切削过程及控制Word下载.docx

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缺点：

切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施。

挤裂（节状）切屑

刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。

采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小,粗加工中等硬度的钢材料

特点：

切削力波动较大，工件表面较粗糙

崩碎切屑：

在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑。

当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，

产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。

3、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

1）什么是积屑瘤

在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时,常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料,形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤（thebuilt-upedge），或称刀瘤。

2）积屑瘤的形成原因

当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。

当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。

3）积屑瘤对起削过程的影响

v积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。

v使实际前角增大，切削轻快。

因此，粗加工时可利用积屑瘤。

v积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。

v此外，还会导致切削力的变化，引起振动，

v并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。

在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。

4）抑制或消除积屑瘤的措施

采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc＜3m/min和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；

采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；

适当减少进给量、增大刀具前角、减小切削变形；

适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向。

二、切削力

切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力。

1.切削力的来源

切削力（cuttingforce）来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力

2.切削力的分解

通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：

切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp。

切削力Fz（Fc）：

总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80%～90%。

Fc消耗的功率最多，约占总功率的90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。

进给力Fx（Ff）：

总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总功的1%～5%。

是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数

背向力Fy（Fp）：

总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。

但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。

是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。

3个切削分力与总切削力F有如下关系：

3．切削功率

计算切削功率（cuttingpower）Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。

主运动消耗的切削功率Pc＝Fcυc/60×

10-3（kW）

机床电机功率PE=Pc／ηm（ηm＝0.75～0.85）。

4.影响切削力的因素

1）.工件材料

•影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。

•材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。

•在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。

2）.切削用量

进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加。

切削速度υc：

切削速度在5～20m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；

切削速度继续在20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；

在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。

一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。

在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度υc对切削力Fc无明显的影响。

在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。

3）.刀具几何参数

前角的影响:

γo↑→切削变形↓→切削力↓。

（塑性材料）

主偏角的影响：

Kr↑→Fp↓,Ff↑

4）.刀具磨损

5）.切削液

6）.刀具材料

刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。

三、切削热和切削温度

1.切削热的产生与传导

金属切削过程的三个变形区就是产生切削热（cuttingheat）的三个热源：

1）切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来源；

2）切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；

3）工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。

切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度（cuttingtemperatures）上升。

用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削钢料时，切削热传出的比例是：

切屑传出的热约为50%～86%；

工件传出的热约为40%～10%；

刀具传出的热约为9%～3%；

周围介质传出的热约为1%。

2.切削温度对切削加工过程的影响

1）.对刀具材料的影响

高速钢刀具材料的耐热性为600℃左右，超过该温度刀具失效。

硬质合金刀具材料耐热性好，在高温800～1000℃时，强度反而更高，韧性更好。

因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。

2）.对工件尺寸精度的影响

车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。

3.影响切削温度的因素

1）.工件材料

材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多；

导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。

切削脆性材料时，由于塑性变形很小，崩碎切屑与前刀面的摩擦也小，产生的切削热较少。

热处理状态不同，切削温度也不相同。

2）.切削用量

切削速度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。

3）.刀具几何参数

1）前角γo↑→塑性变形和摩擦↓→切削温度↓（图）。

但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。

2）主偏角κr↑→切削刃工作接触长度↓，切削宽度bD↓，散热条件变差，故切削温度↑

4）.刀具磨损

刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。

刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。

5）.切削液

利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。

4.切削液

1）、切削液的作用

（1）.切削液的冷却作用

切削液（cuttingfluid）的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具寿命；

减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；

降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。

（2）.切削液的润滑作用

使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，成为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很小；

