第3章切削过程及控制.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,*,中原工学院信息商务学院,机械制造技术,第三章 切削原理,54-14-15,机械制造技术,第二章 机械加工方法与机械加工系统,54-10,3.1,切削刀具,3.1.1,刀具结构,车刀,a,）焊接式车刀,b,）整体式车刀,c,）机夹式车刀,车刀的结构,外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。,车刀的切削部分由,3,个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），,2,个刀刃（主切削刃和副切削刃）和,1,个刀尖组成。,3.1.2,刀具几何角度,刀具标注角度坐标系,（主剖面坐标系）,1,）基面,P,r,：,通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。,2,）切削平面,P,s,：,通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面,P,r,的平面。,3,）主剖面,P,o,：,通过切削刃选定点垂直于基面,P,r,和切削平面,P,s,的平面。,1,）前角,o,在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时,o,定为正值；位于刀头实体之内时,o,定为负值。,o,影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。,刀具标注角度,用硬质合金车刀切削钢件，,o,取,10,20,；切削灰铸铁，,o,取,5,15,；切削铝及铝台金，,o,取,25,35,；切削高强度钢，,o,取,-5,-10,。,2015.4.8(,周三）下午,7.8,节,1232/124,到此！,A,r,A,向,f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,2,）后角,o,后角,o,在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。,后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。,粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为,4,6,；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为,8,12,。,A,r,A,向f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,3,）主偏角,r,在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。,r,的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。,r,的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。,主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有,45,、,60,、,75,、,90,几种。,A,r,A,向,f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,4,）副偏角,r,r,在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。,副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。,在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。,2015.3.30,（周一）晚上,9,、,10,节,121,、,122,到此！,a,）,b,）,c,）,刃倾角对排屑方向的影响,5,）刃倾角,s,切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s,定为正值；反之为负。,s,影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，,s,常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，,s,常取正值或零。,刀具工作角度,刀具安装对工作角度的影响,车刀安装高度对工作角度的影响,re,=,r,0,e,=,0,a,）,0,e,0,b,）,0,e,0,c,）,re,r,re,r,刀具工作角度,式中,角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。,进给运动对工作角度的影响,0e,=,0,-,0,e,=,0,+,0,P,s,P,es,切断刀的工作角度,f,x,0,（,2-8,）,刀具工作前角,刀具工作后角,第,三章,机械加工方法与机械加工系统,54-11,3,.,1,.3,刀具材料,对刀具切削部分材料的要求,1,）高的硬度和耐磨性,1),高的硬度和耐磨性,刀具材料的硬度必须比工件材料的硬度高，一般都在,60HRC,上。,耐磨性是指材料抗磨损的能力。一般说来，刀具材料的硬度越高、晶粒越细、分布越均匀，耐磨性就越好。,2,）足够的强度和韧性,有足够的强度和韧性切削过程中，刀具承受很大的压力、冲击和振动，刀具必须具备足够的抗弯强度,和 冲击韧性。,3,）较好的热硬性,耐热性高耐热性是指刀具材在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能，也包括刀具材料在高温下抗氧化、粘结、扩散的性能，故耐热性有时也称为热稳定性。,4,）良好的工艺性,良好的工艺性能作为刀具材料除具备上述性能外，还应具备一定的可加工性能，如切削加工性、可磨削性、热处理性能、焊接工艺性、锻造性能及高温塑性变形性能等。,5,）经济性,刀具材料种类很多，常用的有,工具钢,（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、,硬质合金,、,陶瓷,、,金刚石,（天然和人造）和,立方氮化硼,等。