第3章金属切削过程与控制PPT讲稿.ppt

第3章金属切削过程与控制第1页，共29页，编辑于2022年，星期二第第3 3章章 金属切削过程与控制金属切削过程与控制主要内容主要内容一一.金属切削过程四个基本规律：金属切削过程四个基本规律：1.切削变形切削变形2.切削力切削力3.切削热与切削温度切削热与切削温度4.刀具磨损与寿命刀具磨损与寿命二二.基本规律在基本规律在生产上五个方面的应用生产上五个方面的应用1.控制切屑控制切屑2.改善工件材料的切削加工性改善工件材料的切削加工性3.合理选择切削液合理选择切削液4.合理选择刀具几何参数合理选择刀具几何参数5.合理选择切削用量合理选择切削用量第2页，共29页，编辑于2022年，星期二第第3 3章章 金属切削过程与控制金属切削过程与控制3.1 3.1 金属切削过程及切屑类型金属切削过程及切屑类型 3.1.13.1.1 切屑形成过程及变形区的划分切屑形成过程及变形区的划分3.1.23.1.2 变形程度的表示方法变形程度的表示方法3.1.3 3.1.3 刀、屑接触区的变形与摩擦刀、屑接触区的变形与摩擦3.1.4 3.1.4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 3.1.53.1.5 切屑的类型与控制切屑的类型与控制 第3页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.1 3.1.1 切屑形成过程及变形区的划分切屑形成过程及变形区的划分 FABOM45a）正挤压）正挤压FABOM45b）偏挤压）偏挤压OMFc）切削）切削 正正正正挤挤挤挤压压压压：金金金金属属属属材材材材料料料料受受受受挤挤挤挤压压压压时时时时，最最最最大大大大剪剪剪剪应应应应力力力力方向与作用力方向约成方向与作用力方向约成方向与作用力方向约成方向与作用力方向约成45454545。偏偏挤挤压压：金金金金属属属属材材材材料料料料一一一一部部部部分分分分受受受受挤挤挤挤压压压压时时时时，OBOBOBOB线线以以下下金金属属由由于于母母体体阻阻碍碍，不不能能沿沿ABABABAB线线滑滑移移，而只能沿而只能沿OMOM线滑移。线滑移。切切切切削削削削：与与与与偏偏偏偏挤挤挤挤压压压压类类类类似似似似。弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形剪剪剪剪应应应应力力力力增增增增大大大大，达达达达屈屈屈屈服服服服点点点点塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形，沿沿沿沿OMOMOMOM线线滑滑移移剪剪应应力力与与滑滑移移量量继继续续增增大大，达达断断裂裂强度强度切屑与母体分离。切屑与母体分离。金属挤压与切削比较挤压与切削挤压与切削第4页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.1 3.1.1 切屑形成过程及变形区的划分切屑形成过程及变形区的划分 切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角切屑形成过程切屑形成过程第5页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.1 3.1.1 切屑形成过程及变形区的划分切屑形成过程及变形区的划分 切切切切屑屑屑屑形形形形成成成成过过过过程程程程就就就就是是是是切切切切削削削削层层层层金金金金属属属属受受受受前前前前刀刀刀刀面面面面挤挤挤挤压压压压，沿沿沿沿OMOM滑滑移移面产生以晶格滑移为主的塑性变形过程。面产生以晶格滑移为主的塑性变形过程。第6页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.1 3.1.1 切屑形成过程及变形区的划分切屑形成过程及变形区的划分 第第变形区：变形区：即即剪切滑移剪切滑移区区金属金属剪切滑移，成为切屑。剪切滑移，成为切屑。始滑面始滑面OA与终滑面与终滑面OM之间的区之间的区域，塑性变形主要集中于此区域。域，塑性变形主要集中于此区域。三个变形区变形区的划分变形区的划分第7页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.1 3.1.1 切屑形成过程及变形区的划分切屑形成过程及变形区的划分 第第变形区：即变形区：即剪切面剪切面，OA与与OM之间距离很小，之间距离很小，0.2mm，以，以OO表示。表示。剪切角剪切角：剪切面与切削速度方向间的夹角。剪切面与切削速度方向间的夹角。值小，反映剪切变形的程度大。值小，反映剪切变形的程度大。变形区的划分变形区的划分第8页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.1 3.1.1 切屑形成过程及变形区的划分切屑形成过程及变形区的划分 三个变形区变形区的划分变形区的划分 第第变形区：变形区：纤维化区纤维化区。切屑沿前刀面流动，受挤压与摩擦，切切屑沿前刀面流动，受挤压与摩擦，切屑底部晶粒纤维化，方向与前刀面平行。