机械制造工程学3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械制造工程学,南通大学机械工程学院,（,3,）,第三章 金属切削过程的基本规律,第一节 切削变形与切屑形成,一、变形区的划分,大至可分三个变形区,:,1.,第一变形区,2.,第二变形区,3.,第三变形区,1.,第一变形区,从,OA,线开始发生塑性变形，到,OM,线金属晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域称为,第一变形区,(),。,剪切滑移,第一变形区特征：,被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹,-,流线,2.,第二变形区,3.,第三变形区,切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，其方向基本上和前刀面相平行。这部分叫第二变形区（,）。,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，造成纤维化与加工硬化。这一部分的格子线变形也是较密集的，称为第三变形区（,）。,二、切屑类型,前三种是切,塑性材料,时,切,脆性材料,时,v,f,a,p,0,1,、带状切屑,2,、节状切屑,3,、粒状切屑,（单元切削）,4,、崩碎切屑,1.,带状切屑,2.,管状切屑,3.,盘旋状切屑,4.,外形螺旋切屑,5.,锥形螺旋切屑,6.,弧形切屑,7.,单元切屑,8.,针形切屑,a,c,a,ch,一、切屑变形程度的表示方法,实验表明,:,实验前,L,c,a,c,实验后,L,ch,a,ch,切屑厚度变形系数,a,切屑长度变形系数,l,1,用变形系数,表示切屑变形程度,有三种表示方法,愈大，变形愈严重,a,c,a,ch,L,C,第二节 切屑变形及基本规律,用剪切角,表示切屑变形程度,剪切角,:,把第一变形区看成是受压缩的一个,剪切面,OM,剪切面,OM,与切削速度之间的夹角。,a,ch,a,c,剪切角,愈大：,剪切面积愈小，切削力愈小，切屑变形愈小。,剪切角,愈小：,剪切面积愈大，切削力愈大，切屑变形愈大。,用相对滑移,表示切屑变形程度,S,Y,S,Y,a,c,a,ch,K,=,又,变形系数,剪应变。,0,=-15,0,0,=15,0,0,=0,当,=1.5,，,在一定程度上,可以反应,。,当,=1,a,c,=a,ch,剪应变并不等于零，但切屑有变形。,当,0,=-,15,30,0,当,1.2,时，不能用,表示变形程度。,2,4,变形系数,剪应变,讨论：,F,ns,F,s,F,n,F,f,0,=,-,0,作用在切屑上的力,F,s,剪切面上的剪切力,F,ns,剪切面上的正压力,F,f,前刀面上的摩擦力,F,n,前刀面上的正压力,F,r,合力,剪切角,前角,0,作用角,：,合力与速度方向的夹角,摩擦角,二、剪切角计算公式,Fr,F,s,F,ns,F,y,F,z,F,f,F,n,0,-,0,直角自由切削时力与角度的关系,F,s,剪切面上的剪切力,F,ns,剪切面上的正压力,F,z,作用在工件上的水平力,F,y,作用在工件上的垂直力,F,f,前刀面上的摩擦力,F,n,前刀面上的正压力,F,r,合力,根据材料力学理论：,F,r,与,F,s,之间的角度应为,45,+,-,0,=,/4,或,=,/4-,+,0,剪切角计算公式,（,1,）当前角,0,增大时，,角随之增大，变形减小。,增大,0,，有利于切削。,剪切角,=,/4-,+,0,（,2,）当摩擦角,增大时，,角随之减小，变形增大。,切削液,能减少磨擦，有利于切削。,三、前刀面上摩擦特点,在内摩擦区内的摩擦系数,：,前刀面上的摩擦,前区,:,属于,紧密型,接触,不服从古典摩擦法则,.(,变数,),后区,:,属于,峰点型,接触,服从古典摩擦法则,.