金属切削原理(基本理论)优秀PPT.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,*,金属切削原理与刀具,合肥工业大学技师学院,1,第三章 金属切削基本理论,概述：,金属切削过程就是用刀具从工件表面上切去多余的金属，形成已加工表面的过程，也是工件的切削层在刀具前面挤压下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。,伴随着切削过程的发生和发展，形成了许多物理现象，金属切削理论总结了关于金属切削过程中的基本物理现象及其变化规律，研究这些物理现象及其变化规律对保证加工质量、提高生产率、降低成本和指导生产实践有着十分重要的意义。,2,金属切削的基本物理现象包括：,切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损与刀具耐用度,。本章将针对这些现象进行阐述。,3-1,切削变形,切削过程中的各种物理现象，都是以切屑形成过程为基础的。,了解切屑形成过程，对理解切削规律及其本质是非常重要的，现以塑性金属材料为例，说明切屑的形成及切削过程中的变形情况。,一）切屑的形成过程,我们将切屑形成过程近似地比拟为推挤一叠卡片的形象化模型。,3,工 件,刀 具,切屑形成过程模拟,4,金属被切削层好比一迭卡片,1,、,2,、,3,、,4,等,当刀具切入时这迭卡片被摞到,1,、,2,、,3,、,4,.,的位置。卡片之间发生滑移，这滑移的方向就是剪切面。,当然卡片和前刀面接触这一端应该是平整的，外侧是锯齿的、或呈不明显的毛茸状。,5当刀具作用于切屑层，切削刃由,a,相对运动至,O,时，整个切削单元,OMma,就沿着,OM,面发生剪切滑移；或者,OM,面不动，平行四边形,OMma,受到剪切应力的作用，变成了平行四边形,OMm,1,a,1,。,实际上切屑单元在刀具前面作用下还受到挤压，因而底边膨胀为,Oa,2,，形成近似梯形的切屑单元,OMm,2,a,2,。,许多梯形叠加起来就迫使切屑向逆时针方向转动而弯曲。因此也可以说，金属切削过程是切削层受到刀具前面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变形，而形成为切屑的过程。,6,二）三个变形区,根据切削实验时制作的金属切削层变形图片，可绘制出如图所示的金属切削层的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。,由图可见，切削过程中切削层金属的变形可大致划分为三个变形区。,l,第一变形区,从,OA,线,(,称始剪切线,),开始发生塑性变形，到,OM,线,(,称终剪切线,),晶粒的剪切滑移基本完成。这一区域,(I),称为第一变形区。,7,2,第二变形区,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，纤维化方向基本上和前刀面平行。这一区域称为第二变形区,(),。,3,第三变形区,已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。这部分称为第三变形区,(),。,8,这三个变形区汇集在刀刃附近切削层金属在此处与工件母体分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面上。,第,变形区,近切削刃处切削层内产生的塑性变形区,剪切滑移变形,；,第,变形区,与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区,挤压变形,；,第,变形区,近切削刃处已加工表层内产生的变形区,已加工表面变形,。,9,三）第一变形区内金属的剪切变形,追踪切削层上任一点,P,，可以观察切屑的变形和形成过程。,当切削层中金属某点,P,向切削刃逼近，到达点,1,时，此时其剪切应力达到材料的屈服强度,s,，故点,1,在向前移动,的同时，也沿,OA,滑移，其合成运动使点,l,流动到点,2,。,2-2,为滑移量，当,P,点依次到达,3,、,4点后，其流动方向与前刀面平行，不再沿,OM,线滑移。,OA,称为始剪切滑移线，,OM,称为终剪切滑移线。,10,通常第一变形区较窄，宽度仅约为,0.2,0.02mm,，可近似用一剪切面来代替该区域。,剪切面,OC,与切削速度间的夹角,剪切角,。,OA,线上的剪应力,s(,屈服极限,),；,OA,、,OB,、,OC,、,OM,线上的剪应力由于变形加工硬化而依次升高，在,OM,线达最大值,max,，若,maxb(,强度极限,),时，切屑为带状；,maxb,时，切屑为节壮（挤裂状）。,在,OA,到,OM,之间的第一变形区内，其变形的主要特征是沿滑移线的,剪切滑移变形,以及随之产生的加工硬化。