工信版（中职）数控加工技术训练第1章教学课件.ppt

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工信版（中职）数控加工技术训练第1章教学课件.ppt

Y CF（中职）数控加工技术训练第1 章教学课件第1 章数控加工基本知识 1.1 金属切削运动及其形成的表面 1.2 车刀的组成及材料 1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律1.1 金属切削运动及其形成的表面 1.1.1 金属切削过程金属切割过程是通过切削加工被刀具切除，使工件上多余的金属层，其形成具有一定形状、一定精度和一定表面质量的加工面加工过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列重要现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度及有关刀具的磨损与刀具寿命、断屑等。研究金属切削过程中这些现象的基本理论，对提高金属切削加工的生产率和工件表面的加工质量，减少刀具的损耗，关系极大。下一页返回1.1 金属切削运动及其形成的表面 1.1.2 切削运动为了切除工件上多余的金属，除必须使用切削刀具外，刀具与工件之间还必须作相对运动，这些运动即切削运动。根据切削运动所起的作用，分为主运动和进给运动，如图1-1 所示。1.主运动主运动指切除工件上多余的金属使之转变为切屑，以形成工件新表面的运动。通常，主运动的速度较高，消耗功率最多。主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；根据加工方法不同，它可能是旋转运动，也可能是往复运动。上一页下一页返回1.1 金属切削运动及其形成的表面 2.进给运动进给运动为不断地把切削层投入切削，以逐渐加工出整个加工表面的运动。通常进给运动的速度较低，消耗功率较少。进给运动可以是连续的，也可以是步进的；可以是旋转运动，也可以是直线运动。有的切削加工方法，进给运动可以有一个以上。3.合成切削运动合成切削运动是由主运动和进给运动合成的运动。上一页下一页返回1.1 金属切削运动及其形成的表面 1.1.3 切削中形成的工作表面在主运动和进给运动的作用下，工件表面上的一层金属不断地被刀具切下来转化为切屑，因而加工出所需要的工件新表面。如图1-2 所示，以车削工件外圆表面为例。在切削过程中，工件上有三个不断变化着的表面：待加工表面。即将被切去金属层的表面；已加工表面。已经切去多余金属层而形成的新表面；加工表面。切削刃正在切削的表面。上一页返回1.2 车刀的组成及材料 1.2.1 车刀的组成从图1-3 可以看出，普通车刀由刀头和刀体两部分组成，刀头负担切削工作，又叫切削部分，刀头是一个几何体，由几个面和多条由面相交而成的切削刃组成。我们常见的外圆车刀是由一个刀尖、两个刀刃、三个刀面组成的。下一页返回1.2 车刀的组成及材料 1.刀面前刀面刀具上切屑流过的表面。后刀面与工件上加工表面相对的刀面。副后刀面与工件上已加工表面相对的刀面。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 2.切削刃切削刃是刀具前刀面上拟作切削用的刃，分为主切削刃和副切削刃。主切削刃S 前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作。副切削刃S 前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成少量的切削工作。刀尖主切削刃与副切削刃的连结部位，为了提高刀尖的强度和使车刀耐用，很多刀具都在刀尖外磨出圆弧形成直线过渡刃。如图1-3 所示，圆弧过渡刃又称为刀尖圆弧，一般硬质合金车刀的刀尖圆弧半径r=0.51mm。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 1.2.2 常用刀具材料的类型刀具材料的种类很多，常用的刀具材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、硬质合金、陶瓷材料和超硬刀具材料等。各种刀具材料的主要物理力学性能见表1-1。1.2.3 刀具材料应具备的基本性能金属切削过程中，刀具切削部分承受很大切削力和剧烈摩擦，并产生很高的切削温度；在断续切削工作时，刀具将受到冲击和产生振动，引起切削温度的波动。为了能适应切削中的负荷和恶劣的工作环境，刀具必须具备以下几方面的性能。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 1.足够的强度和韧性在切削加工过程中，刀具切削部分要承受各种应力、冲击和振动的作用，才能防止刀具的变形、崩刃和脆性断裂，因此刀具材料必须具有足够的强度和韧性，一般用抗弯强度和冲击韧性来衡量。2.良好的工艺性能和较好的经济性为了便于刀具本身的加工制造，刀具切削部分材料应具有良好的工艺性能，即应该容易磨削、锻造、焊接，热处理变形小。