金屬切削過程及其變形規(guī)律

1、金 屬 切 削 原 理 與 刀 具目 錄 3.1 切屑的形成過程 3.2 切削力和切削功率 3.3 切削熱和切削溫度 3.4 刀具磨損和破損 3.5 已加工表面的形成 3.6 小 結(jié)退出第一節(jié) 切屑的形成過程目 錄 3.1.1 切屑形成的力學(xué)模型和變形區(qū)的劃分 3.1.2 第一變形區(qū)的變形及其簡化 3.1.3 第二變形區(qū)的變形 3.1.4 變形程度的表示方法 3.1.5 切屑的類型與折斷 3.1.6 切屑變形的變化規(guī)律返回目錄1. 切屑的形成 金屬切削過程是切削層金屬在刀具的前刀面推擠下，發(fā)生以剪切滑移為主的塑性變形而形成切屑的過程。 3.1.1 切屑形成的力學(xué)模型和變形區(qū)的劃分2. 切屑形成

2、的力學(xué)模型 在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff，在剪切面上也有一個正壓力Fns和剪切力Fs，這兩對力的合力應(yīng)該互相平衡。 3.1.1 切屑形成的力學(xué)模型和變形區(qū)的劃分srocos()FFsDroocos()sin cos()FAFcrocos()FFprosin()FF3.1.1 切屑形成的力學(xué)模型和變形區(qū)的劃分3. 變形區(qū)的劃分A M O 3.1.1 切屑形成的力學(xué)模型和變形區(qū)的劃分1. 第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形3.1.2 第一變形區(qū)的變形及其簡化 A M hD hch 刀具 2. 剪切角的計算 1) 麥錢特(MEMerchant)公式 求微商，并令 ，

3、可求出Fr為最小值時之值。 Drosin cos()AFrd0dFo4223.1.2 第一變形區(qū)的變形及其簡化 2) 李和謝弗(Lee and Shaffer)公式 也稱為切削第一定律，是根據(jù)主應(yīng)力方向與最大切應(yīng)力方向之間的夾角為45的原理來計算剪切角。 o43.1.2 第一變形區(qū)的變形及其簡化 (1) 當(dāng)前角o增大時， 角隨之增大，變形減小?？梢娫诒ＷC切削刃強(qiáng)度的前提下，增大刀具前角對改善切削過程是有利的。 (2) 當(dāng)摩擦角增大時， 角隨之減小，變形增大。因此在低速切削時，采用切削液以減小前刀面上的摩擦系數(shù)是很重要的。o43.1.2 第一變形區(qū)的變形及其簡化 1. 第二變形區(qū)內(nèi)金屬的擠壓變形

4、 3.1.3 第二變形區(qū)的變形2. 前刀面上的摩擦 nfffF AF A3.1.3 第二變形區(qū)的變形1單位切向力分布曲線2正應(yīng)力分布曲線lf刀具切屑接觸區(qū)長度lf1粘結(jié)黏結(jié)區(qū)長度 lf2滑動區(qū)長度 3. 積屑瘤 3.1.3 第二變形區(qū)的變形 切削鋼、球墨鑄鐵、和鋁合金等塑性金屬時，在切削速度不高，而又能形成帶狀切屑的情況下，常常有一些從切屑和工件上來的金屬冷焊(黏結(jié))并層積在前刀面上，形成硬度很高的楔塊，它能夠代替刀面和切削刃進(jìn)行切削，這個楔塊稱為積屑瘤。積屑瘤的硬度可達(dá)工件材料硬度的23.5倍。 vc/(m/s) Hb/mm 3.1.3 第二變形區(qū)的變形 在區(qū)里形成粒狀切屑或節(jié)狀切屑，這時沒

5、有積屑瘤出現(xiàn)。 在區(qū)里形成帶狀切屑。有積屑瘤生成；積屑瘤的高度隨著切削速度的提高而增大，同時積屑瘤前端越來越象像楔子，越來越深入地楔入切削層與工件之間。當(dāng)切削速度增大到區(qū)的右邊界時，積屑瘤的高度達(dá)到最大值。3.1.3 第二變形區(qū)的變形 在區(qū)里，積屑瘤的高度隨著切削速度的提高而減小，而且積屑瘤的頂部越趨于與前刀面平行。當(dāng)v增大到區(qū)右邊界之值時，積屑瘤便消失。 在區(qū)里積屑瘤不再生成，此時切屑底層高度纖維化，纖維的方向幾乎與前刀面平行。這樣的切屑底層稱為滯流層。 vc/(m/s) Hb/mm 積屑瘤對加工的影響有以下幾個方面： (1) 穩(wěn)性的積屑瘤可以代替切削刃和前刀面進(jìn)行切削，從而保護(hù)切削刃和前刀

6、面，減少刀具的磨損； (2) 積屑瘤的存在使刀具在切削時具有更大的實際前角，減小了切屑的變形，切削力下降； (3) 積屑瘤具有一定的高度，其前端伸出切削刃之外，使實際的切削厚度增大； (4) 在切削過程中積屑瘤是不斷的生長和破碎的，所以積屑瘤的高度也在不斷變化，導(dǎo)致了實際切削厚度的地不斷變化，引起局部過切，使零件的表面粗糙度增大。同時部分積屑瘤的碎片會嵌入已加工表面，影響零件表面質(zhì)量； (5) 不穩(wěn)定的積屑瘤不斷地生長、破碎和脫落，積屑瘤脫落時會剝離前刀面上的刀具材料，造成刀具的磨損加劇。3.1.3 第二變形區(qū)的變形 避免積屑瘤產(chǎn)生的常用的方法有： (1) 選擇低速或高速加工，避開容易產(chǎn)生積屑

