单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,金属切削原理与刀具,金属切削基本理论,切削变形切削力切削温度刀具磨损与刀具耐用度,3-1 切削变形,一、切屑的基本形态,1、带状切屑,2、节状切屑,3、粒状切屑,4、崩碎切屑,二、切屑于已加工,表面的形成,切削变形过程示意图,工 件,刀 具,第二变形区的摩擦特性,塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。这是由于受前面的挤压和摩擦进一步加剧变形,在靠近前面处形成第二变形区即,摩擦区,。,摩擦区的特征,:,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,有摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高等。,滞留层的特点,:滞留层的变形程度要比上层剧烈,约几倍到几十倍,厚度一般约占切屑厚度的1/81/9。,积屑瘤或刀瘤,在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下,加工一般钢料或其他塑性材料时,常常在刀具前面处粘着一块剖面常呈三角状的硬块。它的硬度很高,通常是工件材料的23倍,在处于比较稳定状态时,能够代替刀刃进行切削。,第三变形区,第三变形区与加工表面的形成关系更为密切。,在第三变形区里,后刀面施加法向力F,N,和摩接力F,于工件。法向力F,N,使工件产生径向的塑性变形和弹性变形。摩擦力F,使加工表面产生切向的塑性变形和弹性变形。,残余应力,:由于受到工艺过程的影响,在没有外力作用的情况下,在零件内部所残存的应力。由于外力为零,所以零件内各部分的残余应力,必须彼此保持平衡。,工件表层加工硬化的成因,是表层金属在形成已加工表面的过程中经受强烈的塑性变形。,3-2,切削力,一、切削力的来源,切削力的来源有两方面:一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力;二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。,二、切削力的分解,四、单位切削力、切削功率,单位切削力,指的是单位切削面积上的主切削力。,切削功率,是各切削分力消耗功率的总和。,P,c,F,c,V,c,10,-3,(kW),机床电动机的功率P,E,:根据切削功率选择机床电动机,还要考虑机床的传动效率。,五、,影响切削力的因素,工件材料,:,被加工工件材料的强度、硬度越高,切削力增大。强度相近的材料,如其塑性(伸长率)较大,切削力增大。切削脆性材料时,其切削力一般低于塑性材料。,切削深度a,p,或进给量f,加大,均使切削力增大,但两者的影响程度不同。,切削速度,加工塑性金属时,在中速和高速下,切削力一般随着切削速度的增大而减小。,刀具磨损,:,后刀面磨损后,切削力加大。,切削液:,以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。而润滑作用强的切削油能够显著的降低切削力。,刀具材料:,刀具材料不是硬削切削的主要因素。但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同,因此对切削力也有一些影响。,前角对切削力的影响,3-3 切削温度,一、切削热的来源,:在刀具的切削作用下,切削层金属发生弹性变形和塑性变形,这是切削热的一个来源。同时,切屑与前刀面,工件与后刀面间消耗的摩擦功,也将转化为热能,这是切削热的又一个来源。,Q=F,c,V,c,切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介质传导出去。影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。,二、切削温度,切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。,三、,影响切削温度的主要因素,工件材料对切削温度的影响,(1)工件材料的硬度和强度越高,切削时所消耗的功就越多,产生的切削热也多,切削温度就越高。,(2)合金结构钢的强度普遍高于45钢,而导热系数又一般均低于45钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度,(3)不锈钢lCrl8Ni9Ti和高温合金GHl3l不但导热系数低,而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度。所以切削这种类型的材料时,切削温度比切削其他材料要高得多。,(4)脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小,切削过程中切削区的塑性变形很小,切屑呈崩碎状或脆性带状,与前刀面的摩擦也较小,所以产生的切削热较少,切削温度一般比切削钢料时低。,刀具几何参数对切削温度的影响,1前角,:,前角。的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦,所以它对切削温度有明显的影响。前角大,产生的切削热少,切削温度低;前角小,切削温度高。,2主偏角,:,随着主偏角的增大,切削温度将逐渐升高。,3负倒棱,:,负倒棱宽度b,1,在(0,2)f范围内变化,基本上不影响切削温度。,4刀尖圆弧半径:,刀尖圆弧半径r,在01.5mm范围内变化,基本上不影响平均切削温度。,刀具磨损后切削刃变钝,刃区前方的挤压作用增大,使切削区金属的塑性变形增加;同时,磨损后的刀具后角变成零度,使工件与后刀面的摩擦加大,两者均使产生的切削热增多。所以,刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。,刀具磨损对切削温度的影响,四、切削温度对切削变形的影响,对工件尺寸精度的影响:由于工件受热膨胀,冷却后尺寸变小,切削时产生的热直接影响加工精度。,对刀具材料的影响:对于硬质合金,适当提高温度可提高韧性,提高刀具耐用度。,一、刀具磨损的形态,1、,前刀面磨损(月牙洼磨损),在切削速度较高、,切削厚度较大的情况下,加工塑性金属,当刀具,的耐热性和耐磨性稍有,不足时,切屑在前刀面,上经常会磨出一个月牙,洼,2后万面磨损,由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦,在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面,3前刀面和后刀面同时磨损,这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时,经常会发生这种磨损。,磨料磨损:,切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度,但其结构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点,能在刀具表面刻划出沟纹。,冷焊磨损:,切削时,切屑、工件与前、后刀面之间,存在很大的压力和强烈的摩擦,因而它们之间会发生冷焊。