刀具材料的经济性即是要求价格低廉，可最大限度地降低刀具制造的成本。在选择刀具材料时，不可能要求一种刀具同时具备以上所有的这些性能指标，而应该根据具体加工条件合理选择刀具材料，满足主要性能的要求。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 3.高硬度和高耐磨性一般来说，刀具材料的硬度必须高于零件材料的硬度才能进行切削加工，所以高硬度是刀具材料的最基本性能，在金属切削加工中，一般要求刀具材料常温硬度在60 HRC 以上。耐磨性表示材料抵抗摩擦与磨损的能力，是刀具材料应具备的主要条件之一，耐磨性与材料的硬度、强度和组织结构有关。通常材料的硬度越高，耐磨性也越好。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 4.高耐热性和良好的导热性耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标，是指刀具材料在高温下仍能保持其硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。材料在高温下仍然能保持高硬度的能力称为热硬性，通常刀具材料在高温下硬度越高，耐热性越好，允许的切削速度就越高。刀具材料的导热系数越大，刀具传热的能力就越大，切削时产生的热量就更容易传导出去，有利刊涤低切削区温度，减轻刀具的磨损，提高刀具寿命。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 1.2.4 常用刀具材料的选用 1.硬质合金硬质合金是用粉末冶金方法制成的，它是将高硬度、高熔点的金属碳化物(碳化钨wC，碳化钽TaC，碳化锯NbC 等)的粉末用钻Co，钥Mo、镍Ni 等金属做钻合剂，在高温、高压下烧结而成的。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料(1)硬质合金的组成和特点硬质合金中的碳化物(碳化钨W c，碳化钽TaC，碳化锯NbC 等)的硬度和熔点很高，所以硬质合金中碳化物所占的比例越大，硬质合金的硬度就越高，一般可达到8993 HRA，耐磨性好。在800 1 100 的高温下仍然能保持较好的切削能力。因此它的允许切削速度比高速钢高410 倍，切削速度可达100200 m/min，能加工包括淬硬钢在内的多种材料，故日前已成为主要刀具材料之一。但硬质合金的抗弯性能较低，脆性较大，不能承受冲击和振动，制造工艺性差，刃口不如高速钢锋利，所以多用于制造刀片，很少做成形状复杂的整体刀具。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料(2)常用硬质合金的种类、牌号及性能国际标准化组织ISO按化学成分将硬质合金分为四大类：钨钻类硬质合金、钨钛钴类硬质合金、钨钦钽类硬质合金和碳化钦基类。表1-2 是目前常用硬质合金的牌号、成分及主要性能。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料钨枯类硬质合金(YG)YG 代表钨枯类硬质合金，钨枯类硬质合金的硬质由碳化钨(WC)和钴(Co)构成，其硬度为9091.5HRA，抗弯强度为1.11.5 GPa，耐热性为8000 9000，这类硬质合金常用的牌号有YG3，YG3X，YG6，YG6X，YG8 等。YG 后面的数值表示Co 的含量，如YG8 表示枯(Co)的质量分数为8%，其余的92%为碳化钨(WC)，含钴(Co)量越多，其韧性就越大抗弯强度就越高，但是其硬度和耐磨性就相对降低。碳化钨的粉末有粗细之分，c 表示粗颗粒，x 表示细颗粒，c 可不标注。钨枯类硬质合金一般适用于加工铸铁、有色金属及其合金，以及非金属材料。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料钨钛钴类硬质合金(YT)YT 代表钨钦枯类硬质合金，钨钦枯类硬质合金由碳化钨(WC)，碳化钦(TiC)和钴(Co)构成。其硬度为89.592.5 HRA，抗弯强度为0.914 GPa，耐热性为900 0 10000。常用的牌号有YT5，YT15，YT30 等，数字表示TiC 的含量，如YTS 表示Ti C 的质量分数为5%，与YT 类硬质合金相比，由于含有较高的TiC，所以此类硬质合金的硬度、耐热性、耐磨性较高，但其导热能力、抗弯强度有所下降，低温脆性较大，不耐冲击，因此这类合金一般不用来加工脆性材料，而适用于高速切削一般钢材。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料碳化钛基类硬质合金(YN)前面三种硬质合金都是以碳化钨为基体的，这类硬质合金是以碳化钦作为基体，镍、铂作为黏合剂而组成的，所以硬度高达90 95 HRA，有较好的耐热性，在1 000 1 300 的高温下仍能进行切削，切削速度可达300400 m/min，其化学稳定性较好，刀具与工件的摩擦较少，有利于降低刀具的磨损和提高已加工表面质量，适应高速精加工合金钢、淬硬钢等。