機械制造技術(shù)基礎(chǔ)筆記

1、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)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. 摩擦而上的接觸狀態(tài)1）峰點型接觸（f不太大時）:m= f7f=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= p'f= tsaa,/f=ts/sav常數(shù)此時的摩擦狀態(tài)為粘結(jié)摩擦（內(nèi)靡擦）。2前刀面上刀-屑的烽擦：既何粘結(jié)摩擦，也的滑動摩擦，以粘結(jié)摩擦為主。而刀而上的平均摩擦系數(shù)可以近似用粘結(jié)區(qū)的摩擦系數(shù)表示：ts/savh常數(shù)當前刀面上的平均正應力sav增大時，m隨z

2、減小。4積制瘤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（枳屑瘤）。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(jié)（冷焊）；（2）由于加工硬化，滯流層金屬在粘結(jié)而上逐層堆積（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）便切削輕快（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）惡化農(nóng)而質(zhì)量（增大粗糙度、加深變質(zhì)層、產(chǎn)主振動）。-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）：（4）低速切削時

3、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(jié)果，切削合力fr的方向就是材料內(nèi)部主應力的方向，剪切而的方向就是材料內(nèi)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= ff7 fn= m ）f= p/4- bi go 李和謝弗的剪切角公式（1952）由公式可知：go / -> f / -> lh b（m） ->f / ->lh -詢刀面上的摩擦直接影響剪切面匕的變形。3.1.4場響切削變形的因索1 .工件材料： 強度、硬度 / *sav/ > m （=ts/sav） > f/ * lhx2.

4、 刀具幾何參數(shù)：主要是前角的影響。go / tf/ ->lh x3. 切削用量1）切削速度低速、中速，主耍是積屑瘤的影響：積屑瘤長大時，實際前角gb /tf/->lh；積屑斕變小時，實際前角gbf->lhz；高速：vc / ts >m （=ts/sav） > f/ >lh 2）進給量 f/thd（=f»sinkr） z->f/lh：3）背吃刀量 ap / >bd（= ap/ sinkr） /參加切削的刀刃長度增加了，英它條件未改變，所以：lh基本不變。（見圖3.14）以上分析均有實驗結(jié)果為證。3.1.5切屑類型及切屑控制1切屑類型（p8

5、0圖3.16）2切眉的控制-通過合理選擇刀貝角度、設(shè)計卷屑槽或斷眉臺，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川：刃口前方的材料受到擠壓，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鼠耗 盡后終止，轉(zhuǎn)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?。?。2斷裂碎塊的大小與刃口距附近h由表而的深度有關(guān)，出漓越深則碎塊越大。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321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

6、正壓力和摩擦力的合力。其大小、方向與切削條件有關(guān)。為測彊和應 用方便，通常需將它分解為三個相互垂巴的分力，即：1 主切削力fc（切向力）：做功最藝，用于驗算刀具強度、設(shè)計機床零件、確定切削功率等：2背向力fp（吃刀抗力、徑向力）：不做功，對加丁將度彩響很人，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(gòu)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烈過于簡化，所以公式不夠梢確, 計算課差較人。生產(chǎn)實踐中多用經(jīng)驗公式（把切削實驗得到的大量數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學處理得到）計算切削力。1

7、 指數(shù)形式的切削力經(jīng)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(guān)）、指數(shù)xf、yf、zf及切削條件變化時的修正系數(shù)kf （共8個） 均可從切削川量手冊中杳出。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/mm2kc可以通過實驗從下式求得：（3.13）各種工件材料的kc可從手冊中査岀并按下式計算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z和，可按下式計算：pc= fc vc+ffvf=

8、 fc vc+fffn x 10-3 a 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：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索的只體體現(xiàn)就是經(jīng)驗公式中的系數(shù)、指數(shù)和修e系數(shù)。1. 工件材料的影響強度、硬度/->切削力/艱性、韌性/,破化嚴重一>切削力/2. 切削用量的影響1）背吃刀量 ap: ap/ >bd（=ap/sinkr） /-切削力/ （正比）ap的指數(shù)xf=1,對ap不需修正。2）進給fif:f/->hd（=f*sinkr） /