实际情况是属于边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑，但小于干摩擦。

（3）切削液的清洗作用

2.常用的切削液分类：

1）水溶液：

主要成分是水，并加入少量的防锈剂等添加剂。

具有良好的冷却作用，可以大大降低切削温度，但润滑性能较差。

2）乳化液：

将乳化油用水稀释而成，具有良好的流动性和冷却作用，并有一定的润滑作用。

低浓度的乳化液用于粗车、磨削；

高浓度的乳化液用于精车、精铣、精镗、拉削等。

3）切削油：

主要用矿物油，少数采用动植物油或混合油。

润滑作用良好，而冷却作用小，多用以减小摩擦和减小工件表面粗糙度。

常用于精加工工序，如精刨、珩磨和超精加工等常使用煤油作切削液，而攻螺纹、精车丝杠可用菜油之类的植物油等。

四、刀具磨损和刀具寿命

在切削过程中，刀具切削部分由于磨损或局部破损而逐渐发生变化，最终失去切削性能。

刀具磨损（toolwear）到一定程度后，切削力明显增大，切削温度上升，甚至产生振动，影响工件的加工精度和表面质量。

因此刀具磨损到一定程度后，必须重磨或更换新刀。

1.刀具磨损形态

图1-29刀具磨损形态

（1）后刀面磨损当切削脆性材料或以较小的背吃刀量切削塑性材料时，由于刀具主后刀面与工件过渡表面间存在着强烈的摩擦，在后刀面毗邻切削刃的部位磨损成小棱面。

后刀面磨损量以后刀面上磨损宽度值VB表示，如图1-29a所示。

（2）前刀面磨损在切削速度较高、背吃刀量较大且不用切削液的情况下加工塑性材料时，切屑将在前刀面磨出月牙洼。

前刀面的磨损量以月牙洼的最大深度KT表示，如图1-29b所示。

（3）前后刀面同时磨损在常规条件下加工塑性金属时，常出现如图1-29c所示的前后刀面同时磨损的形态。

2.刀具磨损过程

在一定切削条件下，不论何种磨损的形态，其磨损量都将随时间的延长而增大。

如图1-30所示为硬质合金车刀主后刀面磨损量VB与切削时间之间的关系，即磨损曲线。

由图1-30可知。

图1-30刀具磨损过程

刀具磨损过程可分为三个阶段：

AB段—初期磨损阶段，刀刃锋尖迅速被磨掉，即磨成一个窄面。

BC段—正常磨损阶段，磨损量随切削时间的延长而近似成比例增加，而磨损速度随时间延长减慢。

刀具的使用不应超过这一有效工作阶段的范围。

CD段—急剧磨损阶段，刀具变钝，切削力增大，切削温度急剧上升，磨损加快，出现振动、噪声，已加工表面质量明显恶化，刀具在使用中应避免进入该段。

经验表明，在刀具正常磨损阶段的后期、急剧磨损阶段之前，换刀重磨为最好。

这样既可保证加工质量又能充分利用刀具材料。

3.影响刀具磨损的因素

增大切削用量时切削温度随之增高，将加速刀具磨损。

在切削用量中，切削速度对刀具磨损的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。

此外，刀具材料、刀具几何形状、工件材料以及是否使用切削液等，也都会影响刀具的磨损。

譬如，耐热性好的刀具材料，就不易磨损；

适当加大刀具前角，由于减小了切削力，可减少刀具的磨损。

4、刀具耐用度

1）.刀具耐用度的定义

•刀具耐用度（现称刀具寿命）是指一把刃磨好的新刀从投入使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间。

•刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。

2）.刀具耐用度的选择原则

复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。

对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。

对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。

精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。

大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。

5.影响刀具寿命的因素

刀具寿命：

刀具从开始投入使用到完全报废的总切削时间

刀具几何参数

刀具材料

工件材料

切削用量

五、切削用量的选择

所谓“合理”的切削用量是指充分利用切削性能和机床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。

（1）选择背吃刀量ap背吃刀量应根据工件的加工余量来确定。

粗加工时除留下精加工的余量外，尽可能用一次走刀切除全部加工余量，以使走刀次数最少；

在毛坯粗大必须切除较多余量时，应考虑机床-刀具-工件系统刚性和机床有效功率，选取较大的背吃刀量；

切削表面上有硬皮或切削不锈钢等冷硬材料时，应使背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚度。

精加工过程采取逐渐减少背吃刀量的方法，逐步提高加工精度与表面质量。

超精车和超精镗削加工时，常采用硬质合金、陶瓷或金刚石刀具，当背吃刀量ap=0.05～0.2mm，进给量f=0.01～0.1mm/r，切削速度vc=4～15m/s时，由于切削层公称横截面积极小，可获得Ra0.32～0.08μm和高于尺寸公差等级IT5。

（2）选择进给量f在背吃刀量ap选定以后，进给量直接决定了切削层横截面积，因而决定了切削力的大小。

粗加工时，一般对工件已加工表面质量要求不太高，进给量主要受机床、刀具和工件所能承受的切削力的限制。

在半精加工和精加工时，进给量按已加工表面的粗糙度要求选定。

一般可通过查阅有关金属切削手册的切削数据表来确定，在有条件的情况下可通过对切削数据库进行检索和优化。

（3）选择切削速度vc在选定背吃刀量和进给量后，根据合理的刀具寿命计算或用查表法确定切削速度vc值。

总之，切削用量选择的基本原则是：

粗加工时在保证合理的刀具寿命的前提下，首先选尽可能大的背吃刀量ap，其次选尽可能大的进给量f，最后选取适当的切削速度vc；

精加工时，主要考虑加工质量，常选用较小的背吃刀量和进给量，较高的切削速度，只有在受到刀具等工艺条件限制不宜采用高速切削时才选用较低的切削速度。

例如用高速钢铰刀铰孔，切削速度受刀具材料耐热性的限制，并为了避免积屑瘤的影响，采用较低的切削速度。