(,定数,),结论,:,在一般切削条件下,来自前区的摩擦力占全部摩擦力的,85,.,因此,切削时前刀面的摩擦,由前区起主要作用属于,紧密型,接触区为主的摩擦力,.,：工件材料剪切屈服强度,：前刀面内摩擦部分的平均正应力,影响前刀面摩擦系数的主要因素：,1.,工件材料：,2.,切削厚度：,3.,切削速度：,4.,刀具前角：,b,，,HB,，其他不变，温度,摩擦系数,h,D,，正压力,F,n,，,摩擦系数,0,=40,0,0,=30,0,0,=20,0,0,=10,0,v,0,四、积屑瘤,1.,积屑瘤现象,：,切削钢、球墨铸铁、铝合金等,塑性,金属时,在切削速度不高,而又能形成带状切削的情况下，常常有一些从切 屑和工件上来的金属,冷焊,(,粘结,),并沉积在前刀面上,形成硬度很高的,楔块,它能够代替刀面和切削刃进行切削,这一硬块称为,积屑瘤,.,在形成积屑瘤的条件下,开始切削后,只经过很短的切削行程积屑瘤便出现,继而长大。,Building Up Edge-,BUE,积屑瘤外形尺寸,加工条件：工件,45,钢、刀具,W18Cr4V,、,0,=5,、,Vc,=20mmin,、,f=0.23mmr,结论,:,积屑瘤对粗加工是有利的。对于精加工则相反,精加工要求较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度,可是积屑瘤降低尺寸精度和增大已加工表面粗糙度。所以,积屑瘤对精加工是不利的。,刀,屑因摩擦而导致的,冷焊,是积屑瘤的成因。虽然刀,屑的冷焊是积屑瘤的成因,但是仍须同时,存在适当的切削,温度,积屑瘤才得以形成。,2.,积屑瘤对切削过程的,影响,：,1,）保护刀具,3.,积屑瘤的,成因,：,2,）增大前角,3,）增大切削厚度,4,）增大已加工表面粗糙度,0e,4.,抑制或消除积屑瘤的,措施,：,1,）高速或低速切削,2,）减小进给量、增大刀具前角,3,）合理调整各切削参数值，防止形成中温区域。,第三节 切削力,切削力,切削热,刀具摩磨损,使用寿命,加工精度,已加工表面质量,.,切削力,切削功率,切削用量,监控切削状态,设计和使用机床，刀具，夹具的依,据,。,二是刀具与切屑、工件表面间的,摩擦阻力,。,一、切削力的来源、合力及分力,刀具工件材料弹性变形,+,塑性变形,切削力的,来源,有两方面,:,一是切削层金属、切屑和工件表层金属的,弹性变形、塑性变形,所产生的,抗力,;,F,z,F,y,F,x,F,x,F,y,F,z,F,y,F,x,F,z,进给抗力,F,x,在基面内,并与进给方向,(,即工件轴线方向,),相平行,。,三个分力的作用：,进给抗力,F,X,（,F,f,）,计算和检验进给机构的主要依据,二、切削力合成、分解和切削功率,三个分力：,F,z,(Fc,),F,y,(Fp,),F,x,(Ff,),主切削力,F,z,它垂直于基面,与切削速度,Vc,方向一致,又称为切向力,;,背向抗力,F,y,它在基面内,并与进给方向,(,即工件轴线方向,),相垂直,;,主切削力,F,Z,（,Fc,）,设计、选择机床、刀具、夹具和切削用量的依据,背向抗力,F,Y,（,Fp,）,影响加工精度，引起切削振动的主要因素,合力：,切削功率：,F,Z,-,主切削力（,N,）,V,-,切削速度（,m/s,),F,X,-,进给力（,N),n,W,-,工件转速,(,r/s,),切削功率简化公式：,f,-,进给量（,mm/r),三、切削力的经验公式,(,实验公式,),实验原理：,电阻应变片式三向车削测力仪,压电晶体三向测力仪,1.,切削力的指数公式,:,-,切削条件系数,-,背吃刀量指数,-,进给量指数,-,切削速度指数,-,各种因素对切削力的修正系数的总和,P46,表,3-1,P46,表,3-1,P46,表,3-1,P46,表,3-1,P49,表,3-2,2.,单位切削力,p,单位切削力,p,是指单位切削面积上的切削力,-,切削面积,(mm,2,),-,背吃刀量,(,切削深度,)(mm),-,进给量,(mm/r),-,切削厚度,(mm),-,切削宽度,(mm),可查表,3-5 P42,3.,单位切削功率,P,S,（,P,C,）,单位切削功率,P,S,是指单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率,Q,Z,-,单位时间内的金属切除量,mm,3,/s,P,m,-,切削功率,kW,用,YT15,硬质合金车刀纵车,b,=0.588GP a,的热轧钢外圆,切削速度,v,c,=100m/min,背吃刀量,(,切削深度,)a,p,=4mm,进给量,f=0.3mm/r,，车刀几何参数,0,=10,、,r,=75,、,s,=-10,、,r,=0.5mm,求切削分力,F,z,、,F,y,、,F,x,。