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料(3)硬质合金的选用根据加工条件，正确选用适当型号的硬质合金，对发挥刀具的切削性能和经济性有非常重要的意义，常用硬质合金牌号的选用见表1-3。2.工具钢(1)合金工具钢为了改善碳素工具钢的切削性能，通常在其中加人适当的合金元素，如铬(Cr)、硅(Si)、钨(W)，锰(Mn)等，从而形成合金工具钢。常用的合金工具钢牌号有9SiCr，GCr15，CrWMn，Cr12MoV 等。其刀刃最高受热温度在300 一400 之间，合金工具钢与碳素工具钢相比，热处理后的硬度相近，耐热性和耐磨性略好，热处理性能比较好。主要用于制造丝锥、板牙、手用铰刀及拉刀等。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料(2)碳素工具钢碳素工具钢是含碳量在0.65%1.3%之间的优质碳素钢，用来制造刀具的常用牌号有T8A，T10A，T12A。其刀刃最高受热温度在200 250 之间，在这个温度范围内，硬度和耐磨性会迅速降低，碳素工具钢材料的优点是刀具刃磨性好，切削加工性好，价格低廉；缺点是热处理变形大，淬透性差，一般用于加工切削速度低于8 m/min 的低速切削，以及手用工具，如丝锥、锉刀以及手用锯条等。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料(3)高速工具钢(高速钢)又称锋钢、自钢，是在钢中加入较多的钨(W)，钼(Mo)，钒(V)、铬(Cr)等合金元素形成的高合金工具钢。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速工具钢的耐热性显著提高(200 250)，有较高的硬度(6370 HRC)，良好的耐磨性，较高的强度和韧性，可提高切削速度。高速工具钢与硬质合金以及陶瓷相比，具有较好的抗弯强度，冲击韧性，容易锻造和切削加工，制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，但高速工具钢的导热系数低，所以在锻造和热处理时应慢慢地加热。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料高速工具钢按其用途和切削性能，可分为通用型高速工具钢、高性能高速工具钢；按制造工艺不同又可分为熔炼高速工具钢和粉末冶金高速工具钢。表1-4 列出了几种常用的高速工具钢的力学性能。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 3.涂层刀具刀具材料的韧性和硬度一般不能兼顾，磨损是影响刀具寿命的最主要的因素。近几年来，采用化学气相沉积或其他工艺方法在硬质合金表面涂覆一层512 um 的耐磨、难熔物质，可有效地解决刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，有效提高了刀具切削性能，常用的涂层材料有碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、氧化铝(Al203)等。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 4.超硬刀具材料超硬刀具材料在国际上公认为是当代提高生产效率最有潜质的刀具材料之一，其发展潜力十分深厚。主要有金刚石和立方氮化硼两类。(1)金刚石金刚石是碳的同素异形体，具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000 HV，是刀具材料中最硬的材料。其摩擦因数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好。加工有色金属时，表面粗糙度可达Ra 0.012um，加工精度可达IT5(孔IT6)级以上，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、未烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材。金刚石刀具有以下三类：上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料人造聚晶金刚石(PCD)。又称金刚石烧结体，是在高温超高压条件下，将人造金刚石微晶烧结而成的，可制成所需的形状尺寸，镶嵌在刀杆上使用。其硬度虽低于天然单晶金刚石，但它结晶界面无固定方向，用作刀具时可以任意取向刃磨，在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也很强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的吃刀量，而人造聚晶金刚石原料来源丰富，其价格只有的天然单晶体金刚石的几十分之一至十几分之一，因此应用广泛。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料天然单晶体金刚石(ND)。