第3章 金属切削过程.docx
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第3章 金属切削过程.docx
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第3章金属切削过程
第3章金属切削过程
□□教学基本要求与目标
1.了解切屑形状的分类,,切削加工性的含义及刀具合理几何参数的含义;
2.理解和掌握难加工材料的切削加工特点及改善难加工材料的切削加工性的途径;
3.掌握切削液的种类、作用及选用,掌握影响表面粗糙度的因素,掌握刀具合理几何参数的选择原则,掌握切削用量的选择原则。
□□教学重点
难点是分析影响切削加工性的因素和改善切削加工性的途径,分析影响表面粗糙度的主要因素基本规律的掌握;重点是初步具有能根据加工条件,合理地选择刀具几何参数及切削用量的能力基本规律的应用。
□□课时分配
本章课时:
讲课…6学时
3.1金属切削过程(1学时)
3.2切削过程的基本规律(2学时)
3.3切削过程的基本规律的应用(2学时)
☆单元测验(第3章内容)(1学时)
□□授课方式
以教师讲授为主,多媒体教学为辅
□□习题与思考题
P72习题与思考题3.1,3.2,3.3,3.4,……3.11
〖主要教学过程〗
第3章金属切削过程
3.1金属切削过程
一、切削层和切削层参数
切削层:
主运动一个周期,相邻两加工表面(切削刃)之间的材料截面。
切削层公称厚度hD(老标准ac):
hD=f·sinKr
切削层公称宽度bD(老标准aw):
bD=ap/sinKr
切削层公称截面积Ac:
Ac=ap·f=bD·hD
主偏角为90度时情况:
hD=f
Ac=ap
二、切削过程
切屑的形成:
推挤作用
切割作用
切屑的种类:
(不考虑刀具断屑等因素的影响)
节状(挤裂)切屑:
上表面锯齿状,下表面光滑的连续切屑,较低vc,较大ap,f加工中等硬度塑性金属时产生。
带状切屑:
上表面毛茸状,下表面光滑的连续切屑,大γ0,高vc,小ap,f加工塑性金属时产生。
粒状(单元)切屑:
菱形单元分离体,较低vc,较大ap,f加工硬度较高塑性较差金属时产生。
崩碎切屑:
不规则屑片,较低vc,较大ap,f加工脆性金属时产生。
切屑变形:
1、I变形区(剪切区、塑性变形区):
从开始发生塑性变形到晶粒剪切滑移基本完成。
切屑收缩现象:
变形系数越大,切削变形越大,切削力越大,消耗功率越大,切削温度越高,加工表面质量越差。
2、II变形区(摩擦区)
滞流现象:
切削塑性金属时,由于切屑底层与刀具的挤压和摩擦,切屑底层金属流速减缓的现象。
积屑瘤:
在一定温度、压力条件下,滞流层与前刀面之间的摩擦力大于切屑底层内部晶粒的间的亲和力,滞流层部分金属粘结在前刀面切屑刃附近,形成的一块硬的金属层(由于塑性变形,硬比度比工件材料高2~3倍)
积屑瘤的形成及其影响:
积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布有关。
塑性材料的加工硬化倾向越强,越易产生积屑瘤。
积屑瘤对切削过程的影响:
(1)使刀具前角变大;
(2)使切削厚度变化;
(3)使加工表面粗糙度增加;
(4)对刀具寿命的影响。
积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面,也有消极的一面。
精加工时必须防止积屑瘤的产生,可采取的控制措施有:
(1)正确选用切削速度,使切削速度避开产生积屑瘤的区域。
(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。
(3)增大刀具前角,减小刀具前刀面与切屑之间的压力。
(4)适当提高工件材料硬度,减小加工硬化倾向。
3、III变形区(挤压区)
变形强化(加工硬化)
成因:
1)挤压塑性变形
