1、機械制造技術基礎筆記第三章 切削與磨削原理3.1.3 前刀面上刀-屑的摩擦與積屑瘤1.摩擦面上的接觸狀態(tài)1）峰點型接觸（ F 不太大時）：m= f/F=tsAr/ss Ar=ts/ss=常數(shù)此時的摩擦狀態(tài)為滑動摩擦（外摩擦）。ss-材料的拉壓屈服極限 ts-材料的剪切屈服極限Aa-名義接觸面積 Ar-實際接觸面積2）緊密型接觸（F 很大時）： m= f/F= tsAa/F=ts/sav常數(shù)此時的摩擦狀態(tài)為粘結摩擦（內摩擦）。2.前刀面上刀-屑的摩擦：既有粘結摩擦，也有滑動摩擦，以粘結摩擦為主。前刀面上的平均摩擦系數(shù)可以近似用粘結區(qū)的摩擦系數(shù)表示：m= ts/sav常數(shù)當前刀面上的平均正應力sa

2、v增大時，m 隨之減小。4.積屑瘤1）現(xiàn)象：中速切削塑性金屬時，在前刀面上切削刃處粘有楔形硬塊（積屑瘤）。2）形成原因：（1）在一定的溫度和很大壓力下，切屑底面與前刀面發(fā)生粘結（冷焊）；（2）由于加工硬化，滯流層金屬在粘結面上逐層堆積（長大）。3)對切削過程的影響（1）積屑瘤穩(wěn)定時，保護刀具（代替刀刃切削）；（2）使切削輕快（增大了實際前角）；（3）積屑瘤不穩(wěn)定時，加劇刀具磨損；（4）降低尺寸精度；（5）惡化表面質量（增大粗糙度、加深變質層、產生振動）。-粗加工時可以存在，精加工時一定要避免。4）抑制方法（1）避免中速切削；（2）提高工件材料的硬度（降低塑性）；（3）增大刀具前角（至3035o

3、）；（4）低速切削時添加切削液。5.剪切角公式第一變形區(qū)的剪切變形是前刀面擠壓摩擦作用的結果，切削合力Fr的方向就是材料內部主應力的方向，剪切面的方向就是材料內部最大剪應力的方向。根據(jù)材料力學，二者夾角應為p/4，即：p/4= c+ b- go （tgb= Ff/ Fn= m ）f= p/4- b+ go -李和謝弗的剪切角公式（1952）由公式可知：go f Lh b(m) f Lh -前刀面上的摩擦直接影響剪切面上的變形。3.1.4 影響切削變形的因素1.工件材料： 強度、硬度sav m (=ts/sav) f Lh2.刀具幾何參數(shù)：主要是前角的影響。 go f Lh 3.切削用量1)切削

4、速度低速、中速，主要是積屑瘤的影響：積屑瘤長大時，實際前角gb fLh；積屑瘤變小時，實際前角gbfLh；高速：vctsm (=ts/sav) fLh2)進給量 fhD(=fsinkr) fLh；3)背吃刀量 ap bD(= ap/ sinkr) 參加切削的刀刃長度增加了，其它條件未改變，所以：Lh基本不變。（見圖3.14） 以上分析均有實驗結果為證。3.1.5 切屑類型及切屑控制1.切屑類型（p80 圖3.16）2.切屑的控制-通過合理選擇刀具角度、設計卷屑槽或斷屑臺，可以控制切屑的流向、卷曲程度和使其折斷。3.1.6 硬脆非金屬材料切屑形成機理1.刀具對材料的撕裂作用：刃口前方的材料受到擠

5、壓，刃口下方的材料受到拉伸，所以裂紋多數(shù)是向刀刃的前下方裂開。向下延伸的裂紋當能量耗盡后終止，轉而向上的裂紋最終到達自由表面形成斷裂（越靠近自由表面能量消耗越小）。2.斷裂碎塊的大小與刃口距附近自由表面的深度有關，距離越深則碎塊越大。3.硬脆材料的切削過程大致可分4個階段。（見圖3.20，c、d可能會反復進行多次。3.2 切削力3.2.1 切削合力F及其分力F的來源：作用在前刀面、后刀面、副後刀面處的正壓力和摩擦力的合力。 其大小、方向與切削條件有關。為測量和應用方便，通常需將它分解為三個相互垂直的分力，即：1.主切削力Fc(切向力)：做功最多，用于驗算刀具強度、設計機床零件、確定切削功率等；

6、2.背向力Fp(吃刀抗力、徑向力)：不做功，對加工精度影響很大，用于驗算工藝系統(tǒng)的強度、剛度。也是引起切削振動的主要作用力。3.進給力Ff（走刀抗力、軸向力）：用于計算進給功率和驗算進給機構的強度。3.2.2 切削力與切削功率的計算 用理論公式計算切削力，由于推導公式時采用的切削模型過于簡化，所以公式不夠精確，計算誤差較大。生產實踐中多用經驗公式（把切削實驗得到的大量數(shù)據(jù)經過數(shù)學處理得到）計算切削力。1.指數(shù)形式的切削力經驗公式：主切削力： （3.10） 進給力： （3.11）背向力： （3.12）對于常用材料，式中的系數(shù)CF （與工件材料有關）、指數(shù)XF 、YF 、ZF 及切削條件變化時的修

