工业生产过程6金属切削过程和切削力.ppt

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1、2014-10-13,工业生产过程 金属切削过程和切削力,ZZQ,2014-10-13,本节课内容：,工件切削层产生塑性变形，变成切屑的复杂过程。 上述过程所产生的力。,2014-10-13,今天的课程学完后，预期学习结果 ：,了解金属切削的切削层变形、切屑形成等过程； 了解金属切削过程前刀面上的摩擦与积屑瘤等现象； 了解影响切削变形的主要因素； 掌握切削力、切削功率等概念； 了解建立切削力经验公式的方法； 了解影响切削力的因素。,2014-10-13,CDIO相关能力在今天课程中的培养：,应用基础科学知识与工程基础知识，通过切削变形程度的理论推导，实行工程推理并解决问题。 通过金属切削过程各

2、种现象的观察、切削力经验公式的建立，提高实验和发现知识的能力，提高创新思维概念化和抽象化能力。 对各项学习任务进行合理的时间安排，有效高质量地完成。,2014-10-13,案例导入,金属切削过程将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑的过程。 要加工如图所示短轴。怎样才能把多余的材料去掉？要多大的切削力？如何选择刀具的几何参数和切削用量？,2014-10-13,金属切削基本原理,金属切削的目的是用刀具把工件表面上多余的金属切掉，以获得需要的工件形状和尺寸。切削过程的实质是工件切削层在刀具前刀面的挤压下产生塑性变形，变成切屑的复杂过程。过程中，许多物理现象如：切削力、切削热和刀具的

3、磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等，都与金属的变形有密切的关系，都会影响加工质量、生产率和生产成本。通过金属切削过程基本原理的学习，掌握金属切削变形过程的规律，并主动地加以有效的控制，可创造出更先进的加工方法和高效率的切削刀具，以适应制造技术发展的需要。,2014-10-13,本章主要内容,切削变形 切削力 切削热 刀具磨损 刀具几何参数选择 切削用量选择,2014-10-13,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而形成切屑的过程。研究切削过程的物理本质及其变化规律，对提高切削加工生产率，保证加工质量，降低加工成本有着很重要的意义。,2014-10-13,切削层

4、,切削层在切削过程中，主运动一个切削循环内，刀具从工件上所切除的金属层。 如图所示，车削时工件旋转一周，刀具从位置II移到了I， I与II之间的材料层即为切削层。,2014-10-13,复习：切削层参数,切削层公称厚度hD（mm） 指垂直于过渡表面测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面间的距离。hD反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图可知 hD f sinr 切削层公称宽度bD（mm） 指沿过渡表面测量的切削层尺寸。bD反映了切削刃参加切削的长度。由图可知 bD ap / sinr 切削层公称横截面积AD（mm2） 指在切削层尺寸平面里测量的横截面积。即为切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。由

5、图可知 AD hDbD apf,2014-10-13,切削变形的本质,从材料力学中得知，金属材料受挤压时，其内部材料产生应力应变（下页图所示），在大约与受力方向成45（图中和方向即剪切方向）的斜截面内剪应力最大，开始是弹性变形，当剪应力达到材料的屈服极限时，剪切变形进入塑性流动阶段，材料内部沿着剪切面发生相对滑移，材料就被压扁（塑性材料）或剪断（脆性材料）。 切削加工与上述挤压相似，只是在切削加工时，受切削层下方（线以下）材料的阻碍，切削层材料不能沿方向滑移，只能沿剪切面向上滑移，于是，切削层材料就转变为切屑，见后页图。,2014-10-13,金属的挤压与切削,2014-10-13,切削变形与

6、切屑的形成,图2.4 切削过程示意图,塑性材料切削加工时，切削层材料被挤压而沿剪切面滑移，逐步转变为切屑。,2014-10-13,切屑形成过程与三个变形区,如下页图所示，在刀具切入工件后，由于切削刃和前刀面的推挤，工件材料内部的每一点都要产生一定的内应力，离刀具愈近的地方，应力愈大。 第一变形区位于刀刃前方，是切屑形成的主要区域(后面图中区) 。 在第一变形区中，在刀具前刀面推挤下，切削层金属发生塑性变形。 第一变形区是一个很薄的区域，可视为一平面剪切面。剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角。,2014-10-13,切屑的形成过程,图2.5 第一变形区金属的滑移,2014-10-13,切屑形成