2)表面相变
对加工过程的影响:
(1)后续加工
(2)影响加工表面质量
(3)产生残余应力
消除变形强化的措施:
(1)通过热处理降低材料塑性;
(2)采用切削液;
(3)加工后通过热处理消除变形强化。
三、影响切削变形的因素
1、工件材料的影响
工件材料强度越高,切屑和前刀面的接触长度越短,导致切屑和前刀面的接触面积减小,前刀面上的平均正应力增大,前刀面与切屑间的摩擦系数减小,摩擦角β减小,剪切角φ增大,变形系数将随之减小。
2、刀具几何参数的影响
(1)前角的影响
增大刀具前角γo,剪切角φ将随之增大,变形系数将随之减小;但γo增大后,前刀面倾斜程度加大,使摩擦角β和摩擦系数μ增大而导致φ减小。
由于后一方面影响较小,还是随γo的增加而减小。
(2)刀尖圆弧半径的影响
3、切削用量的影响
(1)切削速度的影响
在无积屑瘤产生的切削速度范围内,切削速度越大,变形系数越小。
主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢,切削速度越高,切削变形越不充分,导致变形系数下降。
此外,提高切削速度还会使切削温度增高,切屑底层材料的剪切屈服强度τs因温度的增高而略有下降,导致前刀面摩擦系数μ减小,使变形系数下降。
(2)进给量的影响
进给量大,变形系数下降
3.2切削过程的基本规律。
一、切削力
切削力的来源与分解:
(1)切削力的来源:
变形抗力和摩擦阻力
切削力是所有切削力的合力,为空间交变力。
(2)切削力的几何分力(车削外圆为例)
主切削力Fc(垂直于基面主运动方向上的分力)
进给力Ff(基面内进给方向上的分力)
背向力Fp(基面内沿吃刀方向上的分力)
总切削力的分解和切削功率:
(1)总切削力的分解
(2)切削功率
单位:
kw
Fc——切削力,单位:
N;
vc——切削速度,单位:
m/min。
影响切削力的因素:
(1)工件材料:
材料成分、组织和力削性能是影响切削力的主要因素。
强度、硬度、塑性、韧性越大切削力越大;
(2)切削用量:
影响最大的是ap,其次是f,切削速度c最小,Fc与c是1:
1,f影响70~80%,c影响积屑瘤的存在,有积屑瘤时F明显减小。
(3)刀具几何角度:
0增大,刃口锋利、切削变形小,摩擦小,切削力减小;o增大、摩擦减小,切削力减小;Kr增大Fp减小;正s,Fp减小Ff增大。
(4)其它因素:
切削液使用润滑条件好,切削力减小,刀具磨损后切削力剧增。
二、切削热与切削温度
切削热的来源与传散:
(1)切削热来源于:
切削层材料弹、塑性变形—变形热刀具前、后刀面的摩擦—摩擦热,三个切削变形区是三个主要热源区。
(2)切削热的传散:
通过刀具、切屑、工件和周围介质(如:
空气、切削液等)散热。
切削温度及其影响因素:
(1)切削温度取决于切削热的产生与传热的综合因素,切削温度太高,工件产生热变形,加工精度下降,刀具寿命降低。
(2)影响切削温度的因素:
切削用量、工件材料、刀具几何角度、其它条件。
(3)切削量中影响最大的是切削速度c,其次是f,ap影响最小。
三、刀具磨损和耐用度
1、刀具磨损的形式
切削过程中,刀具在高温和高压条件下,受到工件、切屑的剧烈摩擦,刀具在前、后面接触区域内产生磨损。
这种现象称为刀具磨损。
随切削时间增加磨损逐渐扩大。
主要磨损形式有:
前面磨损、后面磨损、前后刀面同时磨损。
(1)前刀面磨损
(2)后刀面磨损
(3)前、后刀面同时磨损
在高速和较大的切削厚度切削塑性金属时,易产生月牙洼磨损。
在低速和较大切削厚度切削塑性金属及切削脆性金属时,后刀面上的磨损有明显痕迹。
在中等切削用量切削塑性金属的情况下,易产生前面和后面的同时磨损。
2、刀具磨损的原因
(1)磨粒磨损
(2)粘结磨损
(3)扩散磨损
(4)相变磨损
(5)氧化磨损