,11四）变形程度的表示方法,1,、剪切角,实验证明剪切角,的大小和切削力的大小有直接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，如,角较大，剪切面积变小，即变形程度较小，切削比较省力。所以,角本身就表示变形的程度,。,12,2,变形系数,切削时，切屑厚度,a,ch,通常都要大于切削深度,a,c,，而切屑宽度,l,ch,却小于切削长度,l,c,。,切削长度与切屑宽度之比或者切屑厚度与切削厚度之比称为厚度变形系,即：,13,变形系数,是大于,1,的数，可以用剪切角,表示,上式也可写成,14,上式表明：,变形的大小与剪切角,和前角有关。一般前角,o,增大，剪切角,增大，,减小。,前角,o,一定时，若剪切角,增大，那么切削变形就小。,用剪切角,来衡量变形的大小，测量比较麻烦；而变形系数,可直观反映切屑的变形程度，并且容易测量。,15,剪切角随着切削条件不同而变化，根据纯剪切理论：剪应力和主应力方向约呈,45,，且主应力,fa,与作用合力,Fr,一致，则可确定剪切角,为：,=45,-,（,-o,）其中,为摩擦角。,16,五）前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响,1,前刀面上的摩擦,塑性金属在切削过程中，切屑与前刀面之间压力很大，再加上几百度的高温，实际上切屑底层与前刀面呈粘结状态。故切屑与前刀面之间不是一般的外摩擦，而是切屑和前刀面粘结层与其上层金属之间的内摩擦。,这种内摩擦实际上就是金属内部的滑移剪切，它不同于外摩擦,(,外摩擦力的大小与摩擦系数以及正压力有关，与接触面积无关,),，内摩擦与材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关。,17,令,为前刀面上的平均摩擦系数，则,式中,:A,f1,内摩擦部分的接触面积；,av,内摩擦部分的平均正应力；,s,工件材料剪切屈服强度。,由于,随切削温度升高略有下降，随材料硬度、切削厚度及刀具前角而变化，其变化范围较大，因此，,是一个变数。,18,刀,-,屑接触部分可分为两个区域，在粘结部分为内摩擦，滑动部分为外摩擦。图中也表示出了整个刀,-,屑接触区上正应力,r,的分布，金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦19,2,影响前刀面摩擦系数的主要因素,工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度,是影响前刀面摩擦系数的主要因素。,实验表明在相同切削条件下，加工几种不同工件材料，如铜、,20,钢、,40Cr,钢、,1Crl8Ni9Ti,等，随着工件材料的强度和硬度的依次增大，摩擦系数,略有减小；,这是由于在切削速度不变的情况下，材料的硬度、强度大时，切削温度增高，故摩擦系数下降。,切削厚度,ac,增加时，,也略为下降；如,20,钢的,ac,从,0.lmm,增大到,0.18mm,，,从,0.74,降至,0.72,。因为,ac,增加后正应力也随之增大。,在一般切削速度范围内，前角,。愈大，则,值愈大。因为随着增大，正应力减小，故,增加。,20,切削速度对摩擦系数的影响见图,当,V30m,min,时，切削速度提高，摩擦系数变大。,这是因为在低速区切削温度较低，前刀面与切屑底层不易粘接，粘结的严密程度随速度,(,温度,),增高而发展，从而使,上升。,当,v,超过,30m,min,后，温度进一步升高，材料塑性增加，而使切屑底层材料的,s,下降，故,随之逐渐下降。,21,六）积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,定义：,在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工钢料等塑性材料时，常在前刀面切削刃口处粘着一块楔形的金属块，它的硬度较高,(,通常是工件材料的,2,3,倍,),，在处于稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为,积屑瘤,。,22,切削加工时，切屑与前刀面发生强烈摩擦而形成新鲜表面接触。当接触面具有适当的温度和较高的压力时就会产生粘结,(,冷焊,),。于是，切屑底层金属与前刀面冷焊而滞留在前刀面上。连续流动的切屑从粘在刀面的底层上流过时，在温度、压力适当的情况下，也会被阻滞在底层上。使粘结层逐层在前一层上积聚，最后长成积屑瘤。,形成机理：,23,影响积屑瘤产生的因素：,工件材料的影响：塑性高的材料，由于切削时塑性变形较大，加工硬化趋势较强，积屑瘤容易形成；而,脆性材料一般没有塑性变形，并且切屑不在前刀面流过，因此无积屑瘤产生。