7、瘤的切削速度區(qū)間。例如，高速鋼刀具采用低速寬刀加工，硬質(zhì)合金刀具采用高速精加工； (2) 采用冷卻性和潤滑性好的切削液，減小刀具前刀面的粗糙度等； (3) 增大刀具前角，減小前刀面上的正壓力； (4) 采用預(yù)先熱處理，適當(dāng)提高工件材料硬度、降低塑性，減小工件材料的加工硬化傾向。 3.1.3 第二變形區(qū)的變形1. 相對滑移 當(dāng)平行四邊形OHNM發(fā)生剪切變形后，變?yōu)槠叫兴倪呅蜲GPM，在切削過程中，這個相對滑移，可以近似地看成是發(fā)生在剪切面NH上。剪切面NH被推移到PG的位置，故有3.1.4 變形程度的表示方法sNPNKKPyMKMKocottan() 可知在刀具的前角一定的情況下，相對滑移僅與剪

8、切角有關(guān)。 2. 變形系數(shù) 切屑厚度hch與切削層厚度hD之比，稱為厚度變形系數(shù) 切削層長度lD與切屑長度lch之比，稱為長度變形系數(shù)3.1.4 變形程度的表示方法DchlllchDhhh 切削層變成切屑后寬度的變化很小，根據(jù)體積不變原理 變形系數(shù)是大于1的數(shù)，它直觀地反映了切屑變形程度，并且比較容易測量。 3.1.4 變形程度的表示方法1h3. 相對滑移與變形系數(shù)的關(guān)系 (1) 變形系數(shù)并不等于相對滑移。 (2) 當(dāng) 1.5時，對于某一固定的前角，相對滑移與變形系數(shù)成正比。 (3) 當(dāng) =1時，即hD=hch，相對滑移并不等于零，因此，切屑還是有變形的。 (4) 當(dāng)o=1530，變形系數(shù)即使

9、具有同一的數(shù)值，倘若前角不相同，相對滑移仍然不相等，前角愈小， 就愈大。 (5) 當(dāng) 1.2時，不能用表示變形程度。原因是：當(dāng)在11.2之間，雖減小，但卻變化不大。 3.1.4 變形程度的表示方法2oo2 sin1cos1. 切屑的基本類型 3.1.5 切屑的類型與折斷 前三種切屑是切削塑性金屬時得到的。最常見到的是帶狀切屑，當(dāng)切削厚度大時得到節(jié)狀切屑，單元切屑比較少見。在形成節(jié)狀切屑的情況下，進(jìn)一步減小前角，或加大切削厚度，就可以得到單元切屑。切屑的形態(tài)是可以隨切削條件而轉(zhuǎn)化的。 2. 切屑的控制 3.1.5 切屑的類型與折斷 1) 切屑的形狀 帶狀屑 C 形屑 崩碎屑 寶塔狀卷屑 長緊卷屑

10、 發(fā)條狀卷屑 螺卷屑 3.1.5 切屑的類型與折斷 2) 卷屑和斷屑3.1.5 切屑的類型與折斷 影響斷屑的因素還有工件材料、刀具角度、切削用量等。 (1) 被切削材料的屈服極限愈小，則彈性恢復(fù)少，愈容易折斷； (2) 被切削材料的彈性模量大時，也容易折斷； (3) 被切削材料塑性愈低，愈容易折斷； (4) 切削厚度hD愈大，則應(yīng)變增大，容易斷屑，而薄切屑則難斷； (5) 背吃刀量ap增加，則斷屑困難增大； (6) 切削速度v提高時，斷屑效果降低； (7) 刀具前角o愈小，切屑變形愈大，容易折斷。 3.1.5 切屑的類型與折斷 3.1.6 切屑變形的變化規(guī)律 1. 工件材料 100 210 3

11、15 420Cr 52069Cr 7T8-1830 92Cr131040CrWSi 1135Cr3MoNi 1240 1360 1450 1518CrNi3 161Cr18Ni9Ti 17T8 18T12 1935CrNi31 6 5 4 3 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 h 300 400 500 600 700 800 900 b/MPa 3.1.6 切屑變形的變化規(guī)律 表3-1 不同材料的摩擦系數(shù)工件材料b/MPaHBShD/mm0.10.140.180.22銅213550.780.760.750.7410鋼36210

12、20.740.730.720.7210Cr4801250.730.720.720.711Cr18Ni9Ti6341700.710.700.680.67 工件材料的強(qiáng)度和硬度增大，變形系數(shù)減小。這是由于工件材料的強(qiáng)度和硬度增大，使前刀面上的法向應(yīng)力av增大，摩擦系數(shù)減小，摩擦系數(shù)減小，摩擦角減小，剪切角增大，所以變形系數(shù)減小。3.1.6 切屑變形的變化規(guī)律 2. 刀具 刀具幾何參數(shù)中影響變形系數(shù)最大的是前角o。實驗結(jié)果表明：(1) 刀具前角o越大，變形系數(shù)越小。0 20 40 60 80 100 120 140 v /(m/min) 6 5 4 3 2 1 h o=0 o=15 o=30 3.1

13、.6 切屑變形的變化規(guī)律 (2) 刀具前角o越大，摩擦系數(shù)越大。1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0 10 20 30 40 50 o/( ) 一方面由于前角o增大，剪切角增大，變形系數(shù)減小，這是前角o對變形的直接影響。 另一方面前角o還通過摩擦角間接的影響變形程度。即前角o增大，作用在前刀面上的法向應(yīng)力av減小，摩擦角增大，剪切角越小，變形增大。但是這種間接影響小于直接影響，所以前角o增大時，變形系數(shù)還是減小。 3.1.6 切屑變形的變化規(guī)律 3.1.6 切屑變形的變化規(guī)律 3. 切削用量1) 切削速度v的影響 ap=2mm ap=4mm ap=12mm 0 40 80 120

14、 160 200 240 280 v /(m/min) 2.4 2.0 1.6 h 無積屑瘤區(qū) 有積屑瘤區(qū) 消退 生長 3.1.6 切屑變形的變化規(guī)律 2) 進(jìn)給量f的影響當(dāng)v比較低時，曲線有駝峰。這是由于積屑瘤的消長和切削溫度的影響導(dǎo)致的。 3.1.6 切屑變形的變化規(guī)律 3) 背吃刀量ap的影響 ap對變形系數(shù)的影響很微小。 ap=2mm ap=4mm ap=12mm 0 40 80 120 160 200 240 280 vc/(m/min) 2.4 2.0 1.6 h 無積屑瘤區(qū) 有積屑瘤區(qū) 消退 生長 第二節(jié) 切削力和切削功率 目 錄 3.2.1 切削力的來源 3.2.2 切削合力、

