第三节 金属切削过程与控制.doc

第三节 金属切削过程与控制

教学目的：1、了解切屑的类型及产生条件；
2、了解切削力的产生；
3、了解切削热的产生；
4、知道刀具寿命和刀具总寿命；
5、理解刀具磨损原因和形式；
6、知道切削液的作用和种类。
教学难点：切削力
教学重点：切屑种类、刀具磨损
教具：刀具模型
教学手段：理论讲授
教学过程：
一、复习旧课
刀具材料应该具备的性能有哪些？
二、新课讲解
工件——刀具——切屑+零件
（一）切屑的形成及种类
1、切屑的形成（画图讲解）
2、切屑的种类
（1）带状切屑：带状切屑是最常见的—种切屑。它的内表面是光滑的，外表面是毛茸状的；一般加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大，得到的往往是这类切屑。它的切削过程比较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。
（2）节状切屑：节状切屑，又称挤裂切屑，和带状切屑不同之处在于外弧表面成锯齿形，内弧表面有时有裂纹。这种切屑大都在切削速度较低、切屑厚度较大的情况下产生。
（3）粒状切屑(单元切削)：当切屑形成时，如果整个剪切面上剪应力超过了材料的破裂强度，则整个单元被切离，成为梯形的粒状切屑。由于各粒形状相似，所以又叫单元切屑。这种切屑大都在切削速度很低、切屑厚度很大的情况下产生。
（4）崩碎切屑：切削脆性金属时，工件材料越是硬脆，切削厚度越大时，越容易产生这类切屑。   
（二）切削力
在切削过程中，切削力直接影响切削热、刀具磨损与耐用度、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，设计机床、刀具、夹具的必要依据。研究切削力的规律，对于分析切削过程和生产实际都有重要意义。
研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。
1、切削力来源于三个方面：
A．克服被加工材料对弹性变形的抗力；
B．克服被加工材料对塑性变形的抗力；
C．克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。
2、切削力有三个垂直的分力:
A、切削力(主切削力)Fe:在主运动方向上的分力。它是校验和选择机床功率，校验和设计机床主运动机构、刀具和夹具强度和刚性的重要依据。
B、背向力（切深抗力）Fp：垂直于工作平面上的分力。它是影响加工精度、表面粗糙度的主要原因。
C、进给力（进给抗力）Ff：进给运动方向上的分力，使工件产生弹性弯曲，引起振动。它是校验进给机构强度的主要依据。
切削力影响程度由大到小的排列次序是：工件材料的影响、刀具几何参数的影响、切削用量的影响、切削液的影响。
（三）切削热
切削热和由它产生的切削温度，是刀具磨损和影响加工精度的重要原因。高的切削温度使刀具磨损加剧，耐用度下降；工件和刀具受热膨胀会导致工件精度达不到要求。
1、 切削热的产生和传出
切削热来源于切削层金属发生弹性变形、塑性变形所产生的热和切屑与前刀面、工件与后刀面间的摩擦热。切削热由切削、工件、刀具及周围的介质传导出去。
如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。
（四）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所经历的总切削时间，称为刀具寿命，用T表示。一把新刀往往要经过多次重磨，才会报废，刀具寿命指的是两次刃磨之间所经历的切削时间。如果用刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是刀具总寿命。
（五）刀具磨损
切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。
刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。
1、 刀具磨损的形式
刀具正常磨损的形式有以下几种：
A.前刀面磨损 : 切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，在前刀面上经常会磨出一个月牙洼。月牙洼的位置发生在刀具前刀面上切削温度最高的地方。
B.后刀面磨损 : 由于加工表面和刀具后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这就是后刀面磨损。在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性材料或加工脆性材料时，主要发生后刀面磨损。
C.边界磨损(前、后刀面同时磨损）: 切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。
2、刀具磨损的原因
切削过程中刀具的磨损与一般机械零件的磨损有显著的不同：刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面；前、后刀面上的接触压力很大，有时超过被切材料的屈服强度；接触面的温度也很高，如硬质合金加工钢料时可达800～1000℃。因此，刀具磨损是机械的、热的和化学的三种作用的综合结果。
(1)磨粒磨损：在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。
(2)粘结磨损：刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。
(3)扩散磨损：切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。
(4)相变磨损：当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。
(5)氧化磨损：氧化磨损是一种化学性质的磨损。
3、刀具的磨损过程及磨钝标准
刀具磨损过程可分为三个阶段：
(1)初期磨损阶段：因为新刃磨的刀具切削刃较锋利，其后刀面与加工表面接触面积很小，压应力较大，加之新刃磨的刀具的后刀面存在着微观不平等缺陷，所以这一阶段的磨损很快。
(2)正常磨损阶段：经初期磨损后，刀具的粗糙表面已经磨平，承压面积增大，压应力减小，从而使磨损速率明显减小，刀具进入正常磨损阶段。这个阶段的磨损比较缓慢均匀。
3.急剧磨损阶段：刀具经过正常磨损阶段后，切削刃变钝，切削力、切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加，以致刀具损坏而失去切削能力。生产中应该避免达到这个磨损阶段。要在这个阶段到来之前，及时更换刀具。
减少刀具磨损主要采用以下措施：1.选择合适的刀具材料；2.选择合适的切削参数；3.刀具涂层；4正确的刀具几何角度（减小后角，增大刀尖R角等）；5.增加夹具刀杆的刚性，减小切削时的震动；6.选择合适的加工余量；7.正确采用冷却液；8.正确的加工工艺。
（六）切削液
1、切削液的作用
（1）冷却作用
切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具耐用度；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。在切削速度高，刀具、工件材料导热性差，热膨胀系数较大的情况下，切削液的冷却作用尤显重要。
（2）润滑作用
由于润滑液的渗透和吸附作用，部分接触面仍存在着润滑液的吸附膜，起到降低摩擦系数的作用。
（3）清洗作用
切削液具有冲刷切削中产生的碎屑（如切铸铁）或磨粉（磨削）的作用。清洗性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。切削液的清洗作用对于磨削精密加工和自动线加工十分重要，而深孔加工时，要利用高压切削液来排屑。
（4）防锈作用
切削液应具有一定的防锈作用，以减少工件、机床、刀具的腐蚀。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的性质。
（5）其它作用
除了以上4种作用外，所使用的切削液应具备良好的稳定性，在贮存和使用中不产生沉淀或分层、析油、析皂和老化等现象。对细菌和霉菌有一定抵抗能力，不易长霉及生物降解而导致发臭、变质。不损坏涂漆零件，对人体无危害，无刺激性气味。在使用过程中无烟、雾或少烟雾。便于回收，低污染，排放的废液处理简便，经处理后能达到国家规定的工业污水排放标准等。
2、切削液的种类及应用
切削液按油品化学组成分为非水溶性(油基)液和水溶性(水基)液两大类。
　水基的切削液可分为乳化液、半合成切削液和合成切削液。（表1-4）
油基切削液和水基切削液的区别：油基切削液的润滑性能较好，冷却效果较差。水基切削液与油基切削液相比润滑性能相对较差，冷却效果较好。
3、切削液的选用
(1)粗加工——选用冷却为主的切削液
（2）精加工——选用具有良好润滑性能的切削液

作用布置：练习册 P2~5
教学回顾：

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