7、正系數(shù)KF（共8個） 均可從切削用量手冊中查出。2.由單位切削力計算主切削力 單位切削力kc-作用在單位切削面積上的主切削力，單位：N/mm2 kc可以通過實驗從下式求得： （3.13） 各種工件材料的kc可從手冊中查出并按下式計算Fc: Fc=kc Ac KFc （3.14） 式中： KFc-切削條件修正系數(shù)3. 切削功率Pc的計算(此處與教材p84不同）切削功率即各切削分力所做功之和，可按下式計算：Pc= Fc vc+Ff vf = Fc vc+Ff f n 10-3 Fc vc (W) (3.15) 計算Pc主要用于驗算機床電機功率Pm，驗算公式： Pm Pc / hm (3.16)式中

8、：hm -傳動效率，新機床取為0.85，舊機床0.75。3.2.3 影響切削力的因素影響因素的具體體現(xiàn)就是經驗公式中的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)。1.工件材料的影響強度、硬度切削力 塑性、韌性，硬化嚴重切削力2.切削用量的影響1）背吃刀量ap: apbD(=ap/sinkr) 切削力（正比） ap的指數(shù)XF1,對ap不需修正。2)進給量f: fhD(=fsinkr) （正比）fLh 切削力但不成正比 f 的指數(shù)YF0.750.9，當f0.3時，需乘以修正系數(shù)Kf。3）切削速度vc:主要與變形程度改變有關。vc1.33m/s時，需乘以修正系數(shù)Kv。切脆性材料時，F(xiàn)基本不變。指數(shù)ZF0切削用量三要素對切

9、削力的影響程度： ap影響最大，f其次，vc影響最小。3.刀具幾何參數(shù)的影響（對各分力影響不同，需分別修正）1）前角go : go f Lh 切削力切脆性材料如鑄鐵、青銅時，切削力基本不變。go 15O時，需乘以修正系數(shù)KgFc 、KgFp 、KgFf 。2）負倒棱bg:可以在增大前角的同時，兼顧刀刃的強度。 bg /f 切削力 bg0時，需乘以修正系數(shù)KbgFc 、KbgFp 、KbgFf 。3）主偏角Kr:對Fc影響不超過10%, Kr=6075時，F(xiàn)c最??；對兩個水平分力影響大 Fp FD CosKr Ff FD sinKrKr 75O時，需乘以修正系數(shù)KKFc 、KKFp 、KKFf

10、。4)刀尖圓弧半徑re: re 平均KrFp， Ff re0.25時，需乘以修正系數(shù)KrFc 、KrFp 、KrFf 。5）刃傾角ls：lsFc基本不變，F(xiàn)p ，F(xiàn)f ls0o時，需乘以修正系數(shù)KlFc 、KlFp 、KlFf 。4.刀具材料的影響：影響刀具-工件間的摩擦系數(shù)。m：高速鋼硬質合金涂層刀具陶瓷CBN5.切削液的影響：潤滑作用越強，切削力越小（低速顯著）。6.後刀面磨損量VB: VB Fc、Fp、Ff均， Fp最顯著。VB0時，需乘以修正系數(shù)KVBFc 、KVBFp 、KVBFf 。3.3 切削熱和切削溫度 切削過程中溫度的變化對切削過程、刀具磨損、加工精度、表面質量等均有重要影響

11、。3.3.1 切削熱的產生和傳出1.產生：切削力做功轉變成熱能。三個變形區(qū)就是三個熱源。生熱率：Q Pc Fc vc (J/S) 2.傳出：Q =Q屑 + Q刀 + Q工+Q介車外圓：Q屑 80%， Q刀 10%， Q工10%， Q介1%鉆孔：Q屑 28%， Q刀 14.5%， Q工 52.5%， Q介5%熱量的傳遞使各部分溫度q升高。如：q屑有利于減小切削力但不利于斷屑；q刀 過高過低都不好（各種刀具材料都有其適宜工作溫度范圍）；q工使工件產生熱變形，從而影響加工精度；以上分析意在說明：影響切削過程的直接原因不是產生熱量的多少，而是各處溫度的高低。3.3.2 切削區(qū)的溫度分布 由圖3.24可