,例：,解：,四、影响切削力的因素,影响切削力的因素很多，主要是工件材料、切削用量、刀具几何参数及刀具磨损等。,a,p,的指数,x,Fc,1,，而,f,的指数,y,Fc,=0.75,0.9,。即当,a,p,加大一倍时，,F,c,约增大一倍；,而,f,加大一倍时，,F,c,只增大,68,86%,。,（一）切削用量对切削力的影响,a.,背吃刀量,(,切削深度,),和,进给量,b.,切削速度,加工塑性材料时,低速下,与,BUE,相同,.,中高速下,V,C,F,C,(,F,z,),加工脆性材料时,因塑性变形小,摩擦小,所以影响小,.,（二）工件材料对切削力的影响,a),被加工工件材料的强度、硬度越高，则,s,越大，虽然变形系数,有所减小，但总起来切削力还是增大的。,c),在同样热处理状态下,切削合金钢的切削力比碳素钢大,。,d),同一种材料热处理状态不同,切削力也不相同,。,e),有色金属的强度低,虽塑性较大,但加工硬化倾向小,所以切削力较小,。,f),铸铁等脆性材料,塑性小,加工硬化小,形成的是崩碎切屑,接触小,摩擦力小,所以切削力较小,。,b),如材料的强度、硬度相同，则塑性（延伸率,）、韧性（冲击值,k,）越大，切削力越大。,（三）,刀具几何参数,对切削力的影响,5,、,刀尖圆弧半径,：,r,对,F,y,F,x,影响较大,对,F,z,影响较小,.,（,p48,图,3-13 3-14,）,1,、,前角,：,Fz,（,p45,图,3-6,）,2,、,负倒棱,：,(,负倒棱,/,进给量,),b/f,F,（,p47,图,3-11 3-12,）,3,、,主偏角,：,Fy/Fz,Fx/Fz,（,p45,图,3-7,）,4,、,刃倾角,：,s,变化合力,F,的方向,s,F,y,F,x,F,z,基本不变,（,p46,图,3-9,）,（四）刀具材料对切削力的影响,刀具材料不是影响切削力的主要因素,.,主要决定因素：材料之间的摩擦系数,陶瓷刀具,硬质合金,高速钢,单位切削力,p,切削速度,v,高速钢,硬质合金,陶瓷,（五）切削液对切削力的影响,水容液,(,冷却为主,),影响很小,切削油,(,润滑为主,),影响较大,.,（六）刀具磨损对切削力的影响,后刀面磨损量,VB(mm,),影响最大,切削力,/KN,后刀面磨损量,VB/mm,F,z,F,y,F,x,第四节 切削热和切削温度,1,.,在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形。,一、切削热的来源与传散,来源,:,刀具,切屑,工件,2.,切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的磨擦功，也将转换为热能。,(1),钻削,加工时,52.5%,传入工件,28%,的切削热由切屑带走,14.5%,传入刀具,5%,左右传入周围介质,.,切削热由切屑,.,刀具,.,工件和周围介质传出的比率大致如下,:,热的传散,:,(2),车削,加工时,50%-86%,由切屑带走,40%-10%,传入车刀,9%-3%,传入工件,1%,左右通过辐射传入空气,.,切削速度越高,切削厚度越大,则由切屑带走的热量越多,.,二、切削温度测定原理与切削温度分布,目前比较常用的测量切削温度的方法是,自然热电偶法,.,自然热电偶法,是利用工件和刀具材料化学成分的不同而组成热电偶的两极，这样在刀具和工件的回路中便产生了温差电动势。,人工热电法：,切削温度的分布,讨论：,1,、,2,、,3 P51,三、影响切削温度的主要因素分析,1,、切削用量对切削温度的影响,1,）,切削速度,切削速度对切削温度有显著的影响,V,C,2,）,进给量,进给量对切削温度有影响,f,C,3,）,背吃刀量,(,切削深度,),切削深度对切削温度影响很小,.,用实验方法求得：,v,f,ap,4,）,刀尖圆弧半径对切削温度的影响,r,在,(0-1.5)mm,内,基本上不影响,C.,2,、刀具几何参数对切削温度的影响,1,）,前角对切削温度的影响,C,2,）,主偏角对切削温度的影响,r,C,3,）,负倒棱对切削温度的影响,负倒棱宽度,b,1,在,(0-2)f,内,基本上不影响,C.,后刀面磨损量,VB,C,3,、刀具磨损对切削温度的影响,C,VB,（,mm),V=71 m/min,V=94 m/min,V=171 m/min,(4),脆性金属,的抗拉强度和延伸率都较小,切削过程中切削区的塑性变形很小,切屑呈崩碎状或脆性带状,与前刀面的摩擦也较小,所以产生的切削热较少,切削温度一般比切削钢料时低,同切削,45,钢相比较,切削灰铸铁,HT20-40,时的切削温度大约低,20%-30%,。