第三章,切削与磨削原理

1 第3章切削原理 本章要点 切屑的形成过程 切削力及其影响因素 切削热与切削温度 积屑瘤 残余应力和加工硬化 刀具磨损与刀具寿命 切削用量的选择 高速加工技术 2 第3章切削原理CuttingTheory 机械制造工程学 3 1切削过程CuttingProcess 3 3 1 1切屑的形成过程 没有副刃参加切削 且 s 0 4 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 图3 2金属挤压与切削比较 3 1 1切屑的形成过程 5 图3 3切屑根部金相照片 3 1 1切屑的形成过程 6 3 1 1切屑的形成过程 图3 4切削变形实验设备与录像装置 7 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 图3 5切削部位三个变形区 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 3 1 1切屑的形成过程 8 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 3 1 2切屑变形程度的表示方法 厚度变形系数 3 1 长度变形系数 3 2 9 3 1 2切屑变形程度的表示方法 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 3 3 10 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lfi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 3 1 3前刀面上切 屑的摩擦与积屑瘤 图3 8切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下 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 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 11 积屑瘤 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 粘接金属严重塑性变形 产生加工硬化 增大前角 保护刀刃 影响加工精度和表面粗糙度 滞留 粘接 长大 12 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 13 3 1 4影响切削变形的因素 切削速度进给量 进给量f越大 hD增大 摩擦系数减小 剪切角 加大 变形系数 h越小 背吃刀量 背吃刀量ap对变形系数 h基本无影响 刀具几何参数 切削用量 无积屑瘤的情况 有积屑瘤的情况 材料强度和硬度越大 变形系数 h越小 即切屑变形越小 影响最大的是前角 刀具前角 o越大 剪切角 变大 变形系数 h就越小 14 3 1 5切屑类型及切屑控制 15 3 1 5切屑类型及切屑控制 图3 11切屑形态照片 16 3 1 5切屑类型及切屑控制 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 图3 12 图3 12切屑的卷曲 图3 13断屑的产生 断屑是对已变形的切屑再附加一次变形 常需有断屑装置 图3 13 17 3 1 6硬脆非金属材料切屑形成机理 G GC 3 4 式中G 裂纹扩展单位长度时释放的能量 应变能释放率 GC 裂纹扩展单位长度时所需的能量 裂纹扩展阻力 K1 K1C 3 5 式中K1 应力强度因子 K1C K1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 18 3 1 5硬脆非金属材料切屑形成机理 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行 图3 14 19 3 2切削力CuttingForce 20 3 2 1切削力的来源与分解 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 21 3 2 2切削力经验公式 切削力经验公式 3 6 式中CFc CFp CFf 与工件 刀具材料有关系数 xFc xFp xFf 切削深度ap对切削力影响指数 yFc yFp yFf 进给量f对切削力影响指数 KFc KFp KFf 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 22 3 2 2切削力经验公式 3 7 式中Fc 主切削力 N v 主运动速度 m s 3 8 23 3 2 2切削力经验公式 机床电机功率 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V0材料所消耗的功率 24 3 2 3影响切削力因素 工件材料 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 25 4 2 3影响切削力因素 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 对背向力和进给力影响显著 r Fp Ff 图3 18 刀具几何角度影响 26 4 2 3影响切削力因素 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 Fp Ff 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 Fp Ff 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Fp的影响最为显著 27 28 3 3 1切削热的来源与传出 切削热来源 切削过程变形和摩擦所消耗功 绝大部分转变为切削热 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 