7、过程与三个变形区,第二变形区位于与刀具前刀面接触的切屑底层(下页图中区) 。 切屑沿前面流动时，进一步受到刀具前刀面的挤压，在刀具前刀面与切屑底层之间产生了剧烈的内摩擦，使切屑底层的金属进一步变形，使晶粒纤维化，其方向基本上和刀具前面平行。 第二变形区对切削过程也会产生较显著的影响。,2014-10-13,金属切削过程中的滑移线和流线,2014-10-13,切屑形成过程与三个变形区,第三变形区位于与刀具后刀面接触的已加工表面表层(上页图中区) 。 切削层金属进入第一变形区和第二变形区后，逐步被刀具切削刃和前刀面从工件基体材料上剥离下来转变为切屑；同时，工件基体上留下的材料表层经过刀具钝圆切削刃

8、和刀具后刀面的挤压、摩擦，使表层金属产生纤维化和非晶质化，并使其显微硬度提高；在刀具后面离开后，已加工表面表层和深层金属都要产生回弹，最后形成已加工表面，同时产生表面残留应力。第三变形区内的摩擦与变形情况，直接影响着已加工表面的质量。,2014-10-13,已加工表面的形成过程,刀具切削刃的刃口实际上无法磨得绝对锋利，总存在刃口圆弧，如下页图所示，刃口圆弧半径为 。切削时由于刃口圆弧的切削和挤压摩擦作用，使刃口前区的金属内部产生复杂的塑性变形。通常以 O点为分界点，O点以上金属晶体向上滑移形成切屑；O点以下厚度 的金属层晶体向下滑移绕过刃口形成已加工表面。这层金属被刃口圆弧挤压后，还继续受到后

9、刀面上小棱面CE的摩擦，以及由已加工表面弹性恢复层与后刀面上ED部分接触产生挤压摩擦，使已加工表面变形更剧烈。,2014-10-13,已加工表面的形成过程,2014-10-13,切削变形程度的两种表示方法,剪应变是用理论推导的方法得到的切削变形程度的表示方法，变形系数则是用实验测量的方法得到的切削变形程度的表示方法，两种方法各有所长。 实验课的实验：“切削层变形的观察及变形系数的测量”中，将进行“变形系数”的实验测量。,2014-10-13,切削变形程度的表示方法相对滑移,如下页图所示，当切削层单元平行四边形产生剪切变形为时，沿剪切面产生的滑移量为s。相对滑移的大小为： 或,2014-10-1

10、3,切削变形程度的表示方法相对滑移,图2.8 相对滑移,2014-10-13,切削变形程度的表示方法 变形系数（切屑厚度压缩比）,在生产实践中,切屑厚度hch通常要大于切削厚度,而切屑长度lch则小于切削长度lc,如下页图所示。由于切削宽度与切屑宽度差异很小,根据体积不变的原则,变形系数可由下式计算:,2014-10-13,切削变形程度的表示方法 变形系数（切屑厚度压缩比）,图2.9 切屑的变形,2014-10-13,影响切削变形的主要因素,影响切削变形的因素很多，主要有：工件材料、刀具前角、切削速度、切削厚度。 工件材料 工件材料的强度、硬度越大，切削变形越小，下页图所示为工件材料的强度对变

11、形系数的影响。,2014-10-13,材料强度对变形系数的影响,2014-10-13,影响切削变形的主要因素刀具前角,刀具的前角越大，切削刃就越锋利，对切削层金属的挤压也就越小，剪切角就越大，所以，切削变形也就越小，如图所示。,2014-10-13,影响切削变形的主要因素切削速度,切削速度主要是通过积屑瘤和切削温度使剪切角变化而影响切削变形的。如图所示，在切削碳钢等塑性金属时，变形系数随切削速度增大呈波形变化，这是因为在较宽的切削速度范围内，中间有一部分区域会生成积屑瘤，而高速端和低速端却没有积屑瘤。,2014-10-13,影响切削变形的主要因素切削厚度,随着切削厚度的增加，摩擦系数减小， 增

12、大，变形系数 减小。在无积屑瘤的情况下，越大， 越小，如图所示。切屑底层的金属与前刀面产生剧烈的挤压和摩擦，离前刀面越远，切削层变形越小，因此，切削厚度的增加，使切屑的平均变形减小。,2014-10-13,思考,1切削变形程度是怎么表示的？ 2影响切削变形的因素有哪些，分别是怎样影响切削变形的？,2014-10-13,切屑的类型,由于工件材料以及切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而所产生的切屑形态也就多种多样。其基本类型如图示，即带状切屑、节状切屑、粒状切屑和崩碎切屑四类。,2014-10-13,带状切屑,最常见的一种切屑。加工塑性材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，得到