15、分力及功率 3.2.3 切削力的測量 3.2.4 切削力經(jīng)驗公式的建立 3.2.5 影響切削力的因素返回目錄3.2.1 切削力的來源刀具 塑性抗力 彈性抗力 工件 塑性抗力 切屑 彈性抗力 ap Ff Ff vc 切削力來源于三個方面 (1) 克服被加工材料彈性變形的抗力； (2) 克服被加工材料塑性變形的抗力； (3) 克服切屑對刀具前刀面、工件過渡表面和已加工表面對刀具后刀面的摩擦力。1. 切削合力和分力F可以分解為相互垂直的三個分力，即進(jìn)給力Ff 、背向力Fp和切削力Fc 3.2.2 切削合力、分力及功率Fc F FD Fp Ff vc vf ve 22222cpcDfFFFFFF2.

16、切削功率 單位時間消耗在切削過程中的功稱為切削功率Pc 3.2.2 切削合力、分力及功率3wccc101000fn fPF vF 進(jìn)給運(yùn)動相對于主運(yùn)動消耗的功很少(小于1%2%)，可以忽略不計 3ccc10PF v1. 間接測量法 在沒有專用測力儀器的情況下，可以使用功率表測出機(jī)床電動機(jī)在切削過程中所消耗的功率PE后，按公式 PE 計算出Pc。在切削速度已知的情況下，利用公式 計算出Fc。這種方法只能粗略的估算出切削力的大小。3.2.3 切削力的測量3ccc10PF vccP2. 直接測量法 測力儀是測量切削力的主要儀器，按其工作原理可以分為機(jī)械式、液壓式和電測式。電測式又可分為電阻應(yīng)變式、電

17、磁式、電感式、電容式以及壓電式。目前常用的是電阻式測力儀和壓電式測力儀， 3.2.3 切削力的測量1. 指數(shù)公式 在生產(chǎn)實際中計算切削力的經(jīng)驗公式可以分為兩類：一類是指數(shù)公式；另一類是按單位切削力進(jìn)行計算。3.2.4 切削力經(jīng)驗公式的建立cccccpppppcpcppcfpcFFFFFFFFFfffffxynFFxynFFxynFFFC afvKFC afvKFC afvK2. 利用單位切削力計算 單位切削力是指單位面積上的切削力 。3.2.4 切削力經(jīng)驗公式的建立ccDcpcDDFk Ak a fk h b3. 指數(shù)公式的建立 指數(shù)公式是通過切削實驗建立起來的。實驗方法有單因素法、多因素法等

18、。數(shù)據(jù)處理方法有圖解法、線性回歸法以及計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理法等。下面介紹以單因素實驗為基礎(chǔ)的圖解法。 保持其它其他切削條件不變，只改變背吃刀量ap，用測力儀測出不同ap時的切削分力數(shù)據(jù)，將所得的數(shù)據(jù)畫在說對數(shù)坐標(biāo)紙上， 3.2.4 切削力經(jīng)驗公式的建立3.2.4 切削力經(jīng)驗公式的建立 k=tan Y= kX+b Y (lgFc) b lg1 X (lgap) pccplglglgaFFCxacFpxpacaCF 3.2.4 切削力經(jīng)驗公式的建立同理可得 ccFyfFC fcccFnvFC f綜合各因素對Fc的影響 ccccccpcFFFxynFFFC afvK1. 工件材料 工件材料強(qiáng)度、硬度越

19、高，則s越大，切削力Fc也隨之增大。但是由于強(qiáng)度增高。摩擦系數(shù)降低，摩擦角減小，使得剪切角增大，所以變形系數(shù)h下降，切削力Fc有所減小。綜合上面兩種影響可見，切削力Fc仍然增大，但與強(qiáng)度的增加不成正比。 3.2.5 影響切削力的因素o4 工件材料的強(qiáng)度、硬度相近時，塑性越大的材料，發(fā)生的塑性變形也越大，所以切削力也越大。切削脆性材料時，切削層塑性變形很小，形成的崩碎切屑與前刀面的摩擦力也很小，因此脆性材料的切削力一般小于塑性材料。 同一材料的熱處理狀態(tài)不同、金相組織不同也會影響切削力的大小。3.2.5 影響切削力的因素 切削力的大小不單純受材料的原始強(qiáng)度和硬度影響，它還受到材料加工硬化能力大小

20、的影響。例如：奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度、硬度都較低，但是加工硬化能力大，較小的變形就會引起硬度較大的提高，導(dǎo)致切削力增大。 硫S、鉛Pb元素在鋼中引起結(jié)構(gòu)成分間的應(yīng)力集中，容易形成擠裂切屑，其切削力比正常減小20%30%，故被稱為易切鋼。 3.2.5 影響切削力的因素2. 切削用量ap和f的大小決定切削面積的大小。因此，ap和f的增加均會使Fc增大，但兩者的影響程度不同。ap增大，F(xiàn)c成正比線性增大。f增大，F(xiàn)c成正比非線性增大。3.2.5 影響切削力的因素3.2.5 影響切削力的因素0 30 80 120 160 200 240 280 2.2 1.8 1.4 1.0 Fc(KN) vc(m/mi

21、n) 加工鋼時，切削速度v與切削力Fc的關(guān)系曲線。 加工鑄鐵時，切削速度v與切削力Fc的關(guān)系曲線。 3.2.5 影響切削力的因素0 20 40 60 80 100 120 140 1.6 1.4 1.2 1.0 Fc(kN) vc(m/min) 3. 刀具 前角o對切削力的影響最大。 3.2.5 影響切削力的因素-20-10 0 10 20o 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 F(kN) Fc Ff Fp 3.2.5 影響切削力的因素(a) 刀屑接觸長度 lf (b) b1lf (c) b1lf vc vc vc o o1 o o1 o lf b1 b1 vch