,碳素工具钢和合金工具钢,，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,碳素工具钢,含碳量,0.65%1.35%,的优质高碳钢；,价格便宜，被加工性能好；,淬透性差，热处理时的变形较大；,主要用于低速刀具。,丝锥、扳牙、手用铰刀等,常用刀具材料,刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,合金工具钢,碳素工具钢中加入一些合金元素；,较高的热硬性和韧性，热处理变形小；,主要用于各种手用刀具和低速切削刀具。,高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。,特点：,1,）强度高，抗弯强度为硬质合金的,2,3,倍；,2,）韧性高，比硬质合金高几十倍；,3,）硬度,HRc63,以上，且有较好的耐热性,；,4,）可加工性好，热处理变形较小。,应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。,常用高速钢牌号及其应用范围,类别,牌 号,主 要 用 途,普通,高速钢,W18Cr4V,广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等,W6Mo5Cr4V2,用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等,W14Cr4VmnRe,用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等,高性能高速钢,高碳,95W18 Cr4V,用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具,高矾,W12Cr4V4 Mo,用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具,超硬,W6Mo5Cr4V2Al,用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具,W10Mo4Cr4V3Al,耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具,W6Mo5Cr4V5SiNbAl,用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头,W12Cr4V3 Mo3Co5Si,耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具,W2Mo9Cr4VCo8,（,M42,）,用作难加工材料的刀具因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵,硬质合金,硬质合金是用,高硬度、高熔点的金属碳化物（如,WC,、,TiC,等）粉末和金属粘结剂（如,Co,、,Ni,、,Mo,等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。,硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,各种硬质合金的应用范围,牌 号,应 用 范 围,YG3X,铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷,YG3,铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷,YG6X,普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工,YG6,铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工,YG8,铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削,YG6A,冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工,YT30,碳素钢、合金钢的精加工,YT15,碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工,YT14,同,YT15,YT5,碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削,YW1,高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工,YW2,高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工,抗弯强度、韧性、进给量,硬度、耐磨性、切削速度,抗弯强度、韧性、进给量,硬度、耐磨性、切削速度,抗弯强度、韧性、进给量,硬度、耐磨性、切削速度,陶瓷刀具材料,陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（,HRA91,95,）和耐热性，在,1200,的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。,超硬刀具材料,天然金刚石,是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达,0.01m,，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。,聚晶金刚石,由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（,HK6500,8000,），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。,金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。,聚晶立方氮化硼（,CBN,）,由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为,HV 3000,4500,，耐热性达,1200,，化学惰性很好，在,1000,的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。