13、的切屑往往是带状切屑。出现带状切屑时，切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度值较小。,2014-10-13,挤裂切屑,又称节状切屑。切屑上各滑移面大部分被剪断，尚有小部分连在一起，犹如节骨状。它的外弧面呈锯齿形，内弧面有时有裂纹。其原因是由于它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。由滑移变形所产生的加工硬化使剪切力增加，在局部地方达到材料的破裂强度。 在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小的情况下产生。出现节状切屑时，切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗糙度值较大。,2014-10-13,单元切屑(粒状切屑),切屑沿剪切面完全断开，因而切屑呈梯形的单元状(粒状)。 切

14、削塑性材料，在切削速度极低时产生这种切屑。出现单元切屑时切削力波动大，已加工表面粗糙度值大。 以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。切屑的形态是随切削条件的改变而转化的。在形成挤裂切屑的情况下，若减小刀具前角，降低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑；反之，则可得到带状切屑。,2014-10-13,崩碎切屑,切削脆性材料时，由于材料的塑性很小且抗拉强度低，被切金属层在前刀面的推挤下未经塑性变形就在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑。它与工件基体分离的表面很不规则，切削力波动很大，切削振动大，加工表面凹凸不平，表面

15、粗糙度值很大。,2014-10-13,切屑的形状,在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。从切屑控制的角度出发国际标准化组织（ISO）制定了切屑分类标准，如下页表所示。,2014-10-13,2014-10-13,切屑控制,带状屑： 高速切削塑性金属，一般应力求避免 C形屑 ： 切削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，较好 长紧卷屑： 普通车床上较好 发条状卷屑： 重型机床上较好 宝塔状卷屑： 自动机或自动线上较好 螺卷屑 ： 崩碎屑 ：,2014-10-13,切屑控制方法,工业生产中一般应力求避免带状屑。通过改变切削条件，可对切屑的形状进

16、行控制，常用在刀具上加卷屑槽或卷屑台的办法，也可通过刀刃的形状控制切屑形状。,2014-10-13,卷屑与断屑,2014-10-13,卷屑机理,2014-10-13,断屑机理,2014-10-13,断屑机理与方法,2014-10-13,断屑机理与方法,2014-10-13,卷屑槽形状,2014-10-13,通过刀刃的形状控制切屑形状,2014-10-13,思考,避免带状屑的方法实质上是通过增大塑性变形来增加切屑脆性的办法。是否有别的增加切屑脆性的办法？,2014-10-13,前刀面上的摩擦,切屑在流经前刀面时，在高温高压的作用下产生剧烈的摩擦，致使刀具前刀面与切屑底层产生粘结现象，也称冷焊这种

17、摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。如下页图所示，刀屑接触区分为粘结区和滑动区两部分。粘结区的摩擦为金属间的内摩擦，滑动区的摩擦为外摩擦。,2014-10-13,前刀面上的摩擦,2014-10-13,积屑瘤的形成,由于刀屑接触面很洁净，切削塑性材料时，在粘结摩擦和滞留的作用下，当前刀面上的温度和压力适宜时，切屑底层金属粘结前刀面的刃口附近（即所谓的“冷焊”），形成硬度很高（是工件材料的23倍)的一个楔块，称为积屑瘤，见下页图。积屑瘤的大小常用积屑瘤的高度Hb表示。,2014-10-13,积屑瘤前角和伸出量,图2.11 积屑瘤前角和伸出量,2014-10-13,积屑瘤对切削过程的影响,增大前角，减

18、小切削力 积屑瘤在刀面上增大了刀具的实际工作前角，可减小切屑变形，减小切削力。 影响尺寸精度 积屑瘤前端伸出刀刃外，使切削厚度增加了，影响工件尺寸精度。 增大表面粗糙度值 积屑瘤会在工件表面上划出沟痕和挤歪已有沟痕。 减小刀具磨损 积屑瘤象帽子保护着切削刃，代替切削刃、前刀面和后刀面进行切削，减小刀具的磨损。 一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生；但在粗加工时，可充分利用积屑瘤。,2014-10-13,影响积屑瘤的主要因素,主要取决于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。 工件材料 塑性越大，切削温度越高，越容易

19、形成积屑瘤。可以采用正火或调质处理避免积屑瘤的生成。 切削速度 实验表明，采用低速（ 3m/min）或较高速（ 40m/min）切削时，不易产生积屑瘤，如下页图示。 刀具前角 增大前角，可以减小切屑变形、切削力和摩擦，降低切削温度，抑制积屑瘤的生成。 另外，使用切削液可有效降低切削温度和摩擦，抑制积屑瘤的产生。,2014-10-13,切削速度与积屑瘤高度的关系,2014-10-13,切削力,切削过程中，切削力直接影响着切削热、刀具磨损、刀具耐用度、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，制定切削用量，设计机床、刀具、夹具的重要依据。因此，研究和掌握切削力的规律和计算、实验方