主要用于有色金属及非金属的精加工。单晶金刚石结晶有一定的方向，不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异，在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向。由于其使用条件苛刻，加上资源有限，价格昂贵，至今使用较少，目前仅用于某些有色金属如铜及铜合金和金、银等贵重金属特殊零件的高速超精密加工，如录像机磁盘、光学平面镜、多面镜。复合金刚石刀片(PCD/CC)。复合金刚石刀片是在硬质合金基体上烧结一层为0.51 mm 厚的聚晶金刚石。复合金刚石刀片强度较好，抗冲击性能好，特别适用于吃刀量大、有冲击载荷的加工使用。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料(2)立方氮化硼(CBN)立方氮化硼是由六方氮化硼在高温高压下转化而成的，是20 世纪70 年代发展起来的新型刀具材料。立方氮化硼的主要特点是：具有很高的硬度和耐磨性，硬度可达80009000HV，仅次于金刚石。具有很好的热稳定性，在1300 的高温时还能进行切削，与大多数金属、铁系材料都不起化学作用。抗弯强度与韧性介于陶瓷与硬质合金之间。综合立方氮化硼材料的特点，因此它可对淬火钢、冷硬铸铁进行粗加工和半精加工，同时还能高速切削高温合金、硬质合金及其他难加工材料。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料 5.陶瓷刀具(1)陶瓷刀具的特点陶瓷刀具是以氧化铝(Al203)或氮化硅(Si3N4)为基体再添加少量金属，在高温下经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。它的主要特点是：有很高的耐热性。在1 200 的高温下仍然能保持80 HRA的硬度，强度及韧性降低较少。切削速度比硬质合金高25倍。有很好的化学稳定性。在高温下仍具有较好的抗氧化、抗黏结性能。有很高的硬度和耐磨性。常温中硬度可达9195 HRA，超过硬质合金的硬度，可切削60 HRC 以上的材料。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料抗弯强度和韧性差。脆性较大，抗弯强度低，故不能承受冲击，切削时易崩刀。传热能力差。传热能力是硬质合金的1/21/5，这使陶瓷刀具抗热抗冲击能力较差，陶瓷刀具切削时不允许有较大的温度波动。摩擦系数较小。切削时不易钻刀，不易产生积屑瘤，加工表面质量好。陶瓷刀具有以上的特点，所以一般用于高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等难加工材料的半精加工和精加工。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料(2)陶瓷刀具的种类近年来，为了提高陶瓷材料的强度，扩大其应用范围，在陶瓷刀具的研制取得了很大的成就，抗弯强度可达90 MPa100 MPa。下面介绍几种瓷材料：氧化铝-碳化物系复合陶瓷。它是在Al203基体中加入TiC，WC，MOC，TaC，NbC，Cr3C2等成分经热压烧结而成，使用最多的是Al203-TiC 复合陶瓷。随着TiC 含量(30%50%)的不同，其切削性能也有差异。这类陶瓷主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料氮化硅(Si3N4)基陶瓷。Si3 N4陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，硬度高，热硬性好，能承受1 300 1 400 的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦系数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于大进给量或断续切削。由于纯Si3N4陶瓷刀具在切削长切屑金属(如软钢)时极易产生月牙洼磨损，所以新一代Si3 N4陶瓷均为复合Si3N4陶瓷刀具。新开发的Si3N4 陶瓷不仅可用于粗加工，而II 可用于断续切削和有冷却液的切削。上一页下一页返回1.2 车刀的组成及材料(3)陶瓷刀具的应用刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度进行高速切削，切削效率比传统刀具高310 倍，可以车、铣代磨”，达到节约工时、电力、机床数30%70%或更高的效果可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，在硬化铸铁加工中可免除退火和重新淬火工序；可节省电耗和缩短加工时间，并延长机器设备的使用寿命不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力较大的加工。上一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律所谓金属切削过程是刀具从零件表面上切去多余的金属，形成切屑和已加工表面的过程。