22、vch vch 車刀的負(fù)倒棱是通過其寬度b1與進(jìn)給量f的比值，來影響切削力的。 3.2.5 影響切削力的因素r對Fc的影響不大，對Fp、Ff的影響較大。 24 20 16 12 8 4 0 30 45 60 75 90r F (kN) Fc Fp Ff 30 45 60 75 90r Fc Fp Ff F(kN) (a) 車 45 鋼 (b) 車削灰鑄鐵時 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 3.2.5 影響切削力的因素 當(dāng)r、f、ap一定時，r增大，F(xiàn)c變化不大，但Ff減小，而Fp增大， 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 r(mm) Fc 3.0 2.0

23、 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 Fp Ff F(kN) 3.2.5 影響切削力的因素s對Fc影響不大，而對Fp、Ff影響較大。 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 F(kN) Fc Fp Ff -45 -40 -30 -20 -10 0 10 s 4. 其他因素3.2.5 影響切削力的因素 (1) 刀具材料摩擦系數(shù)越小，切削力越小。各類刀具材料中，摩擦系數(shù)按高速鋼、YG類硬質(zhì)合金、YT類硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石的順序依次減小。 (2) 前刀面磨損使刀具實際前角增大，切削力減小。后刀面磨損，刀具與工件的摩擦增大，切削力增大。前后刀面同時磨損時，切削力先減小，后逐漸增大。F

24、p增加的速度最快，F(xiàn)c增加的速度最慢。 (3) 刀具的前后刀面刃磨質(zhì)量越好，摩擦系數(shù)越小，切削力越小。 (4) 使用潤滑性能好的切削液，能有效減少摩擦，使切削力減小。第三節(jié) 切削熱和切削溫度 目 錄 3.3.1 切削熱的產(chǎn)生和傳出 3.3.2 切削溫度及其分布和測量 3.3.3 影響切削溫度的主要因素返回目錄1. 熱源 切削熱的來源主要有兩個方面，一個是切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦所消耗的摩擦功，這是切削熱的主要來源。另一個是切削層金屬在刀具的作用下發(fā)生彈性變形和塑性變形所消耗的變形功。與此相對應(yīng)，切削熱產(chǎn)生在三個區(qū)域，即剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、工件與后刀面接觸區(qū)。 3.3.1 切

25、削熱的產(chǎn)生和傳出工件 刀具 切屑 2. 切削熱的傳播 切削熱傳散出去的途徑主要是切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)(如空氣、切削液等)，影響熱傳導(dǎo)的主要因素是工件和刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及周圍介質(zhì)的狀況。 切屑與刀具的接觸時間也會影響切削溫度。不同的切削加工方法，切削熱沿不通傳導(dǎo)途徑傳遞出去的比例也各不相同。 3.3.1 切削熱的產(chǎn)生和傳出傳 導(dǎo) 途 徑干 車 削鉆 削切屑50%86%28%工件9%3%52%刀具40%10%15%周圍介質(zhì)1%5%1. 切削溫度的測量 1) 自然熱電偶法 利用刀具和工件材料化學(xué)成分的不同構(gòu)成熱電偶，組成熱電回路測量切削溫度的方法。 回路中形成了溫差電動勢，利用電位計或毫伏

26、表可以將其數(shù)值記錄下來。再根據(jù)事先標(biāo)定的熱電偶熱電勢與溫度的關(guān)系曲線(標(biāo)定曲線)，便可以查出刀具與工件接觸區(qū)的切削溫度值。 用自然熱電偶法測到的切削溫度是切削區(qū)的平均溫度。 3.3.2 切削溫度及其分布和測量3.3.2 切削溫度及其分布和測量3.3.2 切削溫度及其分布和測量0 2 4 6 8 10 12 14 15 18 mV 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 () W18Cr4V 40Cr 38CrMoAlA T10A 5CrNiMo 2) 人工熱電偶法 人工熱電偶法是將兩種預(yù)先經(jīng)過標(biāo)定的金屬絲組成熱電偶，熱電偶的熱端焊接在刀具或工件上預(yù)定要

27、測量溫度的點(diǎn)上，冷端通過導(dǎo)線串接電位計或毫伏表。根據(jù)表上的讀數(shù)值和熱電偶標(biāo)定曲線，可獲得焊接點(diǎn)上的溫度。 應(yīng)用人工熱電偶法，只能測得距前刀面有一定距離處某點(diǎn)的溫度， 3.3.2 切削溫度及其分布和測量3.3.2 切削溫度及其分布和測量2. 切削溫度的分布(溫度場) 溫度場是指工件、切屑和刀具上各點(diǎn)的溫度分布。 3.3.2 切削溫度及其分布和測量工件 hch0.9mm hD0.6mm 刀具 620 670 680 690 730 700 660 740 750 640 3.3.2 切削溫度及其分布和測量 (1) 剪切面上各點(diǎn)的溫度基本一致，由此可以推想剪切面上各點(diǎn)的的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律基本上變化不大；

28、 (2) 前刀面和后刀面上的最高溫度處都在離刀刃有一定距離的地方，這是摩擦熱沿刀面不斷增加的緣故。溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在前刀面上； (3) 在剪切區(qū)域內(nèi)，垂直剪切方向上溫度梯度較大，這是由于剪切滑移的速度很快，熱量來不及傳導(dǎo)出來，從而形成較大的溫度梯度； (4) 垂直前刀面的切屑底層溫度梯度大。這說明前刀面上的摩擦是集中在切屑的底層，因此切削溫度對前刀面的摩擦系數(shù)有較大影響； (5) 后刀面的接觸長度很小，因此溫度的升降是在極短時間內(nèi)完成的，已加工表面受到一次熱沖擊； (6) 工件材料塑性越大，前刀面上的接觸長度越大，切削溫度的分布也就均勻些。工件材料脆性越大，最高溫度所在的點(diǎn)離刀刃越近； (7)