20、法，对生产实际有重要的实用意义。,2014-10-13,切削力的来源,切削加工时，使切削层产生弹性、塑性变形的切削抗力作用在刀具上；刀具前刀面与切屑间、刀具后刀面与已加工表明间的摩擦阻力也作用在刀具上，这些力总称为切削力。如图所示。,2014-10-13,切削力的分解,图示为车削外圆时的切削力。为了便于测量、研究和计算，常将切削合力F分解为三个互相垂直的分力： 主切削力 （切向力）切削合力在主运动方向的分力。 切深抗力 （背向力、径向力）切削合力在加工表面法向方向上的分力。 进给抗力 （轴向力）切削合力在进给方向的分力。,2014-10-13,思考,教科书P105习题2-7 ：,2014-10

21、-13,切削力的实验,曾有许多人建立了一些理论模型来推导切削力的理论公式，但均不理想。实用上，采用实验方法来建立切削力的经验公式。 实验课的实验：“切削力对加工精度的影响”中，将进行切削力的实验测量。,2014-10-13,切削力的测量,测力仪的测量原理是测量出变形或电荷，经转换后读出三个切削分力。目前应用最广的是电阻应变片式测力仪。它的灵敏度高，精度高，量程范围大，可用于动态测量和静态测量。 电阻式测力仪的工作原理是将若干电阻应变片贴在测力仪上弹性元件的不同部位，分别联成电桥，如图中的R1R4。,2014-10-13,切削力的计算,切削力的经验公式主要是指数公式，通过大量实验，用测力仪测得各

22、向分力后，通过数据处理（常用在双对数坐标纸上进行直线拟合的方法），可得切削力的经验公式。 计算切削力的指数公式： 主切削力 切深抗力 进给抗力,2014-10-13,单位切削力的计算公式,生产中另一切削力的经验公式是按单位切削力计算的公式。 用单位切削力p来计算主切削力是一种更简便的形式。单位切削力是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。用p表示为：,2014-10-13,切削功率的计算,切削功率Pc 指在切削过程中所消耗的功率，是各切削分力消耗功率的和。由于主运动方向上的功率消耗最大，通常用主运动消耗的功率表示切削功率Pc（kW）： 则机床电动机所需功率PE（Kw）为：,2014-10-13

23、,影响切削力的因素工件材料,工件材料的物理力学性能、加工硬化程度、热处理情况都影响切削力的大小，其中影响较大的主要因素是强度、硬度和塑性。工件材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性（伸长率）、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。另外，加工硬化程度大，切削力也增大。,2014-10-13,影响切削力的因素切削用量,进给量f和背吃刀量（切削深度）aP 进给量f和背吃刀量aP的增加，都使切削面积D增大，但进给量f的增加使变形程度减小，切削层单位面积切削力减小，故切削力有所增加；而背吃刀量aP增加时，切削层单位面积切削力不变，切削刃

24、上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。 切削速度vC 积屑瘤的存在与否，决定着切削速度对切削力的影响情况：在积屑瘤生长阶段， vC增加，积屑瘤高度增加，变形程度减小，切削力减小；而积屑瘤的减小会使切削力增大。,2014-10-13,影响切削力的因素刀具,前角 前角增大时，若后角不变，刀具容易切入工件，有助于切削变形的减小，使变形抗力减小，所以切削力减小。 负倒棱 前刀面上的负倒棱能显著提高刀具的刃口强度，可以提高刀具寿命；但负倒棱使切削变形增加，所以切削力增大。 主偏角 主偏角r对切削力的影响可以从下页图的实验数据知，主偏角r变大时，会使 减小， 增大。 刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径r增大，则切削刃圆弧部分的长度增长，切削变形增大，使切削力增大。,2014-10-13,主偏角r对切削力的影响,2014-10-13,影响切削力的因素刀具磨损及切削液,刀具后面磨损后，后角为零，作用在后面上的法向力Fna和摩擦力Ffa都增大，故切削力Fc、背向力Fp增大。 切削过程中采用切削液可减小刀具与工件间及刀、屑间的摩擦，有利于减小切削力。,2014-10-13,习题,2014-10-13,习题,2014-10-13,习题,2014-10-13,预习内容,切削热现象、切削温度相关问题和刀具磨损。,