主要来源QA QD QFF QFR 3 12 3 11 式中 QD QFF QFR分别为切削层变形 前刀面摩擦 后刀面摩擦产生的热量 29 3 3 2切削温度及分布 TJUniversity 切削温度分布 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 30 3 3 3影响切削温度的因素 切削用量的影响 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 vc f ap的指数 经验公式 3 12 31 3 3 3影响切削温度的因素 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 工件材料的影响 工件材料机械性能 切削温度 工件材料导热性 切削温度 刀具磨损的影响 冷却液的影响 32 3 3 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 33 34 3 4 1刀具的磨损 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 hD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 VBmax 形成条件 加工塑性材料 v较小 hD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 前 后刀面磨损 35 3 4 1刀具的磨损 非正常磨损 破损 裂纹 崩刃 破碎等 卷刃 刀刃塑性变形 36 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 3 4 1刀具磨损 刀具磨损原因 37 3 4 2刀具寿命 刀具寿命 耐用度 概念 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CT 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 ap影响最小 用硬质合金刀具切削碳钢 b 0 763GPa 时 有 38 3 4 2刀具寿命 不同刀具材料寿命 耐用度 比较 39 3 4 3刀具寿命确定 式中to tm ta tc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 ap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 40 3 18 式中C0 工序成本 Cm 机时费 Ct 刀具费用 tm ta tc 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 ap为常数 采用相同方法 可得到经济寿命为 图3 28 3 4 3刀具寿命确定 41 3 4 4刀具破损 烧刃 相变磨损 卷刃折断 崩刃折断剥落热裂 42 规定刀具切削时间 离线检测 3 4 5刀具磨损 破损检测与监控 通过切削力 切削功率 变化幅值 判断刀具的磨损程度 当切削力突然增大或突然下降很大幅值时 则表明刀具发生了破损通过实验确定刀具磨损与破损的 阈值 切削加工时 切屑剥离 工件塑性变形 刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等 都会产生声发射 正常切削时 声发射信号小而连续 刀具严重磨损后声发射信号会增大 而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多 达到正常切削时的几倍 43 3 4 5刀具磨损 破损检测与监控 44 45 3 5 1工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性是指材料在一定条件下被切削加工成合格零件的难易程度 考虑生产率和耐用度的表示方法1 一定生产率条件下 加工这种材料时刀具耐用度 2 一定刀具耐用度前提下 加工这种材料所允许的切削速度 3 相同的切削条件下 刀具达到磨钝标准时所能切除工件材料的体积 考虑已加工表面质量的表示方法考虑切削力或切削功率的表示方法考虑是否易于断屑的表示方法 46 材料切削加工性指标通常用vT表示 vT是指耐用度为T秒 或分 时 切削某种材料所允许的切削速度 vT越高 表示材料的切削加工性越好 通常取T 3600秒 60分 vT写作v3600 v60 对于一些特别难加工的材料 也可取T 1800秒 30分 vT写作v1800 v30 如果以45钢的v3600 v60 作为基准 写作 v3600 j 而把其它各种材料的v3600 v60 同它相比 这个比值Kr称为材料的相对加工性 即 3 20 3 5 1工件材料的切削加工性 47 3 5 1工件材料的切削加工性 48 3 5 1工件材料的切削加工性 工件材料韧性对切削加工性的影响 工件材料硬度的影响 1 工件材料常温硬度对切削加工性影响 工件材料硬度越高 切削力越大 切削温度越高 刀具磨损越快 2 工件材料高温硬度的影响 工件材料高温硬度越高 加工性越差 这是因为切削温度对切削过程的有利影响 软化 对高温硬度高的材料不起作用 3 金属材料中硬质点对加工性的影响 金属中硬质点越多 形状越尖锐 分布越广 则材料的加工性越差 4 材料的加工硬化对切削加工性的影响 加工硬化性越严重 切削加工性越差 49 材料性能对切削加工性影响 工件材料韧性对切削加工性的影响 强度越高的材料 产生的切削力越大 切削时消耗的功率越多 切削温度亦越高 刀具容易磨损 因此 在一般情况下 加工性随工件材料强度提高而降低 工件材料强度的影响 工件材料塑性的影响 材料塑性大 切削加工性差 切削力大 刀具容易产生粘结和扩散磨损 低速切削时易出现刀瘤与鳞刺 断屑困难 但材料塑性太小时 切屑与前刀面的接触变得很短 切削力 切削热集中在切削刃附近 使刀具磨损严重 故切削