29、工件材料導(dǎo)熱系數(shù)越低，前、后刀面的溫度越高。3.3.2 切削溫度及其分布和測量800 600 400 200 0.2 0.6 1.0 1.5 2.0 1200 1000 800 600 400 200 0.2 0.6 1.0 1.4 車刀 前 刀 面 上 距 刀 刃 距 離 (mm) 后刀面上距刀刃距離 (mm) 后 刀 面 溫 度 () 前刀面溫度 () 1 2 4 3 1 3 2 1. 切削用量 通過實驗得到切削溫度的經(jīng)驗公式。 3.3.3 影響切削溫度的主要因素刀具材料加工方法Cxyz高速鋼車削1401700.350.450.20.30.080.1銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f/

30、(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3zpyxcafvC 通過對比表中數(shù)據(jù)可知xyz，說明切削用量三要素對切削溫度的影響vfap，這與它們對切削力的影響程度正好相反。 3.3.3 影響切削溫度的主要因素刀具材料加工方法Cxyz高速鋼車削1401700.350.450.20.30.080.1銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f/(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3 1) 切削速度v3.3.3 影響切削溫度的主要因素向切屑傳遞熱量切屑流出速度切屑帶走熱量單位時間金屬切除率散熱單位切削功率單位切削力切削力剪切角消耗功率單位時間金屬切

31、除率生熱cv1200 1000 800 600 400 300 () 20 30 40 60 80 100 150 200 vc(m/min) 2) 進(jìn)給量f3.3.3 影響切削溫度的主要因素 1200 1000 800 600 () 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 f(mm/r) 切屑帶走熱量切屑熱容量切屑厚度切削厚度散熱單位切削功率單位切削力消耗功率切削力生熱f 3) 背吃刀量ap3.3.3 影響切削溫度的主要因素1 2 3 4 5 6 ap(mm) 1200 1000 800 600 () 散熱條件改善切削刃參加切削的長度切削寬度散熱消耗功率切削力生熱pa2. 刀具幾何參數(shù) 1)

32、 前角o對切削溫度的影響3.3.3 影響切削溫度的主要因素-10 0 10 20 30o 1000 900 800 700 600 500 () 1 2 3 2) 主偏角r對切削溫度的影響3.3.3 影響切削溫度的主要因素30 45 60 75 90r 1100 1000 900 800 700 600 () vc1.75m/s vc2.25m/s vc1.35m/s 3) 負(fù)倒棱寬度br和刀尖圓弧半徑r對切削溫度的影響 負(fù)倒棱寬度在(02)f范圍內(nèi)變化，刀尖圓弧半徑在01.5mm范圍內(nèi)變化，基本上不會影響切削溫度。 3.3.3 影響切削溫度的主要因素3. 工件材料 1) 工件材料的強(qiáng)度、硬度

33、越高，切削力越大，切削時消耗的功也越多，產(chǎn)生的切削熱也越多，切削溫度也就越高。 3.3.3 影響切削溫度的主要因素 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1000 900 800 700 600 500 400 300 () 調(diào)質(zhì) 正火 淬火 2) 合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度普遍高于45鋼，而導(dǎo)熱系數(shù)又一般均低于45鋼。所以切削合金結(jié)構(gòu)鋼時的切削溫度一般均高于切削45鋼時的切削溫度。3.3.3 影響切削溫度的主要因素45 正火 1000 900 800 700 600 500 400 300 () W18Cr4V 5CrNiMo 38C

34、rMoAlA 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 3) 不銹鋼1Cr18Ni9Ti和高溫合金GH131不但導(dǎo)熱系數(shù)低，而且在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度和硬度。所以切削這種類型的材料時，切削溫度比切削其他材料要高得多。 3.3.3 影響切削溫度的主要因素10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 () GH131 45 鋼(正火) HT2040 1Cr18Ni9Ti 4) 脆性金屬的抗

35、拉強(qiáng)度和延伸率都較小，切削過程中切削區(qū)的塑性變形很小，切屑呈崩碎狀或脆性帶狀，與前刀面的摩擦也很小，所以產(chǎn)生的切削熱較少，切削溫度一般比切削鋼料時低。 3.3.3 影響切削溫度的主要因素10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 () GH131 45 鋼(正火) HT2040 1Cr18Ni9Ti 4. 刀具磨損 刀具磨損后，切削刃變鈍，刃區(qū)前方的擠壓作用增大，使切削區(qū)的金屬的塑性變形增加。同時，磨損后的刀具后角變成零度，使工件與刀具的摩擦加大，兩

36、者均使切削熱的產(chǎn)生增加。所以，刀具磨損是影響切削溫度的重要因素。3.3.3 影響切削溫度的主要因素1100 1000 900 800 700 600 () vc117m/min vc94m/min vc71m/min 0 0.2 0.4 0.6 0.8 VB(mm) 5. 切削液 切削液對降低切削溫度、減少刀具磨損和提高已加工表面質(zhì)量有明顯的效果，在切削加工中應(yīng)用很廣。切削液對切削溫度的影響，與切削液的導(dǎo)熱性能、比熱、流量、澆注方式以及本身的溫度有很大關(guān)系。從導(dǎo)熱性能來看，水基切削液乳化液油類切削液。3.3.3 影響切削溫度的主要因素第四節(jié) 切削熱和切削溫度 目 錄 3.4.1 刀具磨損的形式

37、 3.4.2 刀具磨損的原因 3.4.3 刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 3.4.4 刀具耐用度及其與切削用量的關(guān)系 3.4.5 刀具的破損返回目錄 切削時，刀具的前刀面與切屑、后刀面與工件常常相互擠壓和劇烈摩擦，產(chǎn)生很高的溫度。因此磨損發(fā)生在刀具的前刀面和后刀面上，前刀面磨損形成月牙洼，后刀面磨損形成磨損帶，通常前、后刀面的磨損是同時發(fā)生，相互影響的。 3.4.1 刀具磨損的形式1. 前刀面磨損3.4.1 刀具磨損的形式2. 后刀面磨損3.4.1 刀具磨損的形式3. 邊界磨損3.4.1 刀具磨損的形式3.4.2 刀具磨損的原因 對于一定的刀具材料和工件材料，切削溫度對于刀具磨損具有決定性的影響。切削

