先進加工技術(shù)-第二章+先進切削技術(shù)-1、切削原理

1、《先進加工技術(shù)》,第二章 先進切削技術(shù),2.1 切削機理2.2 先進切削,第二章 先進切削技術(shù),2.1 切削機理2.1.1 切削變形2.1.2 切削力2.1.3 切削熱和切削溫度2.1.4 刀具的磨損和耐用度,2.1.1 切削變形,切削過程的基本屬性力學屬性：壓力、摩擦、磨損→變形幾何屬性：刀具、路徑→表面、切屑,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū),,第二變形區(qū),,第一變形區(qū),,第三變形區(qū),側(cè)面網(wǎng)格法取得的切屑根部試樣,2

2、.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅰ變形區(qū)：切削層金屬的剪切滑移區(qū)。 是切削力和切削熱的主要來源。第Ⅱ變形區(qū)：前刀面處切屑底層滑移區(qū)。 引起前刀面磨損和積屑瘤。第Ⅲ變形區(qū)：后刀面熨壓變形區(qū)。 引起后刀面磨損、加工硬化、殘余應(yīng)力。,2.1.1 切削變形,

3、切削變形區(qū)第Ⅰ變形區(qū)的變形,,,,?,OM-剪切面,剪切角,工件,切屑,,O,M,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形切屑類型由于工件材料不同，切削條件各異，切削過程中生成的切屑形狀是多種多樣的。切屑的形狀主要分為帶狀、擠裂、單元和崩碎四種類型。,(a)帶狀切屑 (b)擠裂切屑 (c)單元切屑 (d)崩碎切屑,2.1.1

4、 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形切屑類型帶狀切屑 這是最常見的一種切屑。它的內(nèi)表面是光滑的，外表面呈毛茸狀。加工塑性金屬時，在切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大的工況條件下常形成此類切屑。擠裂切屑 它的外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時有裂紋。在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時易于產(chǎn)生此類切屑。,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形切屑類型節(jié)狀切屑 又稱單元切屑。在切屑形成過程中，如剪切

5、面上的剪切應(yīng)力超過了材料的斷裂強度，切屑單元從被切材料上脫落，形成粒狀切屑。崩碎切屑 切削脆性金屬時，由于材料塑性很小、抗拉強度較低，刀具切入后，切削層金屬在刀具前刀面的作用下，未經(jīng)明顯的塑性變形就在拉應(yīng)力作用下脆斷，形成形狀不規(guī)則的崩碎切屑。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到這類切屑。,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形切屑類型,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形切屑控制(1)采用斷屑槽

6、 通過設(shè)置斷屑槽對流動中的切屑施加一定的約束力，使切屑應(yīng)變增大，切屑卷曲半徑減小。(2)改變刀具角度 增大刀具主偏角Kr，切削厚度變大,有利于斷屑;減小刀具前角可使切屑變形加大，切屑易于折斷;刃傾角λs可以控制切屑的流向。(3)調(diào)整切削用量 提高進給量f使切削厚度增大，對斷屑有利；但增大f會增大加工表面粗糙度；適當?shù)亟档颓邢魉俣仁骨邢髯冃卧龃?，也有利于斷屑，但這會降低材料切除效率。須根據(jù)實際條件適當選擇切削用量。,2.1.1 切削變

7、形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形切屑變形度量（幾何方法求變形）,,,,,,,ac,,,,,,,,,lc,a0,l0,?? ? 切屑變形? ? 與切削用量(切深、切寬、切速)、工件材料、刀具角度等因素有關(guān)。,l 0 ? 切削層長度，lC ?切屑長度；a 0 ? 切削層厚度，aC ?切屑厚度。,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形剪切角：? 相對滑移：?,,,,,,,,,,,,,,,,?0,,,,a0,

8、,,ac,,,,?,?s,?y,切削層,刀具,工件,,剪切面,切屑,?0 ? 前角，?s ? 滑移量，?y ?滑移層? ? ? 切屑變形?,,,,,,,,,a0,,?,,刀具,切削層,工件,? ? ? 切屑變形?,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形剪切角：? 相對滑移：?,?0 ? 前角，?s ? 滑移量，?y ?滑移層? ? ? 切屑變形?,? ? ? 切屑變形?,,,,,,a0,,?,,刀具,工件

9、,切削層,,,,,,,,,,,,,,,,?0,,,,a0,,,ac,,,,?,?s,?y,切削層,刀具,工件,,剪切面,切屑,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形剪切角理論公式（力學方法求變形）最小切削功率法（Merchant ? 角公式）切削功率：Pm=FzV假設(shè)：Fr和Fr?共線。,時，,切屑,刀具,工件,? ?剪切角， ?0 ? 前角，? ?摩擦角aw ? 切削寬度，? ? 剪切面剪應(yīng)力，,,2.1.1