屑底部晶粒纤维化，方向与前刀面平行。造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。第9页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.1 3.1.1 切屑形成过程及变形区的划分切屑形成过程及变形区的划分三个变形区 第第变形区：变形区：纤维化与加工硬化区纤维化与加工硬化区已加工面受后刀面挤压，产生变形，已加工面受后刀面挤压，产生变形，刀具前移时，工件表面反弹，与后刀刀具前移时，工件表面反弹，与后刀面挤压摩擦。面挤压摩擦。造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、加工硬化和残余应力。加工硬化和残余应力。变形区的划分变形区的划分第10页，共29页，编辑于2022年，星期二切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小。切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小。假设假设：宽度不变，体积不变。：宽度不变，体积不变。LchhDhch3.1.2 3.1.2 变形程度的表示方法变形程度的表示方法LD切屑与切削层尺寸 厚度变形系数厚度变形系数（3-1）长度变形系数长度变形系数（3-2）变形系数由截面积相等可推出两变形由截面积相等可推出两变形系数相等系数相等第11页，共29页，编辑于2022年，星期二 当当当当0 0=0=030303030，h h h h 1.51.51.51.5时，时，h h h h与与相近相近主主要要度度量量第第变变形形区区滑滑移移变变形形的的程程度度，hhhh还还还还包包包包含含含含了了了了第第第第变变形形区区的的影影响。响。（3-3）相对滑移系数3.1.2 3.1.2 变形程度的表示方法变形程度的表示方法第12页，共29页，编辑于2022年，星期二 粘粘结结区区：高高温温高高压压使使切切屑屑底底层层软软化化，粘粘嵌嵌在在前前刀刀面面高高低低不不平平的的凹凹坑坑中中，形形成成长长度度为为l lfifi的的粘粘接接区区。切切屑屑的的粘粘接接层层与与上上层层金金属属之之间间产产生生相相对对滑滑移移，其其间间的的摩摩擦擦属属于于内内摩擦。摩擦。3.1.3 3.1.3 刀、屑接触区的变形与摩擦刀、屑接触区的变形与摩擦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。与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。滑滑动动区区：切切屑屑在在脱脱离离前前刀刀面面之之前前，与与前前刀刀面面只只在在一一些些突突出出点点接接触触，切切屑屑与与前前刀刀面面之之间间的的摩摩擦擦属属于于外外摩擦摩擦。lfolfi两个摩擦区两个摩擦区第13页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 刀、屑接触区的变形与摩擦刀、屑接触区的变形与摩擦n切切削削刃刃存存在在刃刃口口圆圆弧弧，导导致致挤挤压压和和摩摩擦擦，产产生生第第IIIIII变形区。变形区。A A点点以以上上部部分分沿沿前前刀刀面面流流出出，形形成成切切屑屑；A A点点以以下下部部分分受受挤挤压压和和摩摩擦擦留留在在加加工工表表面面上，并有弹性恢复。上，并有弹性恢复。hDhDhACFE图3-12 已加工表面变形A A点前方正应力最大，剪应力为点前方正应力最大，剪应力为0 0。A A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小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原因变形情况变形情况应力分布应力分布第14页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 刀、屑接触区的变形与摩擦刀、屑接触区的变形与摩擦切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图剪应力剪应力的分布：的分布：在粘结区内在粘结区内基本上是不变的，基本上是不变的，它等于较软金属的剪切屈服极限它等于较软金属的剪切屈服极限ss；在滑动区剪应力；在滑动区剪应力是变是变化的，离切削刃越远，化的，离切削刃越远，越小。越小。正应力正应力分布：分布：在接触区内正应力在接触区内正应力是变化的，是变化的，离切削刃越远，前刀面上正压离切削刃越远，前刀面上正压力越小，故正应力力越小，故正应力越小。近越小。近切削刃处正应力切削刃处正应力为最大值为最大值第15页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 刀、屑接触区的变形与摩擦刀、屑接触区的变形与摩擦Ffi、Fni分别指粘结区内的摩擦力和正压力；分别指粘结区内的摩擦力和正压力；Ari粘结面积；粘结面积；av粘结区内平均正应力。粘结区内平均正应力。