金属切削原理和刀具教学下载省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

金属切削原理与刀具教学课件下金属切削原理与刀具教学课件下载载-样章样章.ppt第三章金属切削基本理论第三章金属切削基本理论切削变形切削变形切削力切削力切削温度切削温度刀具磨损与刀具耐用度刀具磨损与刀具耐用度第1页3-1 切削变形切削变形一、切屑基本形态一、切屑基本形态 1 1、带状切屑、带状切屑 2 2、节状切屑、节状切屑 3 3、粒状切屑、粒状切屑 4 4、崩碎切屑、崩碎切屑 第2页二、切屑于已加工二、切屑于已加工 表面形成表面形成 第3页切削变形过程示意图切削变形过程示意图工工 件件刀 具第4页金属切削过程大致划分出三个变区金属切削过程大致划分出三个变区 第第一一变变形形区区 第5页第6页 第二变形区摩擦特征第二变形区摩擦特征塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。这是因为受前面挤压和摩擦深入加剧变形，在靠近前面处形成第二变形区即摩擦区摩擦区。摩摩擦擦区区特特征征：使切屑底层靠近前面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上（实质上就是滞留层）；切屑弯曲，有摩擦而产生热量使切屑与刀具接触面温度升高等。滞滞留留层层特特点点：滞留层变形程度要比上层猛烈，约几倍到几十倍，厚度普通约占切屑厚度1/81/9。第7页积屑瘤或刀瘤 在切削速度不高而又能形成连续性在切削速度不高而又能形成连续性切屑情况下，加工普通钢料或其它切屑情况下，加工普通钢料或其它塑性材料时，经常在刀具前面处粘塑性材料时，经常在刀具前面处粘着一块剖面常呈三角状硬块。它硬着一块剖面常呈三角状硬块。它硬度很高，通常是工件材料度很高，通常是工件材料2 23 3倍，倍，在处于比较稳定状态时，能够代替在处于比较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。刀刃进行切削。第8页积屑瘤或刀瘤大小和形状第9页第三变形区第三变形区第三变形区与加工表面形成关系更为亲密。第三变形区与加工表面形成关系更为亲密。在第三变形区里，后刀面施加法向力在第三变形区里，后刀面施加法向力F FNN和摩接力和摩接力F F 于于工件。法向力工件。法向力F FNN使工件产生径向塑性变形和弹性变形。摩使工件产生径向塑性变形和弹性变形。摩擦力擦力F F 使加工表面产生切向塑性变形和弹性变形。使加工表面产生切向塑性变形和弹性变形。残余应力残余应力：因为受到工艺过程影响，在没有外力作用情况：因为受到工艺过程影响，在没有外力作用情况下，在零件内部所残余应力。因为外力为零，所以零件内下，在零件内部所残余应力。因为外力为零，所以零件内各部分残余应力，必须彼此保持平衡。各部分残余应力，必须彼此保持平衡。工件表层加工硬化成因工件表层加工硬化成因是表层金属在形成已加工表面过程是表层金属在形成已加工表面过程中经受强烈塑性变形。中经受强烈塑性变形。第10页3-2 切削力切削力一、切削力起源一、切削力起源切削力起源有两方面：一是切削层金属、切屑和切削力起源有两方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属弹性变形、塑性变形所产生抗工件表面层金属弹性变形、塑性变形所产生抗力；二是刀具与切屑、工件表面间摩擦阻力。力；二是刀具与切屑、工件表面间摩擦阻力。第11页第12页二、切削力分解二、切削力分解第13页三、切削力试验指数公式三、切削力试验指数公式 必须注意，如实际切削条件与试验中切削条件有差异时，则应在上式后面乘以对应修正系数第14页四、单位切削力、切削功率四、单位切削力、切削功率 单位切削力单位切削力指是单位切削面积上主切削力。切削功率切削功率是各切削分力消耗功率总和。PcFcVc10-3(kW)机床电动机功率机床电动机功率P PE E：依据切削功率选择机床电动机，还要考虑机床传动效率。第15页五、五、影响切削力原因影响切削力原因工件材料工件材料：被加工工件材料强度、硬度越高，切削力被加工工件材料强度、硬度越高，切削力增大。强度相近材料，如其塑性（伸长率）较大，切增大。强度相近材料，如其塑性（伸长率）较大，切削力增大。切削脆性材料时，其切削力普通低于塑性削力增大。切削脆性材料时，其切削力普通低于塑性材料。材料。切削深度切削深度a ap p或进给量或进给量f f加大，均使切削力增大，但二者加大，均使切削力增大，但二者影响程度不一样。影响程度不一样。切削速度切削速度 加工塑性金属时，在中速和高速下，切削加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力普通伴随切削速度增大而减小。力普通伴随切削速度增大而减小。第16页刀具几何参数刀具几何参数1前角前角。：前角加大，被切金属切削力显著下降。