切削原理．3.ppt

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1、机械制造技术,主讲人：李爱芝,1.金属切削基础 2.金属切削的基本规律及其应用 3.机械加工工艺规程的制定 4.章 机床夹具设计 5.金属切削机床与刀具 6.机械加工精度 7.机械加工表面质量 8.机械装配工艺基础,2 金属切削的基本规律及其应用,金属切削过程的基本规律 2.1 金属切削过程的变形 2.2 切削力 2.3 切削热及切削温度 2.4 刀具磨损与刀具耐用度 金属切削过程的基本规律的应用 2.5 刀具几何参数的选择 2.6 工件材料的切削加工性 2.7 切削液的的选择 2.8 切削用量的合理选择,2.3.1 切削热的来源及传出 三个发热区： 剪切面（剪切区）； 切屑与前刀面的接触区（

2、刀屑接触区）； 后刀面与已加工表面接触区（刀工接触区）。,2.3 切削热及切削温度,1切削热的来源： 剪切区变形功； 前刀面的摩擦功； 后刀面的摩擦功。,切削热的来源与传导,2.3 切削热及切削温度,剪切区（切屑）变形功产生的热量： ； 切屑与前刀面摩擦功产生的热量： ； 后刀面与已加工表面摩擦功产生的热量： 。 产生的总热量 ，分别传入切屑 、刀具 、工件和周围介质 。 2切削热的传导：产生的总热量 ，分别传入切屑 、刀具 、工件 和周围介质 。 切削热的形成及传导关系为： 切削热传至各部分的比例，一般情况切屑带走的热量多。,2.3 切削热及切削温度,示例 车削： 切屑 车刀 工件 周围介质

3、（空气） 若采用切削液，周围介质传出的热量大大增加。 钻削： 切屑 钻头 工件 周围介质 若采用切削液，周围介质传出的热量大大增加。,2.3 切削热及切削温度,2.3.2 切削区的温度及其分布 切削温度 ：前刀面与切屑接触区域的平均温度。 切削过程中产生的切削热与传出的热量两者综合后使切削区形成的温度。 1切削温度的计算：由切削时消耗总功形成的热量引起的。 单位时间产生的热等于消耗的切削功率： 主切削力（N）， 切削速度（m/min）。 温升 比热容 材料密度,2.3 切削热及切削温度,2切削温度的测量：通过实验掌握。 自然热电偶法（切削区平均温度）； 人工热电偶法（测量切削区任意点温度）。

4、3切削温度的分布： 前刀面上和刀屑接触面上温度高且梯度大切削热来不及传递所致； 前刀面和后刀面上温度最高点不是切削刃而是离切削刃有一定距离的地方。 刀具材料和工件材料的导热系数越小，前、后刀面上的温度越高。,主要是因摩擦热沿刀面逐渐积累，而摩擦后半段散热条件改善，前刀面滑动区为外摩擦，摩擦小且散热条件改善前刀面在粘结区，后刀面在前半段；,如高温合金和钛合金导热系数低，切削温度高，所以切削时易采用低的切削速度和切削液，降低刀具上温度。,2.3 切削热及切削温度,2.3.3 影响切削温度的因素： 切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损、切削液。 1切削用量 实验得出的切削温度经验公式： 实验时

5、测得的切削区平均温度， 切削温度系数（与实验条件有关）， 、 、 对切削温度的影响指数。,2.3 切削热及切削温度,用硬质合金刀具切削中碳钢： 用高速钢刀具切削中碳钢时： 、 、 ， ； 、 、 影响的程度不同，,2.3 切削热及切削温度, 影响最大 ，摩擦热来不及向切屑和刀具内部传导，而是大量积聚在切屑低层， ； ，单位时间金属切除率 ，热量 ， ； 另一方面： 和 (变形、 )， ， 。 影响次之 ，单位时间金属切除率 ，热量 ， （占主导地位）； 另一方面： ，单位切削力 和单位切削功率 ， ， ； 此外： ， （ ， ）， ， 。,2.3 切削热及切削温度, 影响最小 ，单位时间金属切

6、除率 ，热量 ， ； ， ，散热条件大大改善（散热面积）， 影响较大； ，单位切削力 和单位切削功率 ， ， 。,2.3 切削热及切削温度,2刀具几何参数 （1）前角 （15），切削变形 和摩擦，产生的热量q， 切削温度 ； 在 虽然变形小产生热量小，但 散热条件恶化（楔角减少， 散热面积减少），切削温度 。,对切削温度 影响,2.3 切削热及切削温度,（2）主偏角 ：切削刃工作长度、刀尖角变化。 一方面： ， ，切削变形和摩擦、切削温度 ； 另一方面 ， ， （切削刃工作长度加大），散热条件改善（散热面积），切削温度 （起主要作用）； 两方面作用的结果是： ，切削温度 。,在工艺系统刚性足够