9、（正比）->f/->lh切削力/但不成正比f的指數(shù)yf-0.750.9,當岸0.3時，需乘以修止系數(shù)kf。3）切削速度vc:主要與變形程度改變有關(guān)。vchl33nvs時，需乘以修正系數(shù)kv。切脆性材料時，f基木不變。指數(shù)zf=0切削用量三耍索對切削力的影響程度：ap影響最大，荘次，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 /

10、 ->切削力/bg卻時，需乘以修正系數(shù)kbgfc、kbgfp、kbgb'f。3）主偏角kr:對fc影響不超過10%, kr=6075時，fc垠小；對兩個水平分力影響大fp廬fd coskrf fl> fd sinkrfkrf75o時，需乘以修正系數(shù)kkfc、kkfp、kkff。4）刀尖圓弧半徑re: re / ->平均krxep/, ef rem0.25時，需乘以修正系數(shù)krfc、krfp、kref。5）刃傾角is：ls/->fc基本不變，fp , ff / l#0o時，需乘以修正系數(shù)kifc、kifp、kiff。4.刀具材料的影響： 影響刀具工件間的凜擦系數(shù)。

11、m：高速鋼碩質(zhì)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?。ǖ退亠@著）。6後刀血磨損量vb: vb /tfc、fp、卜t均/, fp最顯著。vb>0時，需乘以修止系數(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、加工粘度、表而質(zhì)屋等均有重要影響。3.3.1切削熱的產(chǎn)生和傳出1. 產(chǎn)生：切削力做功轉(zhuǎn)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+qi+q介車外圓：q 屑 >80%, q 刀 <10%, q 工<10%, q 介ul

12、%鉆孔：q 屑=28%, q 刀=14.5%, q 工=52.5%, q 介=5%熱量的傳遞便各部分溫度q升離。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圉）；q工/使工件產(chǎn)生熱變形，從而影響加工梢度；.以上分析意在說明：影響切削過程的直接原因不是產(chǎn)生熱量的多少，而是各處溫度的高低。3.3.2切削區(qū)的溫度分布山圖3.24可知：1）切削區(qū)內(nèi)各處溫度不同（形成溫度場）；2）材料經(jīng)過剪切面時，溫度基本一致，經(jīng)過前、後刀而時，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而上；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：

13、紅外膠片照和法：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(nèi)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(nèi)溫度的升高，是受到熱量的產(chǎn)生和傳出雙重影響的動態(tài)平衡過程。其主要影響因索有：1. 切削用量:經(jīng)驗公式為（3.20）試（3.20）表明，切削用量三耍素對切削溫度的影響：vc影響最大，英次，申影響最小。2. 刀具幾何參數(shù)：1）前角：go / ->f/ ->lh ->q ->q x但go>18o20o時，go/>楔角bo>散熱慢，q不顯著2）主偏角：kr -> bd

14、（= ap/ siiikr） /（影響小）,hd（= f sinkr） x （影響大）一>q x英它參數(shù)影響不大。3工件材料：4刀具攜損：後刀面濟損量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、流最、粘度、澆注方式等有關(guān)。§3.4刀貝磨損、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(zhì)量、刀具使用壽命、生產(chǎn)率、經(jīng)濟效益等均有影響。此項研 究對正確設(shè)計、便用刀具及正確選擇切削用暈也具有重要意義。（本節(jié)重點是討論磨損。）3.4.1磨損形式1詢刀面川牙洼磨損:vc較高、hd較大、切塑性金屬時發(fā)生,衡最指標：kt；2. 后刀