粘结区内的摩擦系数粘结区内的摩擦系数粘结区内的摩擦系数粘结区内的摩擦系数计算方法：计算方法：第16页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块。是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块。特点：特点：硬度硬度比工件基体比工件基体高高2 23.53.5倍，倍，故可替代切削刃参加切削。故可替代切削刃参加切削。顶部顶部凹凸不平凹凸不平，使加工表面粗，使加工表面粗糙度增加。糙度增加。反复生长和脱落反复生长和脱落，脱落后粘附在，脱落后粘附在已加工表面上。已加工表面上。第17页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的积屑瘤的积屑瘤的积屑瘤的形成条件形成条件：1.切削切削塑性材料塑性材料塑性材料塑性材料；2.切削区温度高切削区温度高切削区温度高切削区温度高；3.3.接触面间的压力、粗糙程接触面间的压力、粗糙程接触面间的压力、粗糙程接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素，符合内度、粘结强度等因素，符合内度、粘结强度等因素，符合内度、粘结强度等因素，符合内摩擦条件。摩擦条件。摩擦条件。摩擦条件。第18页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤对切削过程的影响：第19页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤控制方法：积屑瘤控制方法：1.1.改变切削速度改变切削速度最有效最有效；2.2.使用冷却润滑液；使用冷却润滑液；3.3.降低前刀面粗糙度值；降低前刀面粗糙度值；4.4.增大刀具前角。增大刀具前角。粗加工粗加工时可利用，使积屑瘤稳定存在；时可利用，使积屑瘤稳定存在；精加工精加工时避免或抑制积屑瘤的产生。时避免或抑制积屑瘤的产生。第20页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤控制方法：积屑瘤控制方法：改变切削速度改变切削速度最有效最有效；切削中碳钢时切削中碳钢时低速低速(vc3m/min)(vc3m/min)切削时，切削温度很低；切削时，切削温度很低；较高速较高速(v vc60m/min)c60m/min)切削时，切削温度较高，切削时，切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。这两种情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。中速中速(v vc20m/min)c20m/min)时，积屑瘤的高度达到最大值。时，积屑瘤的高度达到最大值。第21页，共29页，编辑于2022年，星期二切削变形的变化规律切削变形的变化规律切削变形的变化规律切削变形的变化规律从相对滑移从相对滑移、变形系数、变形系数、变形系数、变形系数h h计算式中可知，切屑变形的计算式中可知，切屑变形的程度主要决定于剪切角程度主要决定于剪切角和摩擦系数和摩擦系数的大小。改变加的大小。改变加工条件，促使工条件，促使增大、增大、增大、增大、减小，就能减小切屑变形。减小，就能减小切屑变形。减小，就能减小切屑变形。减小，就能减小切屑变形。影响切屑变形的因素很多，下面介绍其中最主要的、起决定影响切屑变形的因素很多，下面介绍其中最主要的、起决定影响切屑变形的因素很多，下面介绍其中最主要的、起决定影响切屑变形的因素很多，下面介绍其中最主要的、起决定作用的几个因素。作用的几个因素。作用的几个因素。作用的几个因素。1 1）前角）前角增大前角增大前角增大前角增大前角 0，使剪切角，使剪切角，使剪切角，使剪切角增大，变形系数增大，变形系数h减小，切屑减小，切屑减小，切屑减小，切屑变形减小。变形减小。变形减小。变形减小。2 2）切削速度）切削速度切削速度切削速度切削速度切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温改变和通过切削温度使摩擦系数度使摩擦系数 变化而影响切削变形的。变化而影响切削变形的。变化而影响切削变形的。变化而影响切削变形的。第22页，共29页，编辑于2022年，星期二切削速度切削速度v vc c对对h h的影响的影响VcVc超过超过40m/min40m/min继续增高，继续增高，由于切削温度逐渐升高，由于切削温度逐渐升高，使摩擦系数使摩擦系数下降，故下降，故变形系数变形系数hh减小。减小。V Vc c在在3 320m/min20m/min范围内提高，范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角际前角增大，使剪切角增大，增大，故变形系数故变形系数hh减小。减小。VcVc20m/min20m/min时，时，hh值值最小最小VcVc在在202040m/min40m/min范围内范围内提高，积屑瘤逐渐消失，提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使刀具实际前角减小，使减小，减小，hh增大。