,材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能叫做弹性,;,材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能称为塑性,;,强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的性能,;,材料抵抗比其本身更硬的物体压入其内部的性能称为硬度,;,材料抵抗冲击载荷作用，在断裂前单位面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度,;,材料在无数次重复交变载荷作用下不致引起断裂的最大应力称为疲劳强度。,2015.4.13(,周一,),下午,5.6,节,121,、,/122,到此！,3.2,切削形成过程,3.2.1,金属切削过程的变形,讨论金属切削理论，对金属切削过程中的物理现象进行分析，给出切削用量选择与优化的原则和方法。,没有副刃参加切削，且,s,=0,。,直角、斜角自由切削与不自由切削,a,）,直角切,削,b,）,斜角切削,c,）,不自由切削,金属切削过程：切屑和已加工表面的形成过程，即切屑时，被切削的金属层在刀具的挤压和摩擦作用下产生变形，最后使之成为切屑与工件分离而获得已加工表面的过程。,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,正挤压：,金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成,45,偏挤压：,金属材料一部分受挤压时，,OB,线以下金属由于母体阻碍，不能沿,AB,线滑移，而只能沿,OM,线滑移,切削：,与偏挤压情况类似。弹性变形,剪切应力增大，达到屈服点,产生塑性变形，沿,OM,线滑移,剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度,切屑与母体脱离。,挤压与切削,断裂强度,屈服强度,2015.4.13(,周一）,1.2,节,123/124,到此！,第,变形区：,即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,第,变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。,三个变形区分析,第,变形区：,靠近前刀面处，,切屑排出时受前刀面挤压与,摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。,3.2.2,切削类型与变形系数,形成条件,影响,名称,简图,形态,变形,带状，底面光滑，背面呈毛茸状,节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状,粒状,不规则块状颗粒,剪切滑移尚未达到断裂程度,局部剪切应力达到断裂强度,剪切应力完全达到断裂强度,未经塑性变形即被挤裂,加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大,加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小,工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低,加工硬脆材料，刀具前角较小,切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑,切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳,切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳,切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,崩碎切屑,切屑类型及形成条件,切屑类型,切屑形态照片,挤裂切屑,加大前角，提高切削速度，减小切削厚度。,减小刀具前角，降低切削速度或加大切削厚度。,单元切屑,带状切屑,切削形态是可以随切削条件而转化的，掌握了它的变化规律，即可控制切削的形态和尺寸，以利于断屑和排屑。,切削层沿剪切面变形完全达到断裂程度形成,-,单元切屑,切削层沿剪切面变形尚未达到断裂程度形成,-,带状切屑,切削层沿剪切面变形，局部达到断裂程度形成,-,挤裂切屑,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。,切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果。断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）,切屑的卷曲,断屑的产生,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。,厚度变形系数,（,3-1,）,长度变形系数,（,3-2,）,变形系数,当,0,=0,30,，,h,1.5,时，,h,与,相近,主要反映第,变形区的变形，,h,还包含了第,变形区的影响。,y,s,O,M,0,相对滑移系数,（,3-3,）,相对滑移系数,切削过程中金属的变形主要是剪切变形。,相对滑移是根据纯剪切变形推出的，所以它主要反映第一变形区的变形情况，而变形系数则反映切屑变形的综合结果，特别是包含有第二变形区变形的影响。,相对滑移,机械制造技术,第三章 切削原理,54-16,3.2.3,切屑与前刀面的摩擦变形,切屑沿前刀面流出过程中收到挤压和剧烈摩擦，使切屑底层产生严重塑性变形。,在高温（几百度）高压（,1.962.94Gpa,）作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。,外摩擦,内摩擦,粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为,l,fi,的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。,两个摩擦区,3.2.4,已加工表面的变形,切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第,变形区。,A,点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；,A,点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。,A,点前方正应力最大，剪应力为,0,。