在这个过程中产生了许多物理现象，如切削热、切削力、表面硬化等，都与被切削金属变形及变化规律有密切关系，因此了解这些现象的变化规律，对合理使用刀具，保证加工质量，提高生产效率，有十分重要的作用。1.3.1 切削时的变形区 1.金属切削过程的实质金属切削过程的实质是工件受到刀具的切割和推挤以后发生弹性和塑性变形，而使切削层与工件分离的过程。下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律金属的变形有弹性变形和塑性变形两种。弹性变形是可恢复的变形，而塑性变形是永久性的变形。塑性变形是由切应力引起的，当切应力达到金属材料的屈服极限以后，金属便沿剪切面(或称滑移面)滑移，产生塑性变形。图1-4 是金属的挤压与切削对比示意图。当金属试件受压时，内部产生切应力、切应变，剪切面为OM，AB 两个面。如发生滑移变形的话，金属便一定沿此两面中的任何一面发生滑移(图1-4(a)。当金属受偏挤压时(图1-4(b)，试件上只有一部分金属(OB 线以上)受到挤压，OB 线以下因受到金属母体的阻碍，使金属不能沿AB 线滑移，只能沿OM 线滑移。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律金属切削情况虽然比挤压试验复杂得多，但上述结论仍可用来概略分析切削过程中的变形现象。图1-4(c)中切削层在刀具的挤压作用下沿OM 滑移。图中虚线部分类似于偏挤压时的剪切面AB，它和切削塑性金属材料时产生的积屑瘤的形状有关。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律 2.金属切削过程中变形区的划分为了进一步揭示金属切削时的变形过程和便于分析其实用意义，我们把切削区域划分为三个变形区，如图1-5 所示。第I 变形区：是指靠近前刀面的切削层在刀具的挤压作用下产生的变形，对塑性材料而言，主要是沿剪切面OM 的滑移变形。第II 变形区：是指切屑在流出过程中与前刀面之间产生的挤压、摩擦变形。第III 变形区：是指近切削刃处已加工面表层内产生的变形区。这一薄层金属因受切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦和回弹的影响而产生塑性变形，造成纤维化与加工硬化。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律(1)第I 变形区第I 变形区剪切滑移变形：在图1-5 中OAE包容的范围，OA 线称始滑移线，该线以下的金属由于受刀刃的切割作用而处于弹性变形阶段，到达该线即开始产生塑性变形。随着刀具相对于工件的连续运动，处于始滑移线上的金属到达OE 线时，基本变形结束。第I 变形区主要是由刀刃的切割与前刀面的推挤作用而造成的。当刀具切割作用发挥得好时，其基本变形区的变形将减小；当刀具的前角减小时，则刀具前面的推挤作用加大，基本变形区的变形增大。基本变形区的变形是三个变形区中最大的一个，所以常用基本变形区变形的大小近似地表示切削过程的变形量。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律(2)第II 变形区第II 变形区内金属的挤压变形：切屑经过滑移变形，使其底层长度大于外层长度，因而发生卷曲。如图1-6 所示，可把各单元比喻为aAMm，平行四边形薄片，而现在单元的底面被挤成bAMm 梯形了。许多梯形叠起来，就造成了切屑的卷曲。塑性变形越大，卷曲越厉害，最后切屑离开前刀面，变形结束。从力学角度来看，刀具前刀面的压力对切屑产生一个力矩，迫使切屑卷曲。所以切屑的卷曲和前刀面的挤压有关。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律(3)第III 变形区第III 变形区是已加工表面变形：由于被切金属的分离点不在刀刃圆弧的最低点，所以有一薄层金属留下来，并受到刀刃圆弧下半部的挤压而使初形成的已加工表面变形。同时，由于刀具磨损，与已加工表面发生摩擦，加之初形成的已加工表面的弹性恢复，使已加工表面与后面的接触长度加大。增加了已加工表面的挤压与摩擦。使加工表面产生加工硬化。金属在上述三个变形区内变形的总和，就是被切削金属在刀具作用下塑性变形的全部内容。切削过程始终贯穿着变形，因此，切屑的形成过程也就是切削的变形过程。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律 1.3.2 切屑的类型与形状 1.切屑的类型零件上的切削层材料经过切削，被切离零件基体，形成切屑。在切削过程中，由于被加工材料的性质不同、刀具的几何参数不同、切削用量不同、切削过程中产生变形的程度不同，因此将出现不同形态的切屑。从变形观点出发分为四大类，如图1-7 所示。(1)带状切屑这种切屑通常在加工塑性材料、切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时产生，切屑连续呈带状。