,4,、工件材料对切削温度的影响,(1),工件材料,的,硬度,和,强度,越高,切削时所消耗的功就越多产生的切削热也多。,(2),合金结构钢,的强度普遍高于,45,钢,而导热系数有一般均低于,45,钢,.,所以切削合金结构时的切削温度一般均高于切削,45,钢时的切削温度。,(3),不锈钢,1cr18Ni9Ti,和高温合金,GH131,不但导热系数低,而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度,所以切削这种类型的材料时,切削温度比切削其他材料要高得多。,第五节 刀具磨损和刀具寿命,一、刀具磨损,正常磨损：,非正常磨损：,随时间增加磨损扩大。,破损,1,、刀具磨损的形式,3.,前刀面和后刀面同时磨损,切塑性材料时,刀具,正常磨损,的形态：,1.,前刀面磨损,(,月牙洼磨损,),KT,切塑性材料时,2.,后刀面磨损,VB,切脆性材料时,刀具,非正常磨损,的形态：,沟槽磨损,切削刃细小缺口,塑性变形,切削刃崩裂,切削刃剥落,热裂,五,.,热电磨损,2,、刀具磨损的原因,一,.,磨料磨损,二,.,粘结磨损,三,.,扩散磨损,四,.,氧化磨损,磨料（粒）磨损,当工件材料中含有杂质和硬质点时（碳化物、氮化物、氧化物、,BUE,碎片），它们会在刀具表面上划出一条条沟纹造成硬质点磨损。,粘结磨损,切屑流经前刀面时，在刀,-,屑实际接触区内，在高温、高压作用下产生塑性变形而发生“,冷焊,”。,扩散磨损,氧化磨损,在一定温度下，刀具材料与周围介质起化学反应在刀具表面上生成一层硬度较低的化合物，被切屑带走，加速刀具的磨损。,热电磨损,3,、刀具磨损过程及磨纯标准,a,、刀具磨损过程,:,初期磨损阶段,:,正常磨损阶段,:,剧烈磨损阶段,一般情况下,指后刀面磨损带中间部分平均磨损量,用,VB,表示,.,0,NB,VB,b,、刀具的磨纯标准,二、,刀具寿命,刀具寿命：,刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准,为止的切削时间。（单位：,min),用,T,表示,1,、定义,2,、,影响刀具寿命的因素,刀具总使用寿命：,新刀从开始使用到报废之前的总切削时间,.,1,）,切削速度对刀具耐用度的影响,m:v,对,T,的影响程度指数,m=,tg,由实验测得：,高速钢车刀：,m=0.10.15,硬质合金车刀：,m=0.20.3,陶瓷车刀：,m=0.4,各种刀具材料的耐用度曲线对比,2,）进给量,f,与背吃刀量,a,p,对刀具耐用度的影响,同样道理：,再加上前式：,合并成：,令：,实验：用,YT15,加工,45,钢,结论：,切削用量三要素中,影响最大：,v,其次：,f,影响最小：,a,p,3,）刀具几何参数,对刀具寿命的影响,4,）材料,对刀具寿命的影响,前角,0,主偏角,Kr,副偏角,Kr,刀尖圆弧半径,r,太大太小都不合适,在一定条件下有一个最佳值。,减小,减小 都有利于提高刀具寿命,增大,工件材料的强度、硬度、韧性越高，切削时均能使切削温度升高，刀具寿命降低。,刀具材料的导热性、耐磨性越高，刀具寿命越长。,V,T,高速刚,硬质合金,陶瓷,作业：,1.P66,第,1,题,2.P66,第,2,题,3.P66,第,4,题,b,=0.588,GPa,m,=0.85,只求,:,Fz,改错题：,根据以下数据，改正试验曲线图中有错误的地方。,性能,材料,硬度,HB,强度,导热系数,K,45,钢,220,61,0.162,钛合金,330,105,0.017,青 铜,60,18,0.230,课堂练习,C,V m/min,青 铜,钛合金,45,钢,钛合金,青 铜,45,钢,