增大。此外，在高速时，也由于切削层此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。充分而使切屑变形减小。第23页，共29页，编辑于2022年，星期二3 3 3 3）进给量）进给量）进给量）进给量 进给量进给量f f对切屑变形的影响规律如图对切屑变形的影响规律如图第24页，共29页，编辑于2022年，星期二4)4)4)4)工件材料对变形系数工件材料对变形系数hh的影响的影响 工件材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、工件材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度提高，正压力硬度提高，正压力F Fn n增大，平均正应力增大，平均正应力avav增大，因此，摩增大，因此，摩擦系数擦系数下降，剪切角下降，剪切角增大，切屑变形减小。所以，切削增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，要达到一定变形量，强度、硬度高的材料，不易产生变形，要达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大。料，则变形较大。用不同前角用不同前角0 0切削不同材料时的变形系数切削不同材料时的变形系数h h值。值。第25页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.5 3.1.5 切屑的类型与控制切屑的类型与控制形成条件影响名称名称简图形态变形带状带状，底面光滑，底面光滑，背面呈毛茸状背面呈毛茸状节状节状，底面光滑有裂，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状纹，背面呈锯齿状粒状粒状不规则不规则块状块状颗粒颗粒剪切滑移尚未达剪切滑移尚未达到断裂程度到断裂程度局部剪切应力达到断局部剪切应力达到断裂强度裂强度剪切应力完全达剪切应力完全达到断裂强度到断裂强度未经塑性变形即未经塑性变形即被挤裂被挤裂切削塑性材料，切削塑性材料，速度高，切削厚速度高，切削厚度小度小 前角大前角大加工塑性材料，加工塑性材料，切削速度较低，切削速度较低，进给量较大，进给量较大，刀具前角较小刀具前角较小工件材料硬度较工件材料硬度较高，韧性较低，高，韧性较低，切削速度较低切削速度较低加工硬脆材料，加工硬脆材料，刀具前角较小刀具前角较小切削过程平稳，切削过程平稳，表面粗糙度小，表面粗糙度小，妨碍切削工作，妨碍切削工作，应设法断屑应设法断屑切削过程欠平稳，切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削力波动较大，切削过程不平稳，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳表面粗糙度不佳切削力波动大，有切削力波动大，有冲击，表面粗糙度冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀恶劣，易崩刀带状切屑带状切屑挤裂切屑挤裂切屑单元切屑单元切屑崩碎切屑崩碎切屑切屑类型及形成条件切屑类型及形成条件第26页，共29页，编辑于2022年，星期二1 1）带状切屑）带状切屑 工件材料不同，切削条件不同，切削变形也不同，工件材料不同，切削条件不同，切削变形也不同，所形成的切屑分为四类：所形成的切屑分为四类：3.1.5 3.1.5 切屑的类型与控制切屑的类型与控制2 2）节状切屑：切屑与前刀）节状切屑：切屑与前刀面接触的一面较光洁，背面接触的一面较光洁，背面局部开裂。面局部开裂。3)3)粒状切屑切屑粒状切屑切屑沿厚度均匀断裂。沿厚度均匀断裂。4 4）崩碎切屑）崩碎切屑 ：呈不规则细粒状。：呈不规则细粒状。切削层几乎不经塑性变形就产生切削层几乎不经塑性变形就产生脆性崩裂。脆性崩裂。切屑类型由材料的切屑类型由材料的应力应力应变特性应变特性和和塑性变形程度塑性变形程度决定。决定。第27页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.5 3.1.5 切屑的类型与控制切屑的类型与控制切屑类型带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑图3-6 切屑形态照片第28页，共29页，编辑于2022年，星期二3.1.5 3.1.5 切屑的类型与控制切屑的类型与控制切屑控制v 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。折断。v 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（图的结果（图3-7）图3-7 切屑的卷曲图3-8 断屑的产生v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图图3-8）第29页，共29页，编辑于2022年，星期二