38、溫度低時，由工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)的刻劃作用導(dǎo)致的機(jī)械磨損占主導(dǎo)地位。切削溫度高時，由受切削溫度影響較大的熱、化學(xué)磨損占主導(dǎo)地位。 1機(jī)械磨損 2粘結(jié)黏結(jié)磨損 3擴(kuò)散磨損 4熱化學(xué)磨損1. 機(jī)械磨損3.4.2 刀具磨損的原因 是由于工件材料中的雜質(zhì)、基體組織中的硬質(zhì)點(diǎn)(如碳化物、氮化物和氧化物等)以及積屑瘤碎片等，在刀具表面上劃出一條條溝紋造成的磨損。 刀具在各種切削速度下都存在硬質(zhì)點(diǎn)磨損，但它是低速刀具(如拉刀、板牙、絲錐等)磨損的主要原因。一般認(rèn)為，由硬質(zhì)點(diǎn)磨損產(chǎn)生的磨損量與刀具工件相對滑動距離或切削路程成正比。 2. 粘結(jié)磨損3.4.2 刀具磨損的原因 黏結(jié)是在摩擦面的實際接觸面積上，在足夠大

39、的壓力和高溫作用下，刀具和工件材料接觸到原子間距離時發(fā)生結(jié)合的冷焊現(xiàn)象。兩摩擦表面的黏結(jié)點(diǎn)因相對運(yùn)動將發(fā)生撕裂而被對方帶走，如果黏結(jié)處的破裂發(fā)生在刀具這一方，就會造成刀具的損耗，這就是刀具的黏結(jié)磨損。 黏結(jié)磨損程度取決于切削溫度、刀具和工件材料的親和力、刀具和工件材料硬度比、刀具表面形狀與組織和工藝系統(tǒng)剛度等因素。 3.4.2 刀具磨損的原因 切削溫度是影響?zhàn)そY(jié)磨損的主要因素 K0 1.0 0.75 0.50 0.25 0 500 700 900 () K0 1.0 0.75 0.50 0.25 0 500 700 900 () K0 1.0 0.75 0.50 0.25 0 500 700

40、900 () K0 1.0 0.75 0.50 0.25 0 500 700 900 () (a) (b) (c) (d) 1 2 3 1 2 3 4 5 6 4 5 6 (a) 加工純鐵 1剛玉(氧化鋁) 2立方氮化硼 3金剛石(b) 加工鈦 1剛玉(氧化鋁) 2立方氮化硼 3金剛石(c) YT15加工 412Cr18Ni9Ti 5鈦 6純鐵(d) YG8加工 412Cr18Ni9Ti 5鈦 6純鐵3. 擴(kuò)散磨損3.4.2 刀具磨損的原因 當(dāng)?shù)毒吲c工件材料的化學(xué)元素濃度相差較大時，它們就會在固態(tài)下互相擴(kuò)散到對方中去，引起摩擦面兩側(cè)刀具和工件材料化學(xué)成分的改變，使刀具材料性能下降，從而造成刀具

41、磨損，這種磨損稱為擴(kuò)散磨損。 擴(kuò)散磨損是中高速切削時，硬質(zhì)合金刀具磨損的主要原因，它往往和黏結(jié)磨損同時發(fā)生。 擴(kuò)散磨損的速度主要與切削溫度、工件和刀具材料的化學(xué)成分等因素有關(guān)。還和切屑底層在刀具表面上的流動速度有關(guān)。 4. 化學(xué)磨損3.4.2 刀具磨損的原因 切削時在一定溫度下，刀具與周圍介質(zhì)的某些成分(如空氣中的氧、切削液中的極壓添加劑硫、氯等)起化學(xué)作用，在刀具表面形成一層硬度較低的化合物，而被切屑帶走，加速了刀具的磨損，或者因為刀具材料被某種介質(zhì)腐蝕，造成刀具損耗，這些被稱為化學(xué)磨損。 5. 熱電磨損3.4.2 刀具磨損的原因 在切削區(qū)的高溫作用下，刀具與工件材料形成熱電偶，產(chǎn)生熱電動勢

42、，形成流過刀具工件、刀具切屑的熱電流，從而促進(jìn)化學(xué)元素的擴(kuò)散,加速刀具的磨損，這種在熱電勢的作用下產(chǎn)生的擴(kuò)散磨損稱為熱電磨損。1. 磨損過程3.4.3 刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 1) 初期磨損階段 該階段磨損曲線的斜率較大，這意味著刀具磨損很快。 0 40 80 120 160 200 切削時間 t(min) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 初期磨損 正常磨損 急劇磨損 VB(mm) 3.4.3 刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 2) 正常磨損階段 經(jīng)過初期磨損后，刀具的后刀面上被磨出一條狹窄的棱面，壓強(qiáng)減小。同時刀具的表面已經(jīng)被磨平，磨損量的增加減緩并穩(wěn)定下來，刀具進(jìn)入正常磨損階段。 0 40 80

43、 120 160 200 切削時間 t(min) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 初期磨損 正常磨損 急劇磨損 VB(mm) 3.4.3 刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 3) 急劇磨損階段 刀具經(jīng)過正常磨損階段后，切削刃明顯變鈍，引起切削力、切削溫度迅速增大。這時進(jìn)入急劇磨損階段，這一階段磨損曲線斜率很大，表現(xiàn)為刀具磨損速度很快。 0 40 80 120 160 200 切削時間 t(min) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 初期磨損 正常磨損 急劇磨損 VB(mm) 2. 磨鈍標(biāo)準(zhǔn)3.4.3 刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)加工情況規(guī)定一個最大的允許磨損量，這就是刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。表3-10 硬質(zhì)

