*变形系数值Λh是大于1的数；值越大，变形越大；可实测；Λh与剪切角Ф有关，Ф增大，Λh减小，切削变形减小。切屑变形程度切屑变形程度相对滑移模型：平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，其相对滑移cottan()osNPNKKPyMKMK2．相对滑移ε00cossincos()或切屑变形程度3．剪切角φ4o（1）根据材料力学平面应力状态理论——主应力与切应力45ºFFs4-o（2）根据合力学最小理论：cos()sincos()sDooFAF422o切屑变形程度分析上式可知：1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明，在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。4o422o影响切屑因素1．工件材料的影响工件材料的硬度和强度越大，剪切角将随之越大，变形系数越小，切屑的变形越小。刀具前角增大，剪切角将随之增大；变形系数随着刀具的前角增大而减小。切屑的变形减小。2刀具前角的影响影响切屑因素3．切削速度的影响A段：积屑瘤随着切削速度的增大逐渐形成，前角逐渐增大，所以变形系数减小。积屑瘤消失，随着vc的增大，切削温度增高，使切屑底层材料的剪切屈服强度τs下降，导致前刀面摩擦系数μ减小，摩擦角随之减小，剪切角增大，故变形系数减小。C段：•切削塑性金属时vc是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。•切削铸铁等脆性金属时，一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐地减小。B段：积屑瘤随着vc的增大逐渐消失，前角逐渐减小，所以变形系数增大。影响切屑因素4．切削层公称厚度的影响进给量增大，切削层厚度增大;在无积屑瘤的切削速度范围内(Vc=200)，切削厚度越大，变形系数越小。5．刀尖圆弧半径的影响刀尖圆弧半径r越大，变形系数越大，切削变形越大。l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形的抗力；2）克服塑性变形的抗力；切削力来源于以下三个方面：1）切削力切削力、切削合力与分力、切削功率3）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力；切削力κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv切削力的分解F切削合力Fc主切削力Fp背向力Ff进给力2）切削合力及分解切削力22222NCPfFcFFFFF主偏角Kr的大小影响Fp和Ff的配置。当工艺系统刚性较差时，应尽可能使用大的主偏角刀具进行切削。根据实验，当Kr=45º,λs=0º,γo≈15º，Fc、Fp和Ff有以下近似关系：Fp=（0.15~0.7）FcFf=（0.1~0.6）Fc可以得到：Fp.f=（1.02~1.36）Fc三者会随着刀具材料、刀具几何参数、切削用量、工件材料、刀具磨损情况而在较大范围内变化。切削力3）切削功率式中Fc——主切削力（N）；v——主运动速度（m/s）。4）机床电机功率式中η—机床传动效率，通常η=0.75～0.85()cEPPKW3310101000ccwfccCvFfnFvFP只有前者1%~2%切削力5）切削力的测量及切削力经验公式目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。2．切削力的经验公式1．切削力的理论公式切削过程非常复杂，理论模型还存在较大缺点，计算结果与实验结果不能很好的吻合。（1）切削力的测量切削力（2）切削力的经验公式的建立（详参冯之敬书）FcFcFpFpFfFfCFcPPFpPFFfPyxyxyxfCaFfCaFfCaF测量仪测出切削力后，再将实验数据用图解法、线性回归等进行处理，其实质就是测定FC、FP、Ff后，如何确定3个系数和6个指数。切削力图解法FcpFcCaPCfxyCaFfCFloglogloglogloglogpCaPCfFcFcFCxaFCyfFcFcCFcPyxfCaF切削力FeFeFeFpFpFpFfFfFfCFeFcPCPFpFpPCFFfFfPCyxnyx