7、时，用小的主偏角（ ）切削对降低切削温度，提高刀具耐用度起到一定作用，尤其在切削难加工材料时效果更明显（ 较小常用 ）。,2.3 切削热及切削温度,主偏角对切削温度的影响,2.3 切削热及切削温度,3工件材料：强度、硬度、导热性 （1）工件材料的强度和硬度，切削温度 ； （2）合金结构钢的强度高于45钢，导热系数低于45钢， 切削合金结构钢时的切削温度高于45钢（40Cr）。 （3）不锈钢（1Cr18Ni9Ti）和高温合金（GH131）导热系数 低，耐热性能高，切削温度 比切削其它材料时要高的多。 采用导热性和耐热性较好的刀具材料（粉末冶金高速钢、 YW1、YW2、立方碳化硼），且用切削液进行

8、冷却。 （4）脆性金属的抗拉强度和延伸率较小，切削区的塑性变形很 小，切屑呈崩碎切屑，与前刀面的摩擦小，切削温度比一 般钢料低（HT200比45钢低20%30%）。 在生产中加工脆性金属一般不采用切削液（冷却液）。,2.3 切削热及切削温度,4刀具磨损 刀具磨损后，刀具刃口变钝，刃前区变形； 同时磨损后刀具后角（零度），后刀面与工件之间挤压摩擦增大。 结果是切削温度 。 5切削液 合理选用切削液，切削温度，刀具磨损，已加工表面质量。,2.3 切削热及切削温度,2.4.1 刀具的磨损形式： 1正常磨损：三种 后刀面磨损 由于已加工表面和后刀面存在压力和摩擦，在与切削刃连接的后刀面上，磨出长度为b

9、、后角为零或小于零（副后角）的小棱面后刀面磨损。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,正常磨损形式,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,分三个区域： C区：近刀尖处磨损较大区域 ，散热条件VC； N区：近待加工表面处，为全长的1/4的区域，在边界处磨出较长沟槽由于氧化层或上工序加工硬化造成VN； B区：在C、N之间磨损较均匀的磨损区VBmax。 在切削速度较低，切削厚度较小，切削塑性材料或切削脆性材料时后刀面磨损。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,前刀面磨损（月牙洼磨损）： 切削塑性材料，切削速度较高，切削厚度较大时，前刀面承受高压、高温及摩擦，使前刀面磨出月牙洼（月牙洼

10、深度KT）。 刀具耐热性和耐磨性不足时，在前刀面发生月牙洼磨损，此处切削温度最高崩刃。 边界磨损（前、后刀面同时磨损）： 加工塑性材料、中等切削速度、中等进给量。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2非正常磨损（破损） 指刀具在切削过程中尚未达到磨钝标准受到损坏而不能继续使用的现象。按刀具材料分： 脆性破损：机械和热冲击作用 崩刃 剥落 崩碎（碎断） 裂纹,在切削刃上产生小缺口，尺寸与进给量相当，还可以用。常发生在脆性刀具材料上，如陶瓷刀具。,发生在前、后刀面上，方向近似平行切削刃。产生积屑瘤、粘结现象、有冲击负荷时容易发生。主要发生在脆性大的刀具材料，如含TiC高的硬质合金、陶瓷、立

11、方碳化硼刀具。,在切削刃上发生小块碎裂或大块碎裂（是崩刃的进一步发展）。,机械疲劳裂纹，方向平行切削刃；热应力裂纹：由于热冲击引起，方向垂直切削刃。如用硬质合金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性的冲击和交变热应力，在前刀面上产生梳状裂纹。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,塑性破损：高温、高压作用，切削刃产生 卷刃 刃区塌陷(烧刀) 塑性变形 多发生在合金工具钢、高速钢刀具、硬质合金刀具在高温和三向压应力状态下工作。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2.4.2 刀具磨损的原因 切削过程刀具磨损的特点： 刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面； 接触压力大，有时超过被切

12、削材料的屈服强度高压； 接触面的温度高，硬质合金可达8001000，高速钢可达300600高温。 刀具磨损在高温高压条件下产生的，刀具的正常磨损是由机械的和热的、化学的三种作用的综合结果。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,1磨粒磨损（硬质点磨损） 工件材料中硬质点、脱落积屑瘤碎片对刀具表面的机械划伤刀具磨损。 硬质点： 碳化物（ 、 、 ）； 氮化物（ 、 ）； 氧化物（ 、 ）； 金属间的化合物。 低速刀具（手工刀具、高速钢刀具）在前刀面和后刀面上发现由于磨粒磨损产生的沟纹。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2粘结磨损（冷焊磨损） 刀工或刀屑接触面出现冷焊现象（粘结现象）

13、，粘结点因相对运动，粘结层（冷焊层）将产生破裂，由于交变应力、疲劳裂纹、内应力、刀具材料组织不均匀等，粘结层的破裂发生在刀具，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成的刀具磨损。 一般发生在中、高切削速度下，加工塑性金属材料常发生在前刀面上。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,3扩散磨损：高温 切削金属材料时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素相互扩散，改变了材料原来成分和结构，使刀具表层变得脆弱，从而造成刀具磨损。 示例: 用硬质合金刀具切削钢时，从800开始，硬质合金中的钴扩散到切屑、工件，WC分解为钨和碳后扩散给工件硬质合金表面贫钨和碳，钴减少，降低粘结强度，而工件的铁和

