機械制造技術基礎-3切削原理ppt課件

1、切屑的形成過程切削力及其影響因素切削熱與切削溫度積屑瘤、殘余應力和加工硬化刀具磨損與刀具壽命切削用量的選擇高速加工技術沒有副刃參加切削，且s = 0。圖3-1 直角、斜角自由切削與不自由切削a直角切削直角切削b斜角切削斜角切削c不自由切削不自由切削 FABOM45a正擠壓正擠壓FABOM45b偏擠壓偏擠壓OMFc切削切削圖3-2 金屬擠壓與切削比較圖3-3 切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：=s剪切角剪切角圖3-4 切削變形實驗設備與錄像裝置 圖3-5 切削部位三個變形區(qū)摩擦。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產生積屑瘤的主要原因。形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈

2、毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達到斷裂程度局部剪切應力達到斷裂強度剪切應力完全達到斷裂強度未經塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小， 刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大， 刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料， 刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小， 妨礙切削工作，應設法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑表3-1 切屑類型及形成條件帶狀切屑Real擠裂切屑Real節(jié)狀切屑

3、Real崩碎切屑Real圖3-6 切屑形態(tài)照片v 為使切削過程正常進行和保證已加工表面質量，應使切屑卷曲和折斷。v 切屑的卷曲是切屑基本變形或經過卷屑槽使之產生附加變形的結果圖3-7）圖3-7 切屑的卷曲圖3-8 斷屑的產生v斷屑是對已變形的切屑再附加一次變形常需有斷屑裝置，圖3-8） 切削層經塑性變形后，厚度增加，長度縮小，寬度基本不變?？捎闷浔硎厩邢鲗幼兊淖冃纬潭?。LchhDhchLD圖3-9 切屑與切削層尺寸 （3-1） DchhhhchDLLL （3-2） ysOM0圖3-10 相對滑移系數(shù))cos(sincos00yS （3-3） 圖圖3-11 切屑與前刀面的摩擦切屑與前刀面的摩擦

4、在高溫高壓作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生沾接，切屑與前刀面之間既有外摩擦，也有內摩擦。lfolfin切削刃存在刃口圓弧，導致擠壓和摩擦，產生第變形區(qū)。A點以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A點以下部分受擠壓和摩擦留在加工表面上，并有彈性恢復。hDhDhACFE圖3-12 已加工表面變形A點前方正應力最大，剪應力為 0。 A點兩側正應力逐漸減小，剪應力逐漸增大，繼而減小。 GGC （3-4）式中 G 裂紋擴展單位長度時釋放的能量應變能 釋放率）； GC 裂紋擴展單位長度時所需的能量裂紋擴 展阻力）。K1K1C （3-5）式中 K1 應力強度因 子； K1C K1臨界值。對于型張開型裂紋，在平面應變條

5、件下，脆性斷裂條件為： a）b）c）d）e）圖3-13 硬脆材料切削過程a大規(guī)模擠裂大塊破碎切除）b空切c小規(guī)模擠裂小塊破碎切除）d小規(guī)模擠裂次小塊破碎切除）e重復大規(guī)模擠裂大塊破碎切除）flashflash 圖3-14 磨屑形成過程a平面示意圖 b截面示意圖rFcFFpFf pFfFf pFf pfv圖3-15 切削力的分解F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff進給抗力FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK（3-6）式中 CFc , CFp , CFf 與工件、刀具材料有關系數(shù)； xFc , xFp , xFf 切削深度ap

6、對切削力影響指數(shù)； yFc , yFp , yFf 進給量 f 對切削力影響指數(shù)； KFc , KFp , KFf 考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。1FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAafaf（3-7）式中 Fc 主切削力N）； v 主運動速度m/s）。 （3-8）310()ccPFvKW式中 機床傳動效率，通常= 0.750.85 （3-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（3-9）指單位時間切除單位體積 V0 材料所消耗的功率強度高加工硬化傾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v

7、m/min） 981784588主切削力FcN）圖3-16 切削速度對切削力的影響圖3-17 前角對0切削力的影響前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff圖3-18 主偏角r對切削力的影響主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質切削液、空氣)等傳散出去工件切屑刀具圖3-19 切削熱的來源與傳出cccvFPq（3-11）式中，QD , QFF , QFR分別為切削層變形、前刀面摩擦、后刀面摩擦產生的熱量TJ University750刀具圖3-20 二維切削中的溫度分布 工件材料：低

8、碳易切鋼； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削條件：干切削， 預熱611Cq 切削用量的影響 式中 用自然熱電偶法測出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度(C)； C 與工件、刀具材料和其它切削參數(shù)有關的切削溫度系數(shù)； Z、Y、X vc、f、ap 的指數(shù)。 經驗公式ZyxcpC vfa （3-12）刀具材料加工方法高速鋼車削1401700.350.480.10銑削80鉆削150硬質合金車削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2 切削溫度的系數(shù)及指數(shù)q 刀具幾何參數(shù)的影響 q 工件材料的