12、知：1）切削區(qū)內各處溫度不同（形成溫度場）；2）材料經過剪切面時，溫度基本一致，經過前、後刀面時，接觸面上的溫度迅速升高；3）最高溫度區(qū)是在離刃口一段距離的前刀面上；4）刀刃切過時，已加工表面受到一次熱沖擊。常用的測溫方法有：紅外膠片照相法：測溫度場；人工熱電偶法：測各點溫度（溫度場）；自然熱電偶法：測刀-工接觸區(qū)內的平均溫度，即通常所說的切削溫度。該方法可以用來研究：3.3.3 影響切削溫度的主要因素切削區(qū)內溫度的升高，是受到熱量的產生和傳出雙重影響的動態(tài)平衡過程。其主要影響因素有：1.切削用量：經驗公式為 (3.20)式（3.20）表明，切削用量三要素對切削溫度的影響： vc影響最大，f其

13、次，ap影響最小。2.刀具幾何參數(shù)：1）前角： go f Lh Q q 但go18o20o時，go楔角bo散熱慢，q不顯著2）主偏角：kr bD(= ap/ sinkr) (影響小), hD(= f sinkr) (影響大) q 其它參數(shù)影響不大。3.工件材料：4.刀具磨損：後刀面磨損量VB q 達到一定值后升溫劇烈。5.切削液：降溫效果與液溫、導熱率、比熱、流量、粘度、 澆注方式等有關。3.4 刀具磨損、破損與使用壽命 切削金屬時，刀具本身也會發(fā)生磨損或破損。這對加工質量、刀具使用壽命、生產率、經濟效益等均有影響。此項研究對正確設計、使用刀具及正確選擇切削用量也具有重要意義。（本節(jié)重點是討論

14、磨損。）3.4.1 磨損形式1.前刀面月牙洼磨損:vc較高、hD較大、切塑性金屬時發(fā)生,衡量指標：KT；2.后刀面磨損:衡量指標：VB；3.邊界磨損3.4.2 磨損原因1.磨料磨損 是低速切削刀具（拉刀、絲錐、板牙等）磨損的主要原因工件材料內的硬質點：高硬度金屬碳化物、氮化物、氧化物等。2.粘結磨損（冷焊磨損）中速切削時最嚴重，與刀-工化學成分、刃磨質量有關。3.擴散磨損在緊密接觸的表面之間原子會從密度較大的一方擴散到密度較小的一方；擴散速度隨切削溫度升高而按 指數(shù)規(guī)律增加（詳見P91）；加入TiC可以減緩擴散速度。擴散結果使表層的耐磨性降低，從而加速磨損。4.化學磨損 原因有二：1）高溫下氧

15、化；2）切削液使用不當（極性添加劑中S、Cl的腐蝕作用）。化學磨損在邊界處最嚴重。3.4.3 磨損過程及磨鈍標準1.刀具的磨損過程三階段（如圖）研磨可減緩初期磨損。2.刀具的磨鈍標準-所允許的刀具最大磨損限度（多用VB）。 ISO規(guī)定了刀具的實驗室磨鈍標準；生產中應根據(jù)刀具種類、加工要求、切削條件合理確定磨鈍標準（查有關手冊）。如：粗加工應以正常磨損階段終點處的VB；精加工、切難加工材料時VB應小些；自動化加工應以刀具徑向磨損量NB作為磨鈍標準（如圖）。3.4.4 刀具使用壽命及其與切削用量的關系1. 刀具使用壽命（刀具耐用度）T-刃磨后的刀具達到磨鈍標準所需的總切削時間。T是間接反映刀具是否

16、達到磨鈍標準的量（在固定條件下）；刀具總壽命 = T 可刃磨次數(shù) 刀具使用壽命也可用刀具刃磨一次可切削的總路程Lm衡量： Lm = vc T2. T與切削用量的關系（可通過切削實驗求得）1）T-vc經驗公式（泰勒公式）： vc Tm=Co (3.21)式中：Co-與刀具、工件材料等切削條件有關的常數(shù)；m-指數(shù)(即圖中直線的斜率)。刀具材料：高速鋼 硬質合金 陶瓷m 值：0.10.125 0.20.3 0.20.4 m值越大，說明該刀具材料耐熱性能越好。式（3.21）反映了vc對T的影響程度（一般很大）。例：用YT15車刀切中碳鋼，m=0.2，當v1=100m/min時，T1=160min ,則

17、當v2=122m/min時，v1T1m= v2T2m = Co T2=(v1/v2)1/mT1=(100/122)1/0.216060min當v3=200m/min時，T3=(v1/v3)1/mT1=(100/200)51605min-結論：vc提高一點，則T顯著下降。2) f、ap與T的關系：綜合式（3.2123），可得T與切削用量的一般關系式：用硬質合金切中碳鋼時：x =5 y =2.25 z =0.75-三要素對T的影響程度：vc最大，f其次，ap最小。這一規(guī)律與切削溫度有關。3.4.5 刀具的破損磨損是連續(xù)的、漸進的發(fā)展過程；脆性破損（如崩刃、掉尖、片狀剝落、刀片碎裂或刀具折斷等）主要發(fā)生在硬質合金、