磨粒磨损(机械磨损、硬质点磨损)、相变磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损。
不同的刀具材料在不同的使用条件造成磨损的主要原因不同。
3、刀具破损原因
刀具破损主要由于机械冲击力作用或受热后内应力作用造成的。
4、磨损过程和磨钝标准
1)磨损过程
刀具磨损过程的三个阶段:
初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。
(1)初期磨损阶段(AB段)
(2)正常磨损阶段(BC段)
(3)急剧磨损阶段(CD段)
2)磨钝标准
刀具的磨钝标准:
刀具的磨损达到一定限度就不能继续作用,而应进行重磨,这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。
5、刀具耐用度
刀具耐用度系指刀具刃磨后开始切削,至磨损量达到磨钝标准的总切削时间。
刀具的耐用度高,说明切削性能好。
6、影响刀具耐用度的因素
1.切削用量的影响切削用量增加时,刀具磨损加剧,刀具耐用度降低。
切削速度对耐用度的影响最大,进给量次之,背吃刀量影响最小。
这与三者对切削温度的影响规律是相同的,实质上切削用量对刀具磨损和刀具耐用度的影响是通过切削温度起作用的。
2.工件材料的影响工件材料的强度、硬度、塑性等指标数值越高,导热性越低,则加工时切削温度越高,刀具耐用度就会越低。
3.刀具材料的影响刀具材料是影响刀具寿命的重要因素,合理选择刀具材料,采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料是提高刀具寿命的有效途径。
4.刀具几何参数对刀具耐用度影响较大的是前角和主偏角。
增大前角,切削温度降低刀具耐用度提高,但前角太小,刀具强度则弱散热不好,导致刀具耐用度降低。
必须选择与最高刀具耐用度对应的前角角度。
减小主偏角、副偏角和增大刀尖圆弧半径,可改善散热条件,提高刀具强度和降低切削温度,从而提高刀具的耐用度。
3.3切削过程基本规律的应用
一、切屑的控制
1、切屑的种类
节状(挤裂)切屑:
上表面锯齿状,下表面光滑的连续切屑,较低vc,较大ap,f加工中等硬度塑性金属时产生。
带状切屑:
上表面毛茸状,下表面光滑的连续切屑,大γ0,高vc,小ap,f加工塑性金属时产生。
粒状(单元)切屑:
菱形单元分离体,较低vc,较大ap,f加工硬度较高塑性较差金属时产生。
崩碎切屑:
不规则屑片,较低vc,较大ap,f加工脆性金属时产生。
2、切屑的流向、卷曲和折断
(1)切屑的流向
(2)切屑的卷曲
3、影响断屑的因素
刀具断屑可靠与否,对正常生产与操作者安全都有着重大影响。
在切削加工中,崩碎切屑会飞溅伤人,并易研损机床;而长条带状切屑会缠绕在工件或刀具上,易刮伤工件,引发刀具破损,甚至影响工人安全。
对于数控机床(加工中心)等自动化加工机床,由于其刀具数量较多,刀架与刀具联系密切,断屑问题就显得更为重要,只要其中—把刀断屑不可靠,就可能破坏机床的自动循环,甚至破坏整条自动线正常运转,所以在设计、选用或刃磨刀具时,必须考虑刀具断屑的可靠性。
而对于数控机床(加工中心)等,并应满足下列要求:
切屑不得缠绕在刀具、工件及其相邻的工具、装备上;
切屑不得飞溅,以保证操作者与观察者的安全;
精加工时,切屑不可划伤工件的已加工表面,影响已加工表面的质量;
保证刀具预定的耐用度,不能过早磨损并竭力防止其破损;
切屑流出时,不妨碍切削液的喷注;
切屑不会划伤机床导轨或其他部件等。
在满足上述要求的基础上,不同刀具对切屑长度还有不同要求。
例如一般粗车钢料的最大切屑长度为100mm左右;精车则应稍长。
要避免过于细碎的切屑,因为它容易嵌入机床导轨和刀具装置的一些重要部位(如基准面),这样不仅需要附加防护装置,还给清除切屑带来一定的困难。
对于某些不易断屑的刀具,如成形车刀、切槽车刀和切断车刀等,在数控机床(加工中心)等自动化机床上,应保证其稳定的卷屑。