15、而瞬損:衡量指標：vb：3邊界膺損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(nèi)的硬質(zhì)點：高硬度金屬碳化物、氮化物、氧化物等。2粘結(jié)瞬損（冷焊瞬損）中速切削時最嚴重，與刀丁化學成分、刃磨質(zhì)量有關(guān)。3. 擴散磨損在緊密:接觸的表面z間煤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)律増加（詳見p91）；加入tic nj'以減緩擴散速度。擴散結(jié)果便表層的耐濟性降低，從而加速濟損。4化學磨損原因有二：1）高溫下氣化；2）切削液使用不當（極性添加劑中s、c1的腐蝕作用）?；瘜W磨損在邊界處最嚴重。343瞬損過程及磨鈍標準1

16、刀具的磨損過程三階段（如圖）研陸可減緩初期瞎損。2刀只的磨鈍標準所允許的刀具最大僭損限度（務用vb）。 iso規(guī)定了刀具的實驗宋弊鈍標準；生產(chǎn)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(guān)手冊）。如：粗加工應以正常瞎損階段終點處的vb；粘加工、切難加工材料時vb應小些；自動化加工應以刀具徑向瞬損量nb作為瞬鈍標準（如圖）。3.4.4刀具便用壽命及英與切削用量的關(guān)系1. 刀具使用壽命（刀具耐川度）t-刃磨后的刀具達到濟鈍標準所需的總切削時間。t是間接反映刀具是否達到瞎鈍標準的量（在i古1定條件下）；刀具總壽命=tx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

17、 = vc-t2. t與切削用量的關(guān)系（可通過切削實驗求得）1）r-vc經(jīng)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(guān)的常數(shù)；m指數(shù)（即圖中直線的斜率）。刀只材料：高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷m 值:0.1 025 0.20.3 0.20.4 m值越犬，說明該刀具材料耐熱性能越好。式（3.21）反映了 vc對t的彩響程度（一般很大）。例：用 yt15 車刀切中碳鋼,m=0.2,當 vl=100m/min 時，tl=160min ,則當 v2=122m/min 時，*.*v 1t1 m= v2t2m = cot2=（v l/v2 ）l/m-t 1=（100/1

18、22）1/0.2x160=60min當 v3=200m/min 時，t3=（vl/v3）l/mt 1=（ 100/200）5" 6x5min-結(jié)論：vc提高一點，則t顯著下降。2）f、ap與t的關(guān)系:綜合式（3.2123）,可得t與切削川量的一般關(guān)系式：用硬質(zhì)合金切中碳鋼時：x =5 y =2.25 z =0.75“三耍素對t的影響程度：vc報大，f其次，叩垠小。這-規(guī)律與切削溫度有關(guān)。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、刀片碎裂或丿j具折斷等）主要發(fā)生在硬質(zhì)合 金、陶瓷等脆性刀具材料，具有突發(fā)性，屈隨機事件；艱性破損（如蜩性變形、卷刃

19、等則主要是當切削用量選擇不當 時高速鋼刀具的損壞形式。在自動化加工中，脆性破損如不能及時發(fā)現(xiàn)，將會導致嚴重后果，所以日益受到重視。1. 刀具破損的主耍形式及原因（1）工具鋼和高速鋼刀具：1）燒刀由于切削速度過高，使切削溫度超過了刀具材料的相變溫度而退火，喪失切削能丿j。2）卷刃由于刀具碩度低而工件整體或局部鎖度高導致的刀刃塑性變形。3）折斷-由于刀具設(shè)計、使用不當或負荷過重所致，常見于鉆頭、絲錐、拉刀、立銃刀等。（2）硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具：1）朋刃-山于前角過人、刃磨質(zhì)量差、斷續(xù)切削、振動、工件余量不均勻、有硬皮、切屑撞擊等原因引起的刃口朋落。2）掉尖或刀片斷裂由于刀具材料有