前角加大，被切金属切削力显著下降。2负倒棱负倒棱：在尖锐切削刃上磨出适当宽度负倒棱，能够提升刀具使用寿命但将在尖锐切削刃上磨出适当宽度负倒棱，能够提升刀具使用寿命但将使被切金属变形加大，使切削力有所增加。使被切金属变形加大，使切削力有所增加。3.3.主偏角主偏角 (1)(1)当当k kr r加大时，加大时，F Fp p减小，减小，F Ff f加大。加大。(2)(2)当加工塑性金属时，随当加工塑性金属时，随k kr r加大，加大，F Fc c减小；约在减小；约在k kr r6060750750之间，之间，F Fc c减到最小；减到最小；然后随然后随k kr r继续加大，继续加大，F Fc c又有所增大。又有所增大。F Fc c变动范围不大，不论减小或增大，都在变动范围不大，不论减小或增大，都在10%10%以内。以内。（3 3）k kr r加大时，加大时，F Fp p/F/Fc c减小，减小，F Ff f/F/Fc c加大。加大。4刃倾角刃倾角 ：刃倾角改变时刃倾角改变时，将改变协力，将改变协力F方向，因而影响各分力大小。刃倾角方向，因而影响各分力大小。刃倾角s减小时，减小时，Fp增大，增大，Ff减小。减小。5刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径 在普通切削加工中，刀尖圆弧半径在普通切削加工中，刀尖圆弧半径r对对Fp、Ff影响较大，对影响较大，对Fc 影响较小。影响较小。第17页刀具磨损刀具磨损：后刀面磨损后，切削力加大。切削液：切削液：以冷却作用为主水溶液对切削力影响很小。而润滑作用强切削油能够显著降低切削力。刀具材料：刀具材料：刀具材料不是硬削切削主要原因。但因为不一样刀具材料与工件材料之间摩擦系数不一样，所以对切削力也有一些影响。第18页前角对切削力影响前角对切削力影响第19页3-3 切削温度切削温度一、切削热起源一、切削热起源：在刀具切削作用下，切削层金属发：在刀具切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形，这是切削热一个起源。同时，生弹性变形和塑性变形，这是切削热一个起源。同时，切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗摩擦功，也将转切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗摩擦功，也将转化为热能，这是切削热又一个起源。化为热能，这是切削热又一个起源。Q=FcVc切削热由切屑、工件、刀具以及周围介质传导出去。影切削热由切屑、工件、刀具以及周围介质传导出去。影响热传导主要原因是工件和刀具材料导热系数以及周围响热传导主要原因是工件和刀具材料导热系数以及周围介质情况。介质情况。第20页二、切削温度二、切削温度 切削温度普通指切屑与前面接触区切削温度普通指切屑与前面接触区域平均温度。域平均温度。第21页三、三、影响切削温度主要原因影响切削温度主要原因工件材料对切削温度影响工件材料对切削温度影响(1)(1)工件材料硬度和强度越高，切削时所消耗功就越多，工件材料硬度和强度越高，切削时所消耗功就越多，产生切削热也多，切削温度就越高。产生切削热也多，切削温度就越高。(2)(2)合金结构钢强度普遍高于合金结构钢强度普遍高于4545钢，而导热系数又普通均钢，而导热系数又普通均低于低于4545钢。所以切削合金结构钢时切削温度普通均高钢。所以切削合金结构钢时切削温度普通均高于切削于切削4545钢时切削温度钢时切削温度 (3)(3)不锈钢不锈钢lCrl8Ni9TilCrl8Ni9Ti和高温合金和高温合金GHl3lGHl3l不但导热系数低，而不但导热系数低，而且在高温下仍能保持较高强度和硬度。所以切削这种且在高温下仍能保持较高强度和硬度。所以切削这种类型材料时，切削温度比切削其它材料要高得多。类型材料时，切削温度比切削其它材料要高得多。(4)(4)脆性金属抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削脆性金属抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀区塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面摩擦也较小，所以产生切削热较少，切削温度普通面摩擦也较小，所以产生切削热较少，切削温度普通比切削钢料时低。比切削钢料时低。第22页（1）切削速度对切削温度有显著影响。试验证实，伴随）切削速度对切削温度有显著影响。试验证实，伴随切削速度提升，切削温度将显著上升。切削速度提升，切削温度将显著上升。（2）进给量）进给量f对切削温度也有一定影响。伴随进给量增对切削温度也有一定影响。伴随进给量增大，单位时间内金属切除量增多，切削过程产生切削大，单位时间内金属切除量增多，切削过程产生切削热也增多，使切削温度上升。