機械制造技術(shù)基礎(chǔ)筆記 大連理工機械考研

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。摩擦面上的接觸狀態(tài)1）峰點型接觸（F不太大時)：m=f/F=tsAr/ssAr=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(jié)摩擦（內(nèi)摩擦）。2.前刀面上刀-屑的摩擦：既有粘結(jié)摩擦,也有滑動摩擦，以粘結(jié)摩擦為主。前刀面上的平均摩擦系數(shù)可以近似用粘結(jié)區(qū)的摩擦系數(shù)表示:m=ts/sav≠常數(shù)當(dāng)前刀面上的平均正應(yīng)力sav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(jié)（冷焊）；(2)由于加工硬化，滯流層金屬在粘結(jié)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(hù)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(zhì)量（增大粗糙度、加深變質(zhì)層、產(chǎn)生振動)?！旨庸r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30~35o)；（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(jié)果，∴切削合力Fr的方向就是材料內(nèi)部主應(yīng)力的方向，剪切面的方向就是材料內(nèi)部最大剪應(yīng)力的方向。根據(jù)材料力學(xué)，二者夾角應(yīng)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↗→Lh↘2。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↗→f↗→Lh↘；積屑瘤變小時,實際前角gb↘→f↘→Lh↗；高速：vc↗→ts↘→m（=ts/sav）↘→f↗→Lh↘2)進(jìn)給量f↗→hD(=f?sinkr)↗→f↗→Lh↘；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(jié)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(shè)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(dāng)能量耗盡后終止,轉(zhuǎn)而向上的裂紋最終到達(dá)自由表面形成斷裂（越靠近自由表面能量消耗越?。?。斷裂碎塊的大小與刃口距附近自由表面的深度有關(guān)，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(fù)進(jìn)行多次?！?.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(guān)。為測量和應(yīng)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(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(jìn)給力Ff(走刀抗力、軸向力）:用于計算進(jìn)給功率和驗算進(jìn)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(dǎo)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(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(xué)處理得到）計算切削力。1。指數(shù)形式的切削力經(jīng)驗公式：主切削力:（3。10)進(jìn)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=kcAcKFc（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=Fcvc+Ffvf=Fcvc+Fffn×10—3≈Fcvc(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素的具體體現(xiàn)就是經(jīng)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(yán)重→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(jìn)給量f：f↗→hD（=f?sinkr）↗（正比）→f↗→Lh↘切削力↗但不成正比∴f的指數(shù)YF≈0。75~0.9,當(dāng)f≠0.3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(guān).vc≠1.33m/s時，需乘以修正系數(shù)Kv。切脆性材料時,F基本不變.指數(shù)ZF≈0?切削用量三要素對切削力的影響程度: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(fù)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↗bg≠0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=60～75時，F(xiàn)c最小;對兩個水平分力影響大Fp↓≈FDCosKr↑Ff↑≈FDsinKr↑Kr≠75O時，需乘以修正系數(shù)KKFc、KKFp、KKFf。4）刀尖圓弧半徑re:re↗→平均Kr↘→Fp↗,Ff↘re≠0.25時,需乘以修正系數(shù)KrFc、KrFp、KrFf。5）刃傾角ls：ls↗→Fc基本不變，F(xiàn)p↘，F(xiàn)f↗ls≠0o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(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.後刀面磨損量VB:VB↗→Fc、Fp、Ff均↗，F(xiàn)p最顯著.VB＞0時，需乘以修正系數(shù)KVBFc、KVBFp、KVBFf?！?.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(zhì)量等均有重要影響.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≈Fcvc（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(chǎn)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(chǎn)生熱量的多少，而是各處溫度的高低。3.3。2切削區(qū)的溫度分布由圖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(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。其主要影響因素有：1。切削用量:經(jīng)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其次,ap影響最小。2.刀具幾何參數(shù)：1）前角：go↗→f↗→Lh↘→Q↘→q↘但go＞18o～20o時，go↗→楔角bo↘→散熱慢,q↘不顯著2）主偏角：kr↘→bD(=ap/sinkr)↗(影響小),hD（=fsinkr）↘(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(dá)到一定值后升溫劇烈。5.切削液：降溫效果與液溫、導(dǎo)熱率、比熱、流量、粘度、澆注方式等有關(guān)?！?。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(zhì)量、刀具使用壽命、生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)效益等均有影響.此項研究對正確設(shè)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(biāo)：KT；2。后刀面磨損：衡量指標(biāo)：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(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)磨損（冷焊磨損）中速切削時最