20、缺陷、裂紋擴展、后角過大、切削用量過大、沖擊載:荷過大、操作不當?shù)仍蛟斐伞?）片狀剝落主要與切屑與刀具間的粘結(jié)有關(guān)，多見于斷續(xù)切削。4）微裂紋-分為機械疲勞裂紋（平行于刀刃）和熱烈紋（垂直于丿j刃），主耍與焊接應力、交變載荷、受熱不均勻等有關(guān)。2. 刀具破損壽命的分布規(guī)律刀具破損壽命n -刀具從開始使用，到發(fā)生破損不能使用為止所承受的沖擊載荷數(shù)。破損雖是隨機現(xiàn)彖，卻并非無規(guī)律可循。大彊實驗研究農(nóng)明：硬質(zhì)合金和陶瓷刀具斷續(xù)切削條件下的破損壽命接近威布 爾分布（詳見p94）o只要確定了分布規(guī)律，就可以在破損大概率發(fā)生z前換刀。3刀具破損的防止措施1）合理選擇刀具材料（選強度高、韌性好的）；2）合

21、理確定刀具兒何參數(shù)（提高刀尖、刀刃的強度）；3）合理選擇切削用最（避免超負荷）；4）提高刀具焊接和刃瞬質(zhì)最以減少微裂紋；5）減少沖擊、避免振動。3.4.5刀具磨損、破損的檢測與監(jiān)控這對于自動化加工十分重要,是保證順利加工的前提。常用方法有:1 常規(guī)方法磨損：記錄何把丿j具實際切削時間，達到規(guī)定耐用度值后發(fā)出信號換刀。破損：離線檢測刀具是否破損及破損程度以決定是否換丿j。2切削力（或切削功率）檢測法由測力傳感器（安裝在主軸前軸承上或刀桿上）在線測量切削力，其增大值反映刀具磨損程度，其突變反映破損。（需 通過實驗確定磨損與破損的"閾值”）3）聲發(fā)射檢測法利用切削過程中聲發(fā)射信號的大小和階

22、躍突變判斷濟損程度和是否破損。英裝置如p96圖3.30所示。§3.6磨削原理磨削是粘加工的主要乎段，可加工多種材料，包括淬火鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、非金屬等難加工材料：可加工務 種表而，包括螺紋、齒面、花鍵、各利|成形面等。其特點是箱度高，可達it6it5甚至更高：粗糙度小，可達ra0.32-0.04 甚至更小。發(fā)達國家磨床可占到機床總數(shù)的3070%,軸承業(yè)高達60%。磨削也可用于粗加工，一些高效磨削的金屬去 除率已超過了切削。3.6.1砂輪特性砂輪可視為具有許多細小刀齒的詵刀，它是由磨料加結(jié)合劑經(jīng)壓坯、干燥、培燒而成，氣孔起容屑、散熱作用。決定其 特性的因素有：1. 磨料起切削

23、作用,分氧化物系（韌性好，硬度較低，磨各種鋼材）、碳化物系（碩、脆,磨鑄鐵、硬質(zhì)合金及非金屬 材料）、高硬磨料系三類，詳見pl06表3.6。2. 粒度即磨料顆粒大小。大的用篩了分級，粒度號即每英寸長度上的網(wǎng)眼數(shù):小于40mm的為微粉，粒度以其尺寸表示。 粒度細，則粗糙度小，但生產(chǎn)率低，易燒傷。一般是粗辭、磨軟材料選粗粒度；蹄、聊碩脆材料選細粒度。詳見下表: 3結(jié)合劑-作用是粘合磨粒，使砂輪成形。常用的有：1）陶瓷結(jié)合劑（代號v）：性質(zhì)穩(wěn)定、成本低，用于大多數(shù)砂輪。2）樹脂結(jié)合劑（代號s）：強度高、彈性好、耐熱性差（自銳性好），用于薄片砂輪、高速磨削和容易發(fā)生磨削燒傷、磨 削裂紋的匸序（如燒薄壁件、超榕磨、濟帔質(zhì)合金等）。3）橡膠結(jié)合劑（代號r）：彈性最好。用于無心瞎床的導輪、薄片砂輪及拋光砂輪。4）金屬結(jié)合劑（代號m）：多為靑銅。強度高、成形性好但自銳性差，主要用于金剛石砂輪。4礎(chǔ)度-在席削力作用卜一，解粒脫落的難易程度。與結(jié)合劑、氣孔多少有關(guān)，影響砂輪的成形性和自銳性。粗磨、