如图1-7(a)所示，底部受前面的挤压较平整光亮，上部呈茸毛状态，各单元切屑之间没有明显的界限。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律(2)节状切屑(挤裂切屑)这种切屑多在切削速度较低、切削深度较大、刀具前角较小、加工塑性金属或硬性金属时产生。如图1-7(b)所示，节状切屑底面比较平整，但光滑程度较带状切屑差些，切屑外表面呈锯齿状态，顶部粗糙，各单元切屑之间有明显的界限。由于切屑局部断裂，切削力波动较大，加工表面质量较差。(3)粒状切屑(单元切屑)这种切屑多在切削速度很低、进给速度较大、刀具前角较小(或负前角)、加工材料硬度较高而韧性较低或硬性金属时产生。如图1-7(c)所示，当加工塑性较大的金属时，若整个剪切面上的剪应力完全达到了材料的断裂强度，切屑以单元形式脱离母体。形成粒状切屑时，切削力波动较大，加工表面质量较差，在生产中应避免出现这种切屑。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律(4)崩碎状切屑如图1-7(d)所示，切屑呈不规则的碎片状，主要是加工脆性金属(如铸铁、铸铜等)时产生。由于脆性金属的塑性极小、抗拉强度很低，切削层金属未经塑性变形或只经很小塑性变形便挤裂，或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎片状切屑。2.切屑的形状(1)切屑折断的过程切屑折断的过程大致分为四个阶段，如图1-8 所示。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律卷曲。切屑顺前面流出时，受前面所阻形成滞流层。滞流层的切屑沿前面产生滑移使切屑层的底边增大，在流动时长边向短边卷曲。受阻。切屑自身卷曲顺前面排出，当碰到卷屑槽的反屑面以后，反屑面便给切屑一个阻力。折回。切屑顺前面流出时被反屑面所阻，一般垂直于反屑面折回到工件或刀具的某一表面上。当刃倾角为正值时，若进给速度较大，切屑一般折向车刀的后面；若进给速度书小，切屑则折向工件的待加工表面。当刃倾角为负值时，切屑一般折回到工件的已加工表面。当刃倾角为零时，切屑一般折回到工件的过渡表面。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律折断。当切屑折回碰到某一个表面时，增加了切屑的弯曲应力。当弯曲应力超过切握材料的极限应变值时，切屑便成一定形状而折断。(2)切屑形状生产中由于加工条件不同，形成的切屑形状有许多种。因此还可以扛切屑的形状分类。常见的切屑形状与名称见图1-9。图1-9(a)所示为带状切屑，因切屑连绵不断，易缠绕工件和刀具，影响正常工作和造成人身伤害。应采取有效断屑、排屑措施。对于锁盲孔和钻孔，带状切屑有利于切屑排出孔外。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律图1-9(b)所示为C 型切屑，在加工碳钢和合金钢材料采用卷屑槽的车刀车削时易形成C 形切屑。便于清除，但折断率很高，会影响切削过程的平稳性和零件的表面质量。所以精加工时应避免产生。图1-9(c)所示为崩碎切屑，在加工铸铁等脆性材料时，切屑崩碎成针状或碎片，对清理和人身安全都不利，应采取措施使切屑连成卷屑。图1-9(d)所示为螺卷屑，在精车时，如果采用合理的切削用量和刀具几何参数可得到。螺卷屑在卧式车床是一种比较好的屑形。图1-9(e)、图1-9(f)、图1-9(g)所示的长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑在形成过程中比较平稳，清理也方便，所以它们是自动线、自动机床上理想的屑形。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律 1.3.3 积屑瘤与加工硬化 1.积屑瘤在一定条件下，切削塑性材料时，常有一些从切屑和工件上脱落下来的金属冷焊并层积在前刀面上，其形状好象在刀具上长了一个瘤，所以称为积屑瘤，如图1-10 所示。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律(1)积屑瘤的形成在一定的加工条件下，随着切屑与前刀面间温度和压力的增加，摩擦力也增大，使近前刀面处切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞留”现象，越是贴近前刀面处的金属层流速越低。当温度和压力增加到一定程度时，滞留层中底层与前刀面产生黏结。当切屑底层中切应力超过金属的剪切屈服强度极限时，底层金属流速为零而被剪断，并钻结在前刀面上。在后继切屑流动推挤下，前面切屑的底层便与上层发生相对的滑移而分离开来，成为积屑瘤的基础。接着新的底层又在此基础上冷焊并脱离切屑。如此逐层脱离切屑，逐层在前一层上积聚，最后长成积屑瘤。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律(2)积屑瘤对切削加工的影响保护作用。