9、影響 vcm/min）圖3-21 切削速度、工件材料對切削溫度的影響1GH131 21Cr18Ni9Ti 345鋼(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q 刀具磨損的影響 q 冷卻液的影響 工件和刀具材料不同，組成熱電偶兩極，切削時刀具與工件接觸處的高溫產生溫差電勢，通過電位差計測得切削區(qū)的平均溫度。利用紅外輻射原理，借助熱敏感元件，測量切削區(qū)溫度?？蓽y量切削區(qū)側面溫度場。mV圖

10、3-22 人工熱電偶工件刀具金屬絲小孔磨削時去除單位體積材料所需能量為普通切削的1030倍，砂輪線速度高，且為非良導熱體 磨削熱多，且大部分傳入工件，工件表面最高溫度可達1000以上。滯留粘接長大切屑刀具圖3-23 積屑瘤積屑瘤RealReal未施加任何外力作用情況下，材料內部保持平衡而存在的應力。已加工表面表層金屬硬度高于里層金屬硬度的現(xiàn)象加工表面嚴重變形層內金屬晶格拉長、擠緊、扭曲、碎裂，使表層組織硬化00100%HHNH（3-13）式中 H 硬化層顯微硬度HV）； H0 基體層顯微硬度HV）。指硬化層深入基體的距離hdm）距表面深度HVH0hiH0圖3-24 加工硬化與表面深度的關系形式

11、：月牙洼形成條件：加工塑性材料，v大，hD大影響：削弱刀刃強度，降低加工質量形式：后角=0的磨損面參數(shù)VB，VBmax）形成條件：加工塑性材料, v 較小, hD 較??；加工脆性材料影響：切削力, 切削溫度, 產生振動，降低加工質量VBVBmaxa) KTKBb)圖3-25 刀具磨損形態(tài)破損裂紋、崩刃、破碎等），卷刃刀刃塑性變形）圖3-26 刀具磨損過程初期磨損后刀面磨損量VB正常磨損急劇磨損切削時間刀具磨損過程3個階段圖3-26）常取后刀面最大允許磨損量VB磨鈍標準粘結磨損加劇111TpmnpCTvfa（3-14）式中CT 、m、n、p 為與工件、刀具材料等有關的常數(shù) 。52.250.75T

12、pCTvfa（3-15）可見v 的影響最顯著；f 次之；ap 影響最小 。用硬質合金刀具切削碳鋼b= 0.763GP a時，有：圖3-27 不同刀具材料的耐用度比較硬質合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速鋼刀具耐用度Tmin）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度vm/min）式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分別為工序時間、基本時間、輔助時間和換刀時間；T 為刀具壽命。令f，ap為常數(shù)，有：10001000mwwwwmppLdLdtTvfaA fa 使工序時間最短的刀具壽命。以車削為例，工序

13、時間：mv TA將上式代入式4-14），對T求導，并令其為0，可得到最大生產率刀具壽命為：momactttttT（3-16）（3-17）1opcmTtm又：0mmmamcmttCtCtCtCCT（3-18）式中 C0 工序成本； Cm 機時費； Ct 刀具費用； tm ，ta ，tc ，T 含義同前。使工序成本最小的刀具壽命。仍以車削為例，工序成本為：（3-19）1topcmCmTtmC仍令f，ap為常數(shù)，采用相同方法，可得到經濟壽命為圖3-28）tmCm刀具費用taCmC0刀具耐用度Top本錢 圖3-28 經濟壽命規(guī)定刀具切削時間，離線檢測切削加工時，切屑剝離，工件塑性變形，刀具與工件之間摩

14、擦以及刀具破損等，都會產生聲發(fā)射。正常切削時，聲發(fā)射信號小而連續(xù)，刀具嚴重磨損后聲發(fā)射信號會增大，而當?shù)毒咂茡p時聲發(fā)射信號會突然增大許多，達到正常切削時的幾倍 鉆頭破損 檢測器圖3-29 聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖交換機床控制器工件折斷工作臺聲發(fā)射傳感器破損信號flash1. 確定切削深度確定切削深度 ap盡可能一次切除全部余量，余量過大時可分 2 次走刀，第一次走刀的切削深度取單邊余量的 2/33/4 。2. 確定進給量確定進給量 f3. 確定切削速度確定切削速度 v根據(jù)規(guī)定的刀具耐用度確定切削速度 v （計算或查表）4. 校驗機床功率校驗機床功率(僅對粗加工僅對粗加工) 310cF vP