,扩散磨损:,扩散磨损在高温下产生。切削金属时,切屑、工件与刀具接触过程中,双方的化学元素 在固态下相互扩散,改变了材料原来的成分与结构,使刀具表层变得脆弱,从而加剧了刀具的磨损。,氧化磨损,:,当切削温度达700800时,空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用,产生较软的氧化物(如Co,3,0,4,、Co0、W0,3,、TiO,2,等)被切屑或工件擦掉而形成磨损,这称为氧化磨损。,热电磨损:,工件、切屑与刀具由于材料不同,切削时在接触区电势,这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。,二、刀具磨损的原因,三、刀具磨损过程及磨钝标准,刀具磨,损过程,1.初期磨损阶段,2.正常磨损阶段,3.剧烈磨损阶段,刀具的磨钝标准,刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量,因此必须根据加工情况规定一个最大的允许磨损值,这就是刀具的,磨钝标准,。一般刀具的后刀面上都有磨损,它对加工精度和切削力的影响比前刀面磨损显著,同时后刀面磨损量比较容易测量,因此在刀具管理和金属切削的科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制定磨钝标准。通常所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值,以VB表示。,四、刀具耐用度,刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间,称为,刀具耐用度,以T表示。它是指净切削时间,不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。,刀具使用寿命是很重要的数据。在同一条件下切削同一工件材料时,可以用刀具使用寿命来比较不同刀具材料的,切削性能,;同一刀具材料切削各种工件材料,又可以用刀具使用寿命来比较工件材料的,切削加工性,;也可以用刀具使用寿命来判断,刀具几何参数,是否合理。工件材料、刀具材料的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的因素是,切削速度,其次是,进给量、切削深度,。此外,刀具几何参数对刀具使用寿命也有重要影响。,刀具耐用度的三因素公式,注:,考虑到切削条件与实验条件不同时应予以修正,机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态分为冷加工和热加工。,一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化称冷加工。一般在高于或低于常温状态的加工会引起工件的化学或物,相变化称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理煅造铸造和焊接。,机械加工,另外装配时常常要用到冷热处理。例如：轴承在装配时往往将内圈放入液氮里冷却使其尺寸收缩，将外圈适当加热使其尺寸放大,，然后再将其装配在一起。火车的车轮外圈也是用加热的方法将其套在基体上，冷却时即可保证其结合的牢固性（此种方法现在,依旧应用于某些零部件的转配过程中）。机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等,离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等。机械加工：广意的机械加工就是,指能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床（Lathe Machine）、铣床(Milling Machine)、钻床(Driling Machine)、磨,床(Grinding Machine)、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。,编辑本段微型机械加工技术的国外发展现状,机械产品,1959年，Richard P Feynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其,后开发出尺寸为50500m的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在,扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为6012m的利用硅微型静电机,，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门、,企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、StanfordAT&T的15名科学家在上世纪八十年代末提出小机器,、大机遇：关于新兴领域-微动力学的报告的国家建议书，声称由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性，应在这样一个新的重,要技术领域与其他国家的竞争中走在前面，建议中央财政预支费用为五年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资,，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制发现号微型卫星，美国国家科学基,金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助MIT，加州大学等8所大,学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的美国国防部技,术计划报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条,MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有,关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康,星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立,了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研,制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修,。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相,继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技部于19901993年拨款4万马克支持,微系统计划研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已,成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启动的7000万法郎的