积屑瘤的硬度是工件材料的23.5 倍，可代替刀刃进行切削，对刀刃起到一定的保护作用。增大实际工作前角。积屑瘤改变了刀刃相对于工件轴线的高度，可增大实际工作前角(内表面加工则相反)，有利于减小切削变形。增大已加工表面的表面粗糙度。屑瘤堆积到一定高度以后，切屑底层与积屑瘤的钻附力超过积屑瘤本身的强度，使积屑瘤拉裂钻附在切屑底层被切屑带走，另一部分钻附在已加工表面上被工件带走，如前图7 所示。钻附在已加工表面上的积屑瘤呈毛刺状态，严重影响了已加工表面的表面粗糙度。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律影响工件表面加工尺寸。由于积屑瘤头部的不稳定性，其高度不断地变化，可引起实际工作前角的不断变化，会增大背吃刀量，也会引起切削力的不断变化，还会引起振动，影响工件表面加工尺寸及加工的形状精度。(3)各种因素对积屑瘤的影响工件材料的影响。塑性高的材料，由于切削时塑性变形较大，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。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律切削速度的影响。切削速度主要通过切削温度影响积屑瘤。低速时(v 5m/min 切削温度较低，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；高速时(v 70 m/min)，温度很高，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(1520 m/min)时，切削温度约为3000，摩擦系数最大，最容易产生积屑瘤。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40o50o时一般不会产生积屑瘤。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律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。2.加工硬化经切削加工后工件表面的硬度有所增加，这种现象称为加工硬化。其硬化层的硬度为原有表面硬度的1.42.5 倍，硬化层的深度达几十至几百微米。在已加工表面的形成过程中，表面层金属因多方面原因使其产生复杂的塑性变形，造成晶格被拉伸、压缩、扭曲与破碎，阻碍了进一步塑性变形而强化，造成了已加工表面层硬度的增加。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律 1.3.4 鳞刺切削塑性金属零件表面出现的一种鳞片状毛刺，称为鳞刺。它的存在，严重地影响了加工表面粗糙度。在较低切削速度和较小的前角下切削低、中碳钢等塑性金属，出现节状或粒状切屑时，由于每一单元切屑形成的各个阶段都是周期性地变化，因此切屑与前刀面之间的摩擦力也产生周期性地变化，使切屑在前刀面上周期性地停留代替刀具去推挤切削层而造成金属的积聚，使已加工表面出现拉应力而发生导裂，并使切削厚度向切削线以下增大，生成鳞刺。鳞刺的生成大致分为四个阶段，如图1-11 所示。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律抹拭阶段。当切屑从前刀面流出时，逐步把摩擦面上有润滑作用的吸附膜擦拭干净，使摩擦系数和冷焊面积逐渐增大，在切屑与前刀面的摩擦力作用下，使切屑单元在瞬间内，结在前面上，延缓了切屑的流出。导裂阶段。瞬间停滞在前面上的切屑单元，以圆钝的外形代替前面对切削层进行推挤，使切削刃前下方切屑与工件之间产生裂口，称为导裂。层积阶段。当停滞在前面上的切屑单元继续对切削层进行推挤时，受到挤压的金属不断层积在切屑单元下面一起参加切削而使裂口扩大，此时的切削厚度与切削力都随之增大。上一页下一页返回1.3 金属切削加工过程中的主要现象及基本规律刮成阶段。切屑层积到某一高度以后，增大的背向力克服了切屑与前面之间的钻结和摩擦，推动切屑单元重新沿前面滑动，当切削刃切过去后，在已加工表面上便形成一个鳞刺。接着又开始另一个新鳞刺的形成过程，如此周而复始，则在已加工表面上不断生成一系列的鳞刺。鳞刺对切削加工表面质量影响很大，必须采取措施对其加以控制，如通过热处理工艺适当提高零件材料的加工硬度、降低材料塑性、增大刀具前角等。上一页返回图1-1 常见机械加工方法的切削运动返回图1-2 工件上的三个表面返回图1-3 车刀的组成部分返回表1-1 各种刀具材料的物理力学性能返回表1-2 常用硬质合金的牌号、成分以及主要性能下一页返回表1-2 常用硬质合金的牌号、成分以及主要性能（续）上一页返回表1-3 常用硬质合金牌号的洗用返回表1-4 几种高速工具钢的力学性能返回图1-4 金属的挤压与切削返回图1-5 切削区域划分为三个变形区返回图1-6 切屑的卷曲返回图1-7 切屑的类型返回图1-8 切屑折断原理返回图1-9 切屑的各种形状返回图1-10 积屑瘤返回图1-11 鳞刺的生成返回

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