15、 310cPvF （3-20）式中 P 機床電機功率KW）； 機床傳動效率； Fc 主切削力N）。由：，可導出：求設計變量：X = x1, x2, , xn T ，使目標函數(shù) f (X)min ，并滿足約束條件：g i (X)0 （i = 1, 2, , m）（3-21）1111000momacwwmPTpmnptttttTDLtvfaCTvfa 1以最大生產率為優(yōu)化目標使工序時間為最短（3-22）1111000mommamcmtwwmPTpmnptCtCtCtCCTDLtvfaCTvfa （3-23）1111000mctmPTpmnpMRRHCtCCTMRRvfaCTvfa2以最小生產成本為

16、優(yōu)化目標使工序成本為最小3以最大利潤為優(yōu)化目標使單位成本金屬去除率最大minmaxminmaxfffvvv（3-24）1機床結構參數(shù)限制2加工表面粗糙度限制0.0321afRr（3-25）式中 Ra 表面粗糙度m）； r 刀尖圓弧半徑mm）。3機床功率的限制FFccccxyFpFCafKvP（3-26）式中各符號含義同前。即函數(shù)求極值的方法。不能考慮約束條件，只適于處理簡單問題。21(,)()max(),0nPPiiP XMfXMgX（3-27）可利用設置懲罰函數(shù)，將約束優(yōu)化問題轉化為無約束優(yōu)化問題處理。懲罰函數(shù)的表達式：式中 Ra 懲罰函數(shù)； r 原目標函數(shù)； Mp 懲罰因子一個很大的數(shù)）；

17、 21max(),0npiiMgX 懲罰項；0()0max(),0()()0iiiigXgXgXgXfv0圖3-30 田川法尋優(yōu)過程示意圖fminfmaxvminvmaxPPmax約束邊界Pop可行域等值線Pcopq 高速加工定義圖3-31 Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應區(qū)0 600 1200 1800 2400 3000青銅鑄鐵鋼硬質合金980高速鋼650碳素工具鋼450Stelite合金8501600 1200800400切削溫度/切削適應區(qū)非鐵金屬圖3-32 高速與超高速切削速度范圍 10 100 1000 10000切削速度Vm/

18、min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金q 高速加工的切削速度范圍q 高速加工的特點q 高速加工的應用專用機床5軸4工序 = 20軸3萬件/月）剛性零件、孔數(shù)、孔徑、孔型固定不變）1234鉆孔 表面倒棱 內側倒棱 鉸孔表面和內側倒棱高速鉆孔高速加工中心1臺1軸1工序3萬件/月）柔性零件、孔數(shù)、孔徑、孔型可變）圖3-33 汽車輪轂螺栓孔高速加工實例日產公司）b高速模具加工的過程圖3-34 兩種模具加工過程比較1硬化毛坯 2粗銑 3半精銑 4精銑 5手工磨修 a傳統(tǒng)模具加工的過程1毛坯 2粗銑 3半精銑 4熱處理 5電火花加工6精銑 7手工磨修 電極制造圖3-35 采用高速加工縮短模具制作周期日產汽

19、車公司）與最終尺寸差值/mm加工時間 100 %1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統(tǒng)加工方法高速切削少量手工精修刀具材料種類 合金 高速鋼 硬質合金 陶瓷 天然 聚晶金剛石 聚晶立方氮工具鋼 W18Cr4V YG6 Si3N4 金剛石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗彎強度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa導熱系數(shù) 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100熱穩(wěn)定性

20、350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化學惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 較高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工質量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工對象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵粗、精加工一般鋼材、鑄鐵粗、精加工高硬度鋼材精加工硬質合金、銅、鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料 表3-3 普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比圖3-36 金剛石左與CBN右原子結構碳原子氮原子硼

21、原子q 天然金剛石q 聚晶金剛石表3-4 聚晶金剛石應用實例加工對象 硬度 加工方式 工藝參數(shù) 加工效果鋁合金 端銑 v=4000m/mim Ra0.8-0.4m共晶硅 HRC71 車削 v=600m/mim 一次刃磨切削行程800km鋁合金 f = 0.1mm/r Ra0.8m，刀具壽命為 硬質合金的50倍共晶硅 HRC71 銑削 v=2900m/mim 刀具壽命為硬質合金的80倍 vf=0.018mm/齒 Ra0.8m玻璃纖維 HRA87 車削 v=500m/mim 刀具壽命為硬質合金的強化塑料 150倍，Ra0.8-0.4m熱塑性醋 銑削 v = 4500m/s 比硬質合金壽命提高380倍酸鹽 vf=10mm/min Ra=0.8m高Si-Al 銑削 v=2200m/mim Ra=0.8m鑄造件 鋁合金 鉆削 v=360m/mim 以鉆代鏜， Ra=0.8mq 聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) q 1970年問世500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 溫度/BN100BN20陶瓷硬質合金圖3-37 PCBN刀具高溫硬度8007507006506