,切削速度主要通过切削温度影响积屑瘤。,低速,(Vc,3,5m,min),时，切削温度较低（低于,300,），切屑流动速度较慢，摩擦力未超过切屑分子的结合力，不会产生积屑瘤。,高速,(Vc,60,70m,min),时，温度很高（,500,600,以上）,，切屑底层金属变软。摩擦系数明显降低，积屑瘤也不会产生。,中等速度,(5,35m,min),时，切削温度约为,300,左右，摩擦系数最大，最容易产生积屑瘤。约,20m,min,时最大。,24,25,刀具前角的影响：采用小前角比用大前角时容易产生积屑瘤。,前角小切屑变形剧烈，前面的摩擦力也较大，同时温度也较高，因此容易产生积屑瘤；,反之前角较大时，切屑对刀具前刀面的正压力减小，切削力和切屑变形也随之减小，不容易产生积屑瘤，当前角大到,40,50,时一般不会产生积屑瘤。,刀具表面粗糙度的影响。,减小刀具前刀面的表面粗糙度值，可减小积屑瘤的产生。,切削液的影响。,切削液中含有活性物质，能迅速渗入加工表面和刀具之间，减小切屑与刀具前刀面的摩擦，并能降低切削温度，所以不易产生积屑瘤。,26,积屑瘤对切削过程的影响,1.,影响刀具耐用度：,积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面。积屑瘤相对稳定时，可代替切削刃进行切削。切削刃和前刀面都得到积屑瘤的保护，减少了刀具的磨损，提高刀具耐用度；但在不稳定时，积屑瘤的破裂有可能导致硬质合金刀具的剥落磨损。,2.,增大实际前角：,有积屑瘤的车刀，实际前角可增大至,30,50,之间，因而减少了切屑的变形，降低了切削力。,27,积屑瘤的前端伸出切削刃之外，改变了背吃刀量，有积屑瘤的切入深度比没有积屑瘤时增大了,ac,，因而影响了工件的加工尺寸精度。,另外由于屑瘤的产生、成长与脱落是一个周期性过程，,ac,的变化有可能引起振动。,3.,增大切入深度：,28,4.,增大已加工表面粗糙度值：,积屑瘤的底部较上部稳定，但在通常条件下，积屑瘤总是不稳定的。它时大时小，时生时灭。在切削过程中，一部分积屑瘤被切屑带走，另一部分嵌人工件已加工表面内，使工件表面产生硬点和毛刺，增大了已加工表而的粗糙度值，影响工件表面质量。,29,精加工时：一定要设法避免积屑瘤的产生；,粗加工时：,1),采用硬质合金刀具时，一般也不希望产生积屑瘤；,2),采用高速钢刀具时，积屑瘤粘附在刀具前面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减小刀具磨损，提高耐用度的作用。,在精加工时应避免或减小积屑瘤，其措施有：,1),控制切削速度，尽量采用很低或很高的速度，避开中速区,(,尤其是,1020m,min),；,2),增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力；,3),减小进给量；,4),减小刀面的表面粗糙度；,5),使用润滑性能好的切削液，以减小摩擦；,6),提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向。,30,七）加工硬化,加工硬化亦称冷作硬化，它是在第,变形区内产生的物理现象。,任何刀具的切削刃口都很难磨得绝对锋利，当在钝圆弧切削刃和其邻近的狭小后面的切削、挤压和摩擦作用下，使已加工表面层的金属晶粒产生扭曲、挤紧和破碎。这种经过严重塑性交形而使表面层硬度增高的现象称为加工硬化。,31,加工硬化有如下特点,1,）硬化程度愈高，硬化层深度也愈深；,2,）加工硬化给下一道工序造成困难，刀具易被磨损；,3,）硬化层表面常会出现细微裂纹，增大表面粗糙度和降低材料的疲劳强度，金属材料经硬化后提高了屈服强度。,影响因素：,1),刀具方面：增大前角、增大后角、在刃磨时减小切削刃钝圆弧半径，硬化程度随之减小。,2),切削用量方面：增大切削速度、减小背吃刀量及进给量，使切削变形小，故冷硬程度减轻。,3,）工件材料方面：材料塑性越大，金属晶格滑移越容易，硬化越严重，例如不锈钢,1Cr18Ni9Ti,的硬化深度,1/3ap,。,4),合理选用切削液：浇注切削液能减小刀具后面与加工表面摩擦，冷硬程度减轻。,32,八）残余应力,指切削过程结束后，在已加工表面表层中残存的内应力。有时为残余拉应力，有时也为残余压应力。,最外层应力和里层的应力符号相反，保持平衡。,（,1,）产生原因：,1,）弹性、塑性变形,已加工表面层塑性变形，里层处于弹性变形；,2,）切削热的作用,表层与里层温度差异，故收缩比里层大，最终表层产生残余拉应力，里层产生压应力；,3,）相变引起的体积变化,高温造成表层晶相组织变化，导致体积变化，受到里层金属的限制产生应力；,33,(2),产生后果：,1,）均会使已加工表面发生裂纹；,2,）降低零件的疲劳强度；,3,）影响零件的尺寸和形状，甚至会发生弯曲、凸起变形。