但切削温度随进给量增热也增多，使切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高幅度不如切削速度那样显著。大而升高幅度不如切削速度那样显著。（3 3）切削深度）切削深度a ap p对切削温度影响很小。因为切削深度对切削温度影响很小。因为切削深度a ap p增大以后，切削区产生热量即使成正百分比地增多，增大以后，切削区产生热量即使成正百分比地增多，但因改进了散热条件，所以切削温度升高并不显著。但因改进了散热条件，所以切削温度升高并不显著。切削用量对切削温度影响切削用量对切削温度影响第23页刀具几何参数对切削温度影响刀具几何参数对切削温度影响 1 1前角前角：前角前角。数值直接影响切削过程中变形和摩擦，所以它对。数值直接影响切削过程中变形和摩擦，所以它对切削温度有显著影响。前角大，产生切削热少，切削温度低；前角切削温度有显著影响。前角大，产生切削热少，切削温度低；前角小，切削温度高。小，切削温度高。2 2主偏角主偏角：伴随主偏角增大，切削温度将逐步升高。伴随主偏角增大，切削温度将逐步升高。3 3负倒棱负倒棱：负倒棱宽度负倒棱宽度b1在在(02)f范围内改变，基本上不影响范围内改变，基本上不影响切削温度。切削温度。4 4刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r在在01.5mm范围内改变，基本上范围内改变，基本上不影响平均切削温度。不影响平均切削温度。第24页 刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方挤压作用增大，使切削区金属塑性变形增挤压作用增大，使切削区金属塑性变形增加；同时，磨损后刀具后角变成零度，使加；同时，磨损后刀具后角变成零度，使工件与后刀面摩擦加大，二者均使产生切工件与后刀面摩擦加大，二者均使产生切削热增多。所以，刀具磨损是影响切削温削热增多。所以，刀具磨损是影响切削温度主要原因。度主要原因。刀具磨损对切削温度影响刀具磨损对切削温度影响 第25页四、切削温度对切削变形影响四、切削温度对切削变形影响 对工件尺寸精度影响：因为工件受热膨对工件尺寸精度影响：因为工件受热膨胀，冷却后尺寸变小，切削时产生热直胀，冷却后尺寸变小，切削时产生热直接影响加工精度。接影响加工精度。对刀具材料影响：对于硬质合金，适当对刀具材料影响：对于硬质合金，适当提升温度可提升韧性，提升刀具耐用度。提升温度可提升韧性，提升刀具耐用度。第26页刀具在切削过程中将逐步产生磨损。当刀具磨刀具在切削过程中将逐步产生磨损。当刀具磨损量到达一定程度时，能够显著地发觉切削力损量到达一定程度时，能够显著地发觉切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸可能会超出公差范围，生振动。同时，工件尺寸可能会超出公差范围，已加工表面质量也显著恶化。此时，必须对刀已加工表面质量也显著恶化。此时，必须对刀具进行重磨或更换新刀。具进行重磨或更换新刀。3-4 3-4 刀具磨损与刀具耐用度刀具磨损与刀具耐用度 第27页一、刀具磨损形态一、刀具磨损形态 1 1、前刀面磨损前刀面磨损(月牙洼磨损月牙洼磨损)在切削速度较高、在切削速度较高、切削厚度较大情况下切削厚度较大情况下加工塑性金属，当刀具加工塑性金属，当刀具耐热性和耐磨性稍有耐热性和耐磨性稍有不足时，切屑在前刀面不足时，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙上经常会磨出一个月牙洼洼 第28页 2 2后万面磨损后万面磨损 因为加工表面和后刀面间存在着强烈摩擦，在后刀面上毗邻切削刃因为加工表面和后刀面间存在着强烈摩擦，在后刀面上毗邻切削刃地方很快被磨出后角为零小棱面地方很快被磨出后角为零小棱面 3 3前刀面和后刀面同时磨损前刀面和后刀面同时磨损 这是一个兼有上述两种情况磨损形式。在切削塑性金属时，经这是一个兼有上述两种情况磨损形式。在切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。常会发生这种磨损。第29页 车刀经典磨损形式示意图车刀经典磨损形式示意图 第30页磨料磨损：磨料磨损：切屑、工件硬度即使低于刀具硬度，但其结构中经常含有一切屑、工件硬度即使低于刀具硬度，但其结构中经常含有一些硬度极高微小硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹。些硬度极高微小硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹。冷焊磨损：冷焊磨损：切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大压力和强切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大压力和强烈摩擦，因而它们之间会发生冷焊。