,A,点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。,变形原因,变形情况,应力分布,2015.4.13,（周一）晚上,121/122,到此！,3.2.5,硬脆非金属材料切屑形成机理,硬脆材料与金属材料的切除过程有所不同，其切除过程以断裂破坏为主。,G,G,C,式中,G,裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能释放率）；,G,C,裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩展阻力）。,K,1,K,1,C,（,3-5,）,式中,K,1,应力强度因子；,K,1,C,K,1,临界值。,对于,型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：,大规模挤裂与小规模挤裂交替进行,a,）,b,）,c,）,d,）,e,）,硬脆材料切削过程,a,）,大规模挤裂（大块破碎切除）,b,）,空切,c,）,小规模挤裂（小块破碎切除）,d,）,小规模挤裂（次小块破碎切除）,e,）,重复大规模挤裂（大块破碎切除）,在切削硬脆非金属材料时，为获得光洁的表面，可以通过改善工件材料特性，提高刀具切削性能，选择包括刀具几何形状在内的最佳加工条件等办法来实现。,金刚石,锯片,人造金刚石磨料,机械制造技术,第三章 切削原理,54-17,3.2.6,磨削过程切削形成机理,磨削特点,磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为,60,85,）,磨粒及切削刃随机分布,磨削厚度小（几,m,），,磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达,1000,以上）,磨削特点,磨削是利用砂轮表面上由结合剂弹性支撑着的极多微小磨粒切削刃进行的切削加工。,磨屑形成过程,弹性变形：,磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件,塑性变形：,磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生。,切削：,磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出,具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有。,磨屑形成过程,a,）,平面示意图,b,）,截面示意图,3.3,切削力3.3.1,切削力的来源、合力及其分力,切削力来源,切削过程中，被切材料层变为切屑，需克服工件材料所产生的阻力，这些阻力成为切削力。切削力会使工艺系统产生变形，因而也是影响加工质量的重要因素。,切削力来源,3,个变形区产生的弹、塑性,变形抗力,切屑、工件与刀具间,摩擦力,3.3.2,切削力经验公式与切削功率,切削力经验公式,式中,C,Fc,C,Fp,C,Ff,与工件、刀具材料有关系数；,x,Fc,x,Fp,x,Ff,切削深度,a,p,对切削力影响指数；,y,Fc,y,Fp,y,Ff,进给量,f,对切削力影响指数；,K,Fc,K,Fp,K,Ff,考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。,（,3-7,）,单位切削力,切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数,K,Fc,=1,）,式中,F,c,主切削力,（,N,）；,v,主运动速度,（,m/s,）。,（,3-8,）,切削功率,机床电机功率,单位切削功率,式中,机床传动效率，通常,=0.75,0.85,（,3-10,）,（,3-9,）,指单位时间切除单位体积,V,0,材料所消耗的功率,机械制造技术,第三章 切削原理,54-18,3.3.3,影响切削力的因素,影响切削力的因素,工件材料,切削用量,刀具几何形状,几何角度,刀具材料、刀具磨损、冷却润滑液,切削深度与切削力近似成正比；,进给量增加，切削力增加，但不成正比；,切削速度对切削力影响复杂（图,3-16,）,强度高,加工硬化倾向大,切削力大,切削用量,工件材料的影响,45,钢,前角,0,增大，切削力减小（图,3-17,）,主偏角,r,对主切削力,影响不大,，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（,r,F,p,，,F,f,，图,3-18,）,刀具几何角度影响,刀具几何角度影响,与主偏角相似，刃倾角,s,对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（,s,F,p,，,F,f,）,刀尖圆弧半径,r,对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（,r,F,p,，,F,f,）；,其他因素影响,刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；,切削液：有润滑作用，使切削力降低,；,后,刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力,F,p,的影响最为显著；,机械制造技术,第三章 切削原理,54-19,3.4,切削热与切削温度,3.4.1,切削热的来源与传出,切削温度影响,刀具磨损、积屑瘤、加工精度、表面质量,切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热,工件,切屑,刀具,图,3-19,切削热的来源与传出,主要来源,Q,A,=Q,D,+Q,FF,+Q,FR,（,3-12,）,（,3-11,）,式中，,Q,D,Q,FF,Q,FR,分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量,切削热来源,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气,),等传散出去车削,切屑带走,50%88%,车刀带走,10%40%,钻削,工件带走约,50%,切屑带走少于,30%,工件,切屑,刀具,图,3-19,切削热的来源与传出,切削热传出,3.4.2,切削温度及其分布,切削温度分布,1,、切削温度,产生的热量,散热,2,、影响散热的因素,工件材料导热系数,刀具材料的导热系数,刀具磨损的影响,冷却液的影响,刀具磨损,冷却液,刀具几何参数的影响,前角,o,切削温度,主偏角,r,切削温度,负倒棱及刀尖圆弧半径,对切削温度影响很小,v,c,（,m/min,）,图,3-21,切削速度、工件材料对切削温度的影响,1GH131 21Cr18Ni9Ti 345,钢,(,正火,)4HT200,刀具材料：,YT15,；,YG8,刀具几何参数：,o,=15,，,o,=68,，,r,=75,，,1,=-10,，,s,=0,，,b,=0.1mm,，,r,=0.2mm,切削用量：,a,p,=3mm,，,f,=0.1mm/r,（）,10,30,50,70,90,110,130,400,600,800,1000,1,2,4,3,切削塑性材料,前刀面靠近刀尖处温度最高。