,1),刀具方面：减小前角；后刀面和切削刃钝圆弧半径磨损小时，拉内应力随之减小。,2),切削用量方面：增大切削速度、减小进给量，拉内应力随之减小。,3,）工件材料塑性大，易产生拉内应力。,4),选用切削液能减小减小表面残余内应力。,5,）粗加工后进行时效退火处理是最有效的方法。,影响因素,34,九）切屑变形的变化规律,在分析了切削过程中第一变形区、第二变形区的变形和摩擦之后，我们来归纳一下影响切屑变形的主要因素，以便利用这些规律优化切削过程。,1,工件材料对切屑变形的影响,工件材料强度、硬度愈高，切屑变形愈小,。,这是因为工件材料强度愈高，摩擦系数愈小。根据,=90-,（,0,）及,=cos,（,-0,）,/sin,（,）两式可知，,减小时,(=tg),，剪切角,将增大，于是变形系数,将减小。,工件材料的塑性愈大，切屑变形就愈大,。,35,2,刀具前角对切屑变形的影响,刀具前角,0,愈大，切屑变形愈小。,这是因为当,0,增加时，剪切角,增大，因而变形系数,减小。,=90-,（,0,）,另一方面,0,增大使摩擦角,增加，导致,减小，但其影响比,0,增加的影响小，从而使,增加，,变小。,36,3切削速度对切屑变形的影响,在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度愈高，则变形系数愈小。这有两方面原因：,其一 是因为塑性变形的传播速度较弹性变形的慢。当切削速度低时，金属始剪切面为,OA,，但当切削速度高时，金属流动速度大于塑性变形速度，亦即在,OA,线上尚未显著变形就已流动到,0A,线上，这意味着此时的第一变形区后移，使,增大,其二 是,v,对,有影响。除低速区外，,v,增大，则,减小，因此,减小。,37,4,切削厚度对切屑变形的影响,当切削厚度增加时，摩擦系数减小，,增大，变形变小。可见，在无积屑瘤情况下，,f,愈大，则,愈小。,从另一方面来看，切屑中的底层变形最大，离前面愈远的切屑层变形愈小。因此，,f,愈大，切屑中平均变形则愈小；反之，切屑愈薄，变形量愈大。,38,十）切屑的类型,根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不同通常将切屑分为以下四类：,1,）带状切屑,外形连续不断呈带状。它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。例如切削碳素钢、合金钢、铜和铝合金时常出现这类切屑。易切钢易得到这类切屑。,39,（,2,）节状切屑（挤裂切屑）,这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。,（,3,）粒状切屑（单元切屑）,如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑。,40,假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。,以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。,其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在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,41,(4),崩碎切屑,崩碎切屑的形状不规则，加工表面是凸凹不平的。切屑在破裂前变形很小，它的脆断主要是材料所受应力超过了它的抗拉极限。崩碎切屑发生在加工脆性材料，特别是切削厚度较大时。,形成崩碎切屑时的切削力波动大，已加工表面粗糙，且切削力集中在切削刃附近，刀刃容易损坏，故应力求避免。,提高切削速度、减小切削厚度、适当增大前角，可使切屑成针状或片状。,42,43,十一）切屑形状的分类及卷屑和断屑机理的探讨,1,切屑形状的分类,前面按形成机理的差异，把切屑分成带状、节状、粒状和崩碎四类。但是，这种分类法还不能满足切屑的处理和运输的要求。影响切屑的处理和运输的主要因素是切屑的形状，因此，还需按照切屑的形状进行分类。,随着工件材料、刀具几何形状和切削用量的差异，所生成的切屑的形状也会不同。切屑的形状大体有带状屑、,C,形屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑等,.,44,45,46,高速切削塑性金属材料时，如不采取适当的断屑措施，易形成带状屑。带状屑连绵不断经常会缠绕在工件或刀具上，拉伤工件表面或打坏切削刃，甚至会伤人。所以，通常情况下都希望尽量避免形成带状屑。但也有例外的情况。例如，在立式镗床上镗盲孔时，为了使切屑能顺利地排出孔外甩断，一般都要求形成带状屑或长螺卷屑。,47,48,