44、合金車刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)加 工 條 件后刀面的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB/mm精車0.10.3合金鋼粗車，粗車剛性較差的工件0.40.5碳素鋼粗車0.60.8鑄鐵件粗車0.81.2鋼及鑄鐵件大件低速粗車1.01.51. 刀具耐用度3.4.4 刀具耐用度及其與切削用量的關(guān)系 1) 刀具耐用度的定義 刃磨后的刀具從開始使用，直至磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止時的純切削時間(不包括對刀、測量、快進(jìn)、回程等非切削時間)稱為刀具耐用度，用T來表示。 2) 刀具耐用度與刀具壽命的關(guān)系 刀具壽命是指一把新刀具從投入使用直到報廢為止的總的切削時間，其中包括多次重磨，因此刀具的壽命等于刀具耐用度與重磨次數(shù)的乘積。2. 刀具耐用度方程3.4

45、.4 刀具耐用度及其與切削用量的關(guān)系 提高切削速度，刀具的耐用度就會降低，其關(guān)系可以在實驗中采用單因素法(其他切削條件不變，只改變切削速度)獲得。 T1 T2 T3 T4 tm(min) vc1 vc2 vc3 vc4 VB(mm) vc1 vc2 vc3vc4 3.4.4 刀具耐用度及其與切削用量的關(guān)系T1 T2 T3 T4 T(min) vc(m/min) vc1 vc2 vc3 vc4 0lglglgCTmvcvTm=C0 3.4.4 刀具耐用度及其與切削用量的關(guān)系 需要注意的是，上式在下面的情況下不再適用： (1) 該式是以刀具的正常磨損為基礎(chǔ)得到的，對于脆性大的刀具材料，在斷續(xù)切削情

46、況下的刀具破損，該式不再適用； (2) 在較寬的切削速度范圍內(nèi)進(jìn)行實驗時，由于積屑瘤的影響，vT關(guān)系不再是一個單調(diào)函數(shù)，而是形成駝峰型曲線，對應(yīng)曲線的上升部分，該式不再適用。 T(min) 80 60 40 20 0 20 60 100 140 180 220 vc(m/min) 3.4.4 刀具耐用度及其與切削用量的關(guān)系 2) 進(jìn)給量和背吃刀量與刀具耐用度的關(guān)系 切削用量三要素與刀具耐用度的一般關(guān)系式 在切削用量三要素中，切削速度v對刀具耐用度的影響最大，其次為進(jìn)給量f，背吃刀量ap的影響最小，這與三者對切削溫度的影響順序是一致的。 12111cpTmmmCTvfacpTxyzCTvf a3

47、.4.5 刀具的破損 在切削加工中，刀具時常會不經(jīng)過正常的磨損，就在很短的時間內(nèi)突然損壞以致失效，這種損壞類型稱為破損。 破損也是刀具損壞的主要形式之一，多數(shù)發(fā)生在使用脆性較大的刀具材料進(jìn)行斷續(xù)切削或者加工高硬度材料的情況下。 刀具的破損按性質(zhì)可以分成塑性破損和脆性破損，按時間先后可以分成早期破損和后期破損。 第五節(jié) 切削熱和切削溫度 目 錄 3.5.1 已加工表面的形成過程 3.5.2 已加工表面的質(zhì)量指標(biāo) 3.5.3 已加工表面的粗糙度及其控制 3.5.4 加工硬化 3.5.5 殘余應(yīng)力返回目錄1. 已加工表面形成過程3.5.1 已加工表面的形成過程2. 刃前區(qū)應(yīng)力分布3.5.1 已加工表

48、面的形成過程O av s 0 0.2 0.4 av，s(GPa) 3.5.2 已加工表面的質(zhì)量指標(biāo)1. 幾何方面的質(zhì)量 幾何方面的質(zhì)量是指工件最外層表面與周圍環(huán)境之間界面的幾何形狀，通常以表面粗糙度表示。2. 表面材質(zhì) 影響表面材質(zhì)的主要是加工變質(zhì)層。 已加工表面質(zhì)量可以用下面四項內(nèi)容表示： (1) 表面粗糙度； (2) 表面層的加工硬化程度和硬化層深度； (3) 表面層以及一定深度層的殘余應(yīng)力大小及分布； (4) 表面層金相組織的變化情況。 其產(chǎn)生的原因可以歸納為兩個方面。 (1) 幾何因素產(chǎn)生的粗糙度，也稱為理論粗糙度，由切削運(yùn)動和刀具的幾何形狀產(chǎn)生，主要取決于殘留面積的高度。 (2) 切

49、削過程中不穩(wěn)定因素所產(chǎn)生的粗糙度，包括積屑瘤、鱗刺、切削變形、刀具的邊界磨損、切削刃與工件相對位置變動等。 3.5.3 已加工表面的粗糙度及其控制1. 殘留面積產(chǎn)生的粗糙度 切削時，由于刀具與工件相對運(yùn)動以及刀具幾何形狀的關(guān)系，有一小部分金屬未被切削下來，殘留在已加工表面上，稱為殘留面積，其高度直接影響到已加工表面的橫向粗糙度。 3.5.3 已加工表面的粗糙度及其控制2. 切削過程中的不穩(wěn)定因素產(chǎn)生的粗糙度 1) 積屑瘤 2) 鱗刺 3) 切削過程中的變形 4) 刀具的邊界磨損 5) 切削刃與工件相對位置變動 6) 切屑劃傷、拉毛3.5.3 已加工表面的粗糙度及其控制 經(jīng)過切削后的表面，其硬度

50、往往是基體硬度的120%200%，即表面發(fā)生了硬化，硬化層的深度從幾個微米到幾百個微米，這種不經(jīng)過熱處理而由切削過程造成的硬化現(xiàn)象稱為加工硬化或冷作硬化。 這種表面層的硬化可以使零件的耐磨性提高，但是也增加了后續(xù)加工的難度和刀具磨損。 3.5.4 加工硬化1. 加工硬化產(chǎn)生的原因 由于在切削過程中，部分切削層的金屬在刀具擠壓和摩擦下，發(fā)生了強(qiáng)烈的變形形成了已加工表面。因此已加工表面的金屬晶格發(fā)生了扭曲，晶粒被拉長、破碎，阻礙了金屬進(jìn)一步變形而使金屬強(qiáng)化，硬度顯著提高。此外已加工表面還受到切削溫度的影響，切削溫度低于相變點(diǎn)時，金屬弱化，硬度降低。切削溫度高于相變點(diǎn)時則引起相變。所以，已加工表面的

51、硬度是這些強(qiáng)化、弱化和相變綜合作用的結(jié)果。 3.5.4 加工硬化2. 加工硬化的表示方法 1) 硬化程度 硬化程度是指已加工表面的顯微硬度增加值，對原始顯微硬度的百分比。 也可以用加工前、后的硬度值之比表示。 3.5.4 加工硬化00100HHN%H0100HN%H 2) 硬化層深度 硬化層深度是指已加工表面至未硬化處的垂直距離hd，單位為m。3.5.4 加工硬化表3-12 鋼件表面的硬化深度hd和硬化程度N 加 工 方 法平均硬化深度hdm平均硬化程度N/(%)高速車削3050120150精車2060140180鉆孔180200160170拉削2075150200滾(插)齒120150160

52、200外圓磨削(未淬火)3060140160研磨371101173. 影響加工硬化的因素 1) 工件材料 工件材料的硬度越低、塑性越大、熔點(diǎn)越高、強(qiáng)化就會越嚴(yán)重。就結(jié)構(gòu)鋼而言，含C量少、塑性變形大，硬化嚴(yán)重。高錳鋼強(qiáng)化指數(shù)大，硬化程度可達(dá)200%以上。有色金屬熔點(diǎn)低，容易弱化，所以硬化情況比結(jié)構(gòu)鋼小很多。3.5.4 加工硬化 2) 刀具幾何參數(shù)與磨損 (1) 前角o越大，金屬的塑性變形越小，hd越小 。3.5.4 加工硬化hd(m) -5 0 5 10 15 o 500 400 300 200 100 (2) 后角o越大，hd越小。 (3) 切削刃鈍圓半徑rn越大，擠壓與摩擦越嚴(yán)重，hd越大。

53、3.5.4 加工硬化H(GPa) 10 50 100 150 200 rn(m) 5.49 4.71 3.92 3.14 2.35 1.57 f0.76mm/r f0.5mm/r f0.25mm/r f0.12mm/r (4) 刀具磨損量VB越大，后刀面與已加工表面的摩擦越大，hd越大。3.5.4 加工硬化 hd(m) 500 400 300 200 100 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 VB(mm) 3) 切削用量與切削液 (1) 切削速度v對加工硬化的影響是多方面的，通常認(rèn)為，v越高硬化程度越小，但是增加到一定值后，硬化深度又增大。 3.5.4 加工硬化 hd(m

54、) 140 120 100 80 車削 銑削 5 30 60 90 120 150 180 210 240 270 vc(m/min) (2) 進(jìn)給量f的增加，將使硬化深度增加；3.5.4 加工硬化 hd(m) 110 100 90 80 70 60 45 鋼 2Cr13 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 fz(mm/z) (3) 背吃刀量ap的增加對硬化程度無顯著影響； (4) 使用切削液，能減輕加工硬化，切削冷卻、液潤滑效果越好，硬化情況越輕。 3.5.4 加工硬化 hd(m) 110 100 90 80 70 60 45 鋼 2Cr13 0 0.5 1.0

55、1.5 2.0 2.5 3.0 ap(mm) 當(dāng)切削力的作用取消后，工件表面保持平衡而存在的應(yīng)力稱殘余應(yīng)力。 殘余應(yīng)力有壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之分，壓應(yīng)力有時能提高零件的疲勞強(qiáng)度，但拉應(yīng)力則會產(chǎn)生裂紋，使疲勞強(qiáng)度下降。 應(yīng)力分布不均勻會使零件產(chǎn)生變形，從而影響零件精度，對精密零件的正常工作極為不利。 3.5.5 殘余應(yīng)力1. 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 1) 塑性變形引起的應(yīng)力 金屬經(jīng)塑性變形后體積將脹大，由于受到里層未變形金屬的牽制，故表層呈殘余壓應(yīng)力，里層呈殘余拉應(yīng)力。 2) 切削溫度引起的熱應(yīng)力 切削時，不均勻的溫度分布，使表層金屬產(chǎn)生熱應(yīng)力。超過材料屈服極限時，使表層金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形。切削后冷卻至

56、室溫，表層金屬體積的收縮又受到里層金屬的牽制，故而表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。 3.5.5 殘余應(yīng)力 3) 相變引起體積應(yīng)力 切削時，若表層溫度高于相變溫度，則表層組織可能發(fā)生相變。由于各種金相組織的體積不同，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 3.5.5 殘余應(yīng)力2. 影響因素及控制措施 1) 工件材料 塑性大的材料，通常會產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，塑性越大，拉應(yīng)力越大。3.5.5 殘余應(yīng)力 殘余應(yīng)力 v(GPa) 0 50 100 150 200 距表面深度(m) 0.10 0 -0.10 -0.20 -0.30 2) 刀具 (1) 前角o 當(dāng)o由正值變?yōu)樨?fù)值時，表層殘余應(yīng)力逐漸減小，但距表層深度加大。 3.5.5 殘余應(yīng)力 殘余應(yīng)力 v(GPa) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.98 0.78 0.59 0.39 0.20 0 -0.20 -0.39 -0.59 距表面深度(m) o15 o-15 o-30 采用絕對值較大的負(fù)前角時，會使已加工表面呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。 3.5.5 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 v(GPa) 0 10 20 30 40 50 60 70 o-6 0.98 0.59 0.20 0 -0.29 -0.59 距表面深度(m) o-27 (2) 后刀面磨損量VB。 VB值增加，殘余應(yīng)力值加大，深度也加大。