,切削脆性材料,后刀面靠近刀尖处温度最高。,切削用量的影响,经验公式,（,3-12,）,式中,用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度,(,C),；,C,与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；,Z,、,Y,X,v,c,、,f,、,a,p,的指数。,刀具材料,加工方法,高速钢,车削,140,170,0.35,0.45,0.2,0.3,0.08,0.10,铣削,80,钻削,150,硬质合金,车削,320,f,(mm/r),0.1,0.41,0.15,0.05,0.2,0.31,0.3,0.26,切削温度的系数及指数,3.4.3,切削温度的测量,自然热电偶法,工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。,利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。,用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（图,3-22可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。,人工热电偶法,红外测温法,mV,人工热电偶,工件,刀具,金属丝,小孔,3.4.4,磨削热与磨削温度,磨削热,磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的,10,30,倍，砂轮线速度高，且为非良导热体,磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达,1000,以上。,磨削区温度,砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。,磨粒磨削点温度,磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。,工件平均温度,磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。,机械制造技术,第三章 切削原理,54-20,3.5,积屑瘤、残余应力与加工硬化,3.5.1,积屑瘤,积屑瘤：在一定切削速度范围内，切削塑性材料（如钢）时，常在刀具,切削刃,附近的前刀面上粘附上一块与,工件材质相同,，但硬度高于工件材料,34,倍的楔块，其形状好似在刀具上长了瘤，故一般称为,积屑瘤（又称刀瘤,）。,积屑瘤是在,中等切速,加工,塑性材料,条件下的一个重要物理现象。,积屑瘤成因,一定,温度、压力,作用下，切屑底层与前刀面发生,粘接（冷焊,）,粘接金属严重塑性变形，产生,加工硬化,滞留,粘接,长大,积屑瘤形成过程,切屑,刀具,积屑瘤,积屑瘤,有利影响,1,、积屑瘤附着在刀尖上，代替刀刃进行切削，保护刀刃。,2,、增大工作前角，可减小切屑变形和使得切削变得轻快。,积屑瘤影响,不利影响,1,、积屑瘤时生时灭，使切削深度不断变化，影响工件尺寸精度。,2,、积屑瘤在工件已加工表面上刻划出一些不均匀的沟痕，影响表面粗糙度。,在一般情况下，特别是精加工时，积屑瘤对切削过程是不利的，应设法抑制或避免积屑瘤的产生。,当刀具前刀面与切屑底部的金属层的,摩擦阻力大于切屑内部材料的结合力,时，才可能形成刀瘤。,影响摩擦条件的主要因素为切削区的切削温度，另外还有接触面压力、粗糙度、粘结强度。,避免积屑瘤的措施,:,1,、控制切削速度，尽量使用低速或高速，避开中速（中温区）。,2,、增大刀具前角，减小切削变形。,3,、使用高效切削液即可减小摩擦，又可降低切削区的温度。,4,、研磨刀具前面，以减小摩擦。,5,、当工件材料塑性过高、硬度很低时，可进行适当热处理，提高其硬度，降低其塑性，以抑制积屑瘤的产生。,3.5.2,残余应力,残余应力概念,未施加任何外力作用情况下，材料内部保持,平衡而存在,的应力。,残余应力种类及影响,残余张应力：,易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度,残余压应力：,有利于提高零件疲劳强度,残余应力分布不均：,会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度,热塑变形效应：表层张应力，里层压应力,里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形（变形），则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力,表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀（表层），表层产生压应力,实际应力状态是上述各因素影响的综合结果,残余应力产生原因,控制切削过程：尽可能减小残余应力,时效处理：最大限度减小残余应力,残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法,残余应力的控制,3.5.3,加工硬化,加工硬化概念,已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象,加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化,硬化程度,（,3-13,）,式中,H,硬化层显微硬度（,HV,）；,H,0,基体层显微硬度（,HV,）。