烈摩擦，因而它们之间会发生冷焊。扩散磨损：扩散磨损：扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方化学元素触过程中，双方化学元素 在固态下相互扩散，改变了材料原来成份与结在固态下相互扩散，改变了材料原来成份与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具磨损。构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具磨损。氧化磨损氧化磨损：当切削温度达当切削温度达700800时，空气中氧便与硬质合金中钴时，空气中氧便与硬质合金中钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软氧化物及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软氧化物(如如Co304、Co0、W03、TiO2等等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。热电磨损：热电磨损：工件、切屑与刀具因为材料不一样，切削时在接触区电势，工件、切屑与刀具因为材料不一样，切削时在接触区电势，这种热电势有促进扩散作用而加速刀具磨损。这种热电势有促进扩散作用而加速刀具磨损。二、刀具磨损原因二、刀具磨损原因第31页三、刀具磨损过程及磨钝标准三、刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨刀具磨 损过程损过程 1.早期磨损阶段早期磨损阶段 2.正常磨损阶段正常磨损阶段 3.猛烈磨损阶段猛烈磨损阶段 第32页刀具磨钝标准刀具磨钝标准 刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量，刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量，所以必须依据加工情况要求一个最大允许磨损值，这所以必须依据加工情况要求一个最大允许磨损值，这就是刀具就是刀具磨钝标准磨钝标准。普通刀具后刀面上都有磨损，它。普通刀具后刀面上都有磨损，它对加工精度和切削力影响比前刀面磨损显著，同时后对加工精度和切削力影响比前刀面磨损显著，同时后刀面磨损量比较轻易测量，所以在刀具管理和金属切刀面磨损量比较轻易测量，所以在刀具管理和金属切削科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制订磨钝标准。削科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制订磨钝标准。通常所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部分平均磨通常所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许到达最大值，以损量允许到达最大值，以VBVB表示。表示。第33页四、刀具耐用度四、刀具耐用度 刃磨后刀具自开始切削直到磨损量到达磨钝标准为止刃磨后刀具自开始切削直到磨损量到达磨钝标准为止切削时间，称为切削时间，称为刀具耐用度刀具耐用度，以，以T T表示。它是指净切削表示。它是指净切削时间，不包含用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间，不包含用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。时间。刀具使用寿命是很主要数据。在同一条件下切削同一刀具使用寿命是很主要数据。在同一条件下切削同一工件材料时，能够用刀具使用寿命来比较不一样刀具工件材料时，能够用刀具使用寿命来比较不一样刀具材料材料切削性能切削性能；同一刀具材料切削各种工件材料，又；同一刀具材料切削各种工件材料，又能够用刀具使用寿命来比较工件材料能够用刀具使用寿命来比较工件材料切削加工性切削加工性；也；也能够用刀具使用寿命来判断能够用刀具使用寿命来判断刀具几何参数刀具几何参数是否合理。是否合理。工件材料、刀具材料性能对刀具使用寿命影响最大。工件材料、刀具材料性能对刀具使用寿命影响最大。在切削用量中，影响刀具使用寿命最主要原因是在切削用量中，影响刀具使用寿命最主要原因是切削切削速度速度，其次是，其次是进给量、切削深度进给量、切削深度。另外，刀具几何参。另外，刀具几何参数对刀具使用寿命也有主要影响。数对刀具使用寿命也有主要影响。第34页刀具耐用度三原因公式刀具耐用度三原因公式 注：注：考虑到切削条件与试验条件不一样时应给予修正考虑到切削条件与试验条件不一样时应给予修正第35页