(1)卷屑槽的尺寸参数
断屑槽不仅对切屑起着附加变形的作用,而且对切屑的形状和切屑的折断有着重要的影响。
在切削加工中,人们就是利用断屑槽的不同形状、尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角,来实现控制切屑的卷曲与折断。
为了更好地认识和掌握这些规律,我们就具体分析一下断屑槽的形状、尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角度对切屑形状与切屑折断的影响。
①直线圆弧型断屑槽(见图5a)由一段直线和一段圆弧连接而成。
直线部分构成刀具的前刀面,槽底圆弧半径Rn的大小对切屑的卷曲和变形有一定的影响。
Rn小,则切屑卷曲半径小,而切屑变形大;Rn大,则切屑卷曲半径大,而切屑变形小.(见图6)。
在中等切深下(切深ap=2~6mm),一般可选
Rn=(0.4~0.7)B,B为断屑槽的宽度。
②直线型断屑槽(见图5b)由两段直线相交而成,其槽底角为180°-σ(σ称为断屑台楔角),槽底角(180°-σ)代替了圆弧Rn的作用。
槽底角小,则切屑的卷曲半径小,切屑变形大;槽底角大,则切屑的卷曲半径大(见图7)切屑变形小。
在中等切深下,断屑台楔角一般选用60°~70°。
上述两种形状断屑槽适用于加工碳素钢与合金结构钢,一般前角在γ。
在5-15°范围内。
③全圆弧型断屑槽(见图5c)的主要参数槽宽B、槽底圆弧半径Rn和前角γ。
之间的关系为:
sinγ。
=B/2Rn(见图5C)
(2)刀具角度
(3)切削用量
二、材料的切削加工性(P68)
1.衡量切削加工性的指标
工件材料的可切削加工性(machinability)是指对某种材料进行切削加工的难易程度。
1)以一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性;
2)以切削力或切削温度衡量加工性;
3)以加工表面质量衡量加工性;
4)以切屑控制或断屑的难易
2.常用材料切削加工性及其改善措施
1)普通金属材料切削加工性及其改善措施
(1)普通金属材料切削加工性
①碳素钢
低碳钢(<0.25%):
性软而韧。
粗加工时不易断屑而影响操作过程,精加工时因切屑脱离母体时使已加工表面发生严重撕扯而产生大量细裂纹(鳞刺),又因易形成积屑瘤而严重影响精加工质量,故切削加工性较差;可通过正火处理使晶粒细化、硬度增加、韧度下降,便于切削加工。
中碳钢(0.3%~0.6%):
有较好的综合性能,其切削加工性较好;
高碳钢(0.6%~0.8%):
切削加工性次于中碳钢;
(>0.8%):
性硬而脆,切削时刀具易磨损,故其切削加工性不好。
可通过球化退火来改善其切削加工性。
②合金结构钢
合金结构钢的切削加工性一般低于含碳量相近的碳素结构钢。
③普通铸铁:
与具有相同基体组织的碳素钢相比,切削加工性好
其金相组织是金属基体加游离态石墨。
石墨:
降低了铸铁的塑性,切屑易断,有润滑作用,使切削力小,刀具磨损小。
但石墨易脱落,使已加工表面粗糙。
切削铸铁时形成崩碎切屑,造成切屑与前刀面的接触长度非常短,使切削力、切削热集中在刃区,最高温度在靠近切削刃的后刀面上。
④铝、镁等非铁合金
硬度较低,且导热性好,故具有良好的切削加工性。
加工铝合金时,不宜采用陶瓷刀具。
一般不使用切削液。
铝合金:
乳化液和煤油
镁合金:
严禁使用水剂和油剂,宜于自然空冷和采用压缩空气冷却。
(2)改善工件材料切削加工性的途径
可通过热处理方法,改变材料的金相组织和物理力学性能,
也可通过调整材料的化学成分等途径。
生产实际中,热处理是常用的处理方法。
2)难加工材料切削加工性及其改善措施
(1)难加工材料切削加工性
难加工材料包括难切金属材料和难切非金属材料两大类。
难切金属材料:
高锰钢、高强度钢、不锈钢、高温合金、钛合金、高熔点金属及其合金、喷涂(焊)材料等。
难切非金属材料:
陶瓷
(2)切削难加工材料的主要措施:
①改善切削加工条件
要求机床有足够大的功率,并处于良好的技术状态;加工工艺系统应具有足够的强度和刚性,装夹要可靠;在切削过程中,要求均匀的机械进给,切忌手动进给,不容许刀具中途停顿。
②选用合适的刀具材料
③优化刀具几何参数和切削用量
④对材料进行适当热处理
⑤选用合适的切削液切削液供给要充足,且不要中断。
⑥重视切屑控制根据加工要求控制切屑的断屑、卷屑、排屑并有足够的容屑空间,以提高刀具寿命和加工质量。
三、切削液
在切削过程中,合理使用切削液能有效减少切削刃,降低切削温度,从而能延长刀具寿命,改善已加工表面质量和精度。
1.切削液的作用
冷却作用、润滑作用、清洗作用、防锈作用等。
2.切削液的种类与选用
(1)水溶液一般常用于粗加工和普通磨削加工中。
(2)乳化液一般材料的粗加工常用乳化液,难加工材料的切削,常使用极压乳化液。
(3)切削油一般材料的精加工常使用切削油,如普通精车、螺纹精加工等。
3.切削液的使用方法(P71)
四、切削用量的合理选择
在确定了刀具几何参数后,还需选定切削用量参数才能进行切削加工。
目前许多工厂是通过切削用量手册,实践总结或工艺实验来选择切削用量。
制定切削用量时应考虑加工余量,刀具耐用度、机床功率、表面粗糙度、刀具刀片的刚度和强度等因素。
1.切削用量的选择原则
(1)粗车切削用量的选择
对于粗加工,在保证刀具一定耐用度前提下,要尽可能提高在单位时间内的金属切除量,提高切削用量都能提高金属切削量,但是考虑到切削用量对刀具耐用度的影响程度,所以,在选择粗加工切削用量时,应优先选用大的背吃刀,其次选较大的进给量,最后根据刀具耐用度选定一个合理的切削速度,这样选择可减少切削时间,提高生产率。
背吃刀量应根据加工余量和加工系统的刚性确定。
(2)精加工切削用量的选择
选择精加工或半精工切削用量的原则是在保证加工质量的前提下,兼顾必要的生产率。
进给量根据工件表面粗糙度的要求来确定。
精加工时的切削速度应避开积屑瘤区,一般硬质合金车刀采用高速切削。
2.切削用量的选择方法
(1)背吃刀量选择
(2)进给量选择
(3)切削速度选择
3.切削用量选择实例*
车削用量(
、
、
)选择是否合理,对于能否充分发挥机床潜力与刀具切削性能,实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重要的作用。
车削用量的选择原则是粗车时,首先考虑选择尽可能大的背吃刀量
,其次选择较大的进给量
,最后确定一个合适的切削速度
。
增大背吃刀量
可使走刀次数减少,增大进给量
有利于断屑。
精车时,加工精度和表面粗糙度要求较高,加工余量不大且较均匀,因此选择精车的切削用量时,应着重考虑如何保证加工质量,并在此基础上尽量提高生产率。
因此,精车时应选用较小(但不能太小)的背吃刀量
和进给量
,并选用性能高的刀具材料和合理的几何参数,以尽可能提高切削速度
。
表1是推荐的切削用量数据,供参考。
表1数控车削用量推荐表
工件材料
加工内容
切削用量
/mm
切削速度
/(m·min
)
送给量
(m·r
)
刀具材料
碳素钢
>600MPa
粗加工
5~7
60~80
0.2~0.4
YT类
粗加工
2~3
80~120
0.2~0.4
精加工
2~6
120~150
0.1~0.2
钻中心孔
500~800r·min
W18Cr4V
钻孔
~30
0.1~0.2
切断(宽度<5mm)
70~110
0.1~0.2
YT类
铸铁
200HBS以下
粗加工
50~70
0.2~0.4
YG类
精加工
70~100
0.1~0.2
切断(宽度<5mm)
50~70
0.1~0.2
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