10、切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形剪切角理論公式（力學方法求變形）滑移線場理論法（Lee and Shaffer）切削合力與剪切面夾角為45?，即,兩種Φ角公式與試驗結(jié)果比較,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)——第Ⅰ變形區(qū)的變形切屑變形的影響因素 工件材料：強度、與刀面之間的摩擦系數(shù)。 切削用量：切削速度、進給量、切削深度。 刀具角度：主要是前角影響大。,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅱ變形區(qū)（前刀面）的摩擦

11、前刀面摩擦力,摩擦系數(shù)分布：,滑動區(qū)(?為常數(shù)),粘結(jié)區(qū)(?為變量),2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅱ變形區(qū)（前刀面）的摩擦前刀面摩擦力,,第二變形區(qū),,第一變形區(qū),,第三變形區(qū),2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅱ變形區(qū)（前刀面）的摩擦力,前刀面滑動區(qū),前刀面粘結(jié)區(qū)(?=?s),應(yīng)力分布不均?摩擦系數(shù)不均,平均摩擦系數(shù)：,切削速度對平均摩擦系數(shù)的影響,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅱ變形區(qū)（前刀面）的摩擦,,主后刀面,

12、副后刀面,,前刀面,,,前刀面磨損（月牙洼形）,切屑與前刀面摩擦導(dǎo)致前刀面磨損,刀尖,,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅱ變形區(qū)（前刀面）的摩擦——積屑瘤,積屑瘤使工作前角增大,,,,h,,切屑,刀具,已加工表面,積屑瘤硬度大于工件基體硬度,特大孔浮動鉸刀桿 浮動刀片,炮體藥室特大孔精鉸后的表面溝痕（積屑瘤劃傷表面）,振動鉸削縮比試驗系統(tǒng),,振動鉸削的斷續(xù)切削過程不產(chǎn)生積屑瘤,普通鉸

13、孔表面溝痕,振動鉸孔表面,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅱ變形區(qū)（前刀面）的摩擦——積屑瘤積屑瘤的產(chǎn)生中等切削速度易產(chǎn)生 積屑瘤的作用： 穩(wěn)定的積屑瘤保護刀刃。 不穩(wěn)定的積屑瘤損壞刀具。 積屑瘤增大表面粗糙度。 結(jié)論： 粗加工允許生成穩(wěn)定的積屑瘤。 精加工盡量避免積屑瘤。,,,,V,h(積屑瘤高度),2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)（后刀面）的變形,,,,,,,,,,,V,,,,,,,,,,

14、,,,,,,,a0,?a0,ac,Ⅰ,Ⅲ,Ⅱ,?,?,?,?h,hy,硬化層,表面回彈,已加工表面,,刃口接觸區(qū),后刀面接觸區(qū),前刀面接觸區(qū),前刀面,后刀面,刀具,,rn,O,,,,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)（后刀面）的變形,已加工表面層形貌與組織,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)（后刀面）的變形,鱗刺產(chǎn)生過程,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)（后刀面）的變形——表面粗糙度（進給方向）理論粗糙

15、度：實際粗糙度受切削變形（側(cè)向隆起）、積屑瘤、鱗刺、刀具磨損、機床精度等因素影響，實際粗糙度值大于理論粗糙度值。,f,Rmax,r?,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)（后刀面）的變形——表面粗糙度,粗糙度測量 表面微觀相貌,,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)（后刀面）的變形——加工硬化硬化程度表示：硬化層深度hy。硬化程度N=(H

16、-H0)/H0×100％ H－表面硬度；H0－基體硬度。硬化程度影響因素：工件材料性質(zhì)、刀具鋒利性、第Ⅲ變形區(qū)變形量、金相組織變化等。,,,,H,h,,,,,hy,H0,2.1.1 切削變形,切削變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)（后刀面）的變形——加工硬化,軟材習慣用HB度量普通材習慣用HRC度量超硬材習慣用HV度量模具硬度習慣用HS度量高強鋼習慣用強度?度量,壓痕直徑或深度按一定的公式計算,,2.1.1 切削變

17、形,切削變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)（后刀面）的變形——殘余應(yīng)力（表面內(nèi)應(yīng)力）分類：殘余拉應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力。 產(chǎn)生原因：熱塑變形：表層熱塑變形冷卻后?殘余拉應(yīng)力彈性變形：里層彈性變形恢復(fù)后?相反的應(yīng)力表層相變：高溫奧氏體冷卻為馬氏體，表面體積加大?殘余壓應(yīng)力。影響因素：切削溫度、切削力、裝夾力等。去除方法：熱時效、振動時效、自然時效,2.1.1 切削變形,難加工材料切削過程的特點（1）鈦合金鋸齒狀切屑表面回彈很大加工硬化嚴重

18、（2）高溫合金切削力、切削熱更大表面殘余應(yīng)力不易消除加工硬化非常嚴重,,,,,回彈量,,剪切面,,剪切面,2.1.2 切削力,切削力的測量,三維切削時切削合力：,2.1.2 切削力,切削力的測量,應(yīng)變片,應(yīng)變電橋,八角環(huán)車削測力儀,2.1.2 切削力,切削力的測量,壓電車削測力儀,,壓電測力儀構(gòu)造,壓電測力儀實測的三向切削力,2.1.2 切削力,切削力的尺寸效應(yīng),,,切削合力:,,,,,刃口合力,2.1.2 切削力,切削功率的尺