14、碳高脆性的复合碳化物。 固态下，金属原子扩散从浓度高的区域浓度低的区域流动。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,4化学磨损（氧化磨损） 在一定温度下（700800），刀具材料与周围介质（空气中 的氧、切削液中极压添加剂硫、氯）起化学反应，在刀具表面 形成硬度低、耐磨性差的化合物加速刀具磨损。 主要发生在硬质合金刀具中脆性，强度 。 5相变磨损 当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发 生变化。硬度下降，加速刀具磨损（刀面塌陷和刀刃卷曲）。 合金工具钢相变温度300350；高速钢相变温度550600。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2.4.3 刀具的磨损过程和磨

15、钝标准 1刀具磨损过程：正常磨损条件下，切削时间，刀具磨损。,刀具后 刀面磨损曲线,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,（1）初期磨损阶段（） 刀具后刀面 ，刀工接触面小，单位面积上压力，刀具磨损 （2）正常磨损阶段（） 刀具后刀面 ，刀工接触面大，单位面积上压力，刀工接触良好，磨损均匀而缓慢使用范围。 （3）急剧磨损阶段（） 当磨损带宽度增加到限度后，切削刃变钝， （为零或负）， 、 ，刀工分子亲和力增加，刀具磨损更换刀具或刃磨刀具。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2刀具磨钝标准： 刀具磨损到一定限度不能继续使用，这个磨损限度磨钝 标准。 ISO标准 一般刀具后刀面上都有磨

16、损，测量方便， ISO统一规定： 以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。 以后刀面上均匀磨损区的平均磨损量VB刀具的磨钝标准。 自动化作业标准 自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的 磨钝标准径向磨损量NB。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,ISO推荐的车刀耐用度试验磨钝标准如下（高速钢和硬质合金刀具）： 如果后刀面在B区内均匀磨损，取 如果后刀面在B区内非均匀磨损，取 前刀面磨损量,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2.4.4 刀具耐用度(刀具寿命) 1刀具耐用度 刃磨后的刀具，从开始切削至磨损量达到磨钝标准所用的切削

17、时间T，单位为min。 衡量刀具切削性能的重要指标。 2刀具耐用度的经验公式 与刀具耐用度的关系：一定切削条件下， ， 。 按ISO国际标准对单刃车刀耐用度试验规定： 当切削刃磨损均匀，取 ； 若磨损不均匀， 。 固定其它条件，在常用速度范围内，取不同切削速 度 ，进行刀具磨损试验。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,刀具耐用度试验,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,直线斜率， 切削速度值，得： 关系： 或 高速钢刀具： 硬质合金刀具： 陶瓷刀具：,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）, 和 与刀具耐用度之间的关系： 在一定切削条件下， 和 ， （ ）。 关系： 关系： 切

18、削用量对刀具耐用度的影响指数； 耐用度系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,用硬质合金车刀切削 的碳钢，当 经验公式为： 结论： 对刀具耐用度影响最大；其次是 ； 影响最小。 所以在优选切削用量以提高生产率时，选择先后顺序： 首先尽量选用大 ; 其次根据加工条件和加工要求选取允许的最大 ; 最后选取刀具耐用度或机床功率所允许的最大的 。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2.4.5 影响刀具耐用度的因素 ：切削温度提高因素 。 1切削用量： 2刀具几何参数： 3工件材料： 强度、硬度高；塑性大、导热系数小 ； 4刀具材料：高温硬度高、耐磨性好

19、 。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2.4.6 刀具耐用度（刀具寿命）的选择 1.最高生产率耐用度 ：以加工一个零件（或完成一道工序）所花的时间最短（生产率最高）为原则确定的刀具耐用度。完成一道工序所用的时间为： 切削时间（min/件）， 辅助时间（不包括换刀时间）， 换刀时间（min/次）。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,对车外圆： （ ） ，整理后得： 切削条件一定时，为常数，令 得：,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,：刀具磨刀和装卸时间，生产率； ：切削用量，生产率。 ：生产率 。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,2.最低（生产）成本耐用度 ：以每个零件的加工费用最低（成本最低）为原则确定的刀具耐用度。 每个零件的平均加工成本为（或零件的一道工序的成本）： M该工序单位时间内所分担的全厂总开支； 刀具成本。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,对于车外圆： ， 令 ： ：成本最低； ：机床消费，成本； ：刀具损耗费和磨刀费，成本。,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,.最大利润耐用度 ： 按最低成本原则确定 按最大生产率原则确定 最大利润耐用度兼顾两方面： 令S工厂对每个零件所收的加工费用； 每个零件的平均加工成本， 则每个零件的利润 率为：,2.4 刀具磨损与刀具耐用度（刀具寿命）,