,硬化层深度,指硬化层深入基体的距离,h,d,（,m,）,加工硬化产生原因,加工硬化度量,加工硬化概念,减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等,减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等,进行适当的热处理,加工硬化的控制,距表面深度,HV,H,0,h,i,H,0,图,3-24,加工硬化与表面深度的关系,机械制造技术,第三章 切削原理,54-21,3.6,刀具磨损与刀具寿命,3.6.1,积屑瘤,刀具磨损形态,正常磨损,前刀面磨损,形式：月牙洼,形成条件：加工塑性材料，,v,大，,h,D,大,影响：削弱刀刃强度，降低加工质量,后刀面磨损,形式：后角,=0,的磨损面（参数,VB,，,VB,max,）,形成条件：加工塑性材料,v,较小,h,D,较小；,加工脆性材料影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量,VB,VB,max,a),KT,KB,b),图,3-25,刀具磨损形态,前、后刀面磨损,非正常磨损,破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）,图,3-26,刀具磨损过程,初期,磨损,后刀面磨损量,VB,正常,磨损,急剧,磨损,切削时间,刀具磨损过程,3,个阶段（图,3-26,）,常取后刀面最大允许磨损量,VB,磨钝标准,磨粒磨损,各种切速下均存在,低速情况下刀具磨损的主要原因,粘结磨损（冷焊）,刀具材料与工件材料亲和力大,刀具材料与工件材料硬度比小,中等偏低切速,粘结磨损加剧,扩散磨损,高温下发生,氧化磨损,高温情况下，在切削刃工作边界发生,刀具磨损原因,机械制造技术,第三章 切削原理,54-22,3.6.2,刀具耐用度,刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用,T,表示。,刀具总寿命,一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。,（,3-14,）,式中,C,T,、,m,、,n,、,p,为与工件、刀具材料等有关的常数。,（,3-15,）,可见,v,的影响最显著；,f,次之；,a,p,影响最小。,用硬质合金刀具切削碳钢（,b,=0.763GP,a,）,时，有：,刀具寿命（耐用度）经验公式,图,3-27,不同刀具材料的耐用度比较,硬质合金,（,VB,=0.4mm,）,陶瓷刀具,（,VB,=0.4mm,高速钢,刀具耐用度,T,（,min,）,1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60,800,600,500,400,300,200,100,80,60,50,切削速度,v,（,m/min,）,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,式中,t,o,、,t,m,、,t,a,、,t,c,分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；,T,为刀具寿命。令,f,，,a,p,为常数，有：,使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：,将上式代入式（,4-14,），对,T,求导，并令其为,0,，可得到最大生产率刀具寿命为：,（,3-16,）,（,3-17,）,又：,最大生产率寿命,（,3-18,）式中,C,0,工序成本,；,C,m,机时费；,C,t,刀具费用；,t,m,，,t,a,，,t,c,，,T,含义同前。,使工序成本最小的刀具寿命,。,仍以车削为例，工序成本为：,（,3-19,）,仍令,f,，,a,p,为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为（图,3-28,）,t,m,C,m,刀具费用,t,a,C,m,C,0,刀具耐用度,T,op,成本,图,3-28,经济寿命,经济寿命,如果刀具耐用度高于最低成本耐用度,Top,，则工时费增多，成本提高；,如果刀具耐用度低于最低成本耐用度,Top,，则刀具消耗费和磨刀费增多，成本提高；,如果刀具耐用度,Top,对应的工序成本最低。,（,3-19,钴基高温合金刀具,机械制造技术,第三章 切削原理,第四章 机械加工质量分析与控制,54-23,3.7,切削用量的选择,3.7.1,选择切削用量的传统方法,1.,确定切削深度,a,p,尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分,2,次走刀，第一次走刀的切削深度取单边余量的,2/3,3/4,。,2.,确定进给量,f,粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表）,精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）,3.,确定切削速度,v,根据规定的刀具耐用度确定切削速度,v,（计算或查表）,粗车：,一、吃刀量,ap,1,、留给下道工序余量；,2,、粗车余量尽可能一次切除，减少走到次数；,如果余量大可采用二次走刀，第一次（,2/33/4,）余量，第二次（,1/41/3,）余量。,粗车：,二、进给量,f,1,、查表,2,、计算：凭经验选,f,，根据,ap,，,f,计算切削力（忽略,v,影响），后根据工艺系统刚度校核，满足校核条件下选取最大,f,。,粗车：,三、切削速度,1,、查表,2,、,ap,，,f,选定后，根据合理耐用度，确定切削速度,v,不同材料的高速切削加工速度范围,精车、半精车：,一、吃刀量,ap,1,、半精车余量较小，约,12mm,；精车余量更小；,2,、半精车、精车原则上一次切除全部余量；,3,、具体值,半精车,0.52mm,精车,0.10.4mm,半精车、精车,二、进给量,f,1,、主要受表面粗糙度的影响，可查表,2,、计算：,直线刀刃,圆弧刀刃,精车、半精车,三、切削速度,1,、主要受刀具耐用度限制,2,、查表,3,、,ap,，,f,选定后，根据合理耐用度，确定切削速度,v,在选择切削速度时，还应考虑以下几点,:,1),精加下时，应尽量避开,积屑瘤,易于产生的速度范围。,2),断续切削,时，宜适当,降低切削速度,，以减少冲击和热应力。,3),加工大型、细长、薄壁工件时，应选用较低的切削速度,;,端面车削应比外圆车削的速度高些,，以获得较高的平均切削速度，提高生产率。,4),在易发生振动的情况下，,切削速度应避开自激振动的临界速度,。,