19、寸效應(yīng)單位體積的切削功率－－單位切削功Ps,,a0? ? Ps? ? 尺寸效應(yīng)因此，a0大省功。,2.1.2 切削力,切削力的理論公式,a0????；aw???不變。所以較大a0有利于降低單位面積切削力。,切削面積zw=a0aw,2.1.2 切削力,切削力的經(jīng)驗公式通過切削測力儀測出不同a0和aw下的Fz ，再通過對數(shù)坐標法求出指數(shù)x和y，從而得出經(jīng)驗公式：因此，同樣切削斷面積下，較大a0有利。,2.1.2 切削力,切削

20、力的有限元計算,切削力、切削變形有限元計算,2.1.2 切削力,切削力的影響因素：工件材料切削用量刀具幾何參數(shù)刀具狀態(tài)：可用切削力監(jiān)測刀具狀態(tài)（測刀具磨損、破損）。,2.1.3 切削熱和切削溫度,切削熱來源于切削變形區(qū)的內(nèi)外摩擦所產(chǎn)生的熱量。切削熱的擴散方式主要是熱傳導(dǎo)。切削熱主要傳播途徑： 車削時主要傳給切屑（50－86％）； 鉆削時主要傳給工件（50％左右）； 磨削時主要傳給工件（80％以上）,2.1.3

21、切削熱和切削溫度,切削溫度切削溫度通常是指切削區(qū)的平均溫度。溫度中心是切削區(qū)的溫度最高點，在前刀面。,2.1.3 切削熱和切削溫度,切削溫度切削溫度的經(jīng)驗公式：溫度切削溫度測量：人工熱電偶?兩種不同材料金屬絲?某點溫度自然熱電偶?刀具和工件組成電極?平均溫度,金屬絲A金屬絲B,工件刀具,人工熱電偶,自然熱電偶,,2.1.4 刀具的磨損和耐用度,,,,,,VB,,主后刀面,副后刀面,,刀具磨損形態(tài),2.1.4 刀具的磨損和

22、耐用度,刀具磨損機理磨料磨損：摩擦副上硬質(zhì)點擦傷刀具表面。取決于硬質(zhì)點的多少，與切削速度無關(guān)。粘結(jié)磨損：摩擦副新鮮表面粘結(jié)冷焊與脫落。取決于刀屑親和力，中速切削易發(fā)生。擴散磨損：摩擦副高溫下原子相互擴散，強度下降。切削溫度越高擴散越快，高速切削易發(fā)生。氧化磨損：高溫下刀具產(chǎn)生較軟的氧化膜，被帶走。取決于高溫氧化速度，高速切削易發(fā)生。,2.1.4 刀具的磨損和耐用度,刀具磨損機理,,V0,2.1.4 刀具的磨損和耐用度,刀具的磨鈍

23、標準（1）磨損過程： 初期磨損 正常磨損 劇烈磨損（2）磨鈍標準 經(jīng)驗觀察：切屑顏色和形狀、聲音、振動、讓刀等。 間接測量：切削力、切削溫度、切削振動等。 直接測量：后刀面切向磨損帶VB，徑向磨損長度NB。,,,,,,,,,,,,,VB,T,,,,,磨鈍標準,初期,正常,劇烈,VB,t,2.1.4 刀具的磨損和耐用度,刀具耐用度：新刀從開始切削到磨鈍標準的時間——T刀具耐用度的泰勒公式（車削）：切削速度V－主

24、要反映切削溫度對刀具磨損的影響，為主。進給量f、切削深度ap－主要反應(yīng)切削力對刀具磨損的影響。對刀具耐用度的影響程度：V>f>ap粗加工－生產(chǎn)率重要：選T?盡可能大ap ?f?算V精加工－精度重要：按粗糙度選f 、ap? 算V,2.1.4 刀具的磨損和耐用度,最佳的切削速度和溫度切削路程：lm=V TV0－為最長切削路程速度。VTmax－為最長刀具耐用度速度。 VTmax< V0V0時相對磨損VBr（

25、單位lm的磨損量）最小。 最佳切削溫度?0 ：V0所對應(yīng)的切削溫度, 實質(zhì)上是粘結(jié)磨損向擴散磨損轉(zhuǎn)化的溫度。,,最佳切削溫度,,,,,最佳切削速度,最佳切削速度時相對磨損最小，最小相對磨損量與進給量有關(guān)，最佳切削速度與進給量有關(guān)。,最佳切削速度時切削路程最長，最長切削路程與進給量有關(guān)。,最佳切削速度時切削溫度相等，最佳切削溫度與進給量無關(guān)。,2.1.4 刀具的磨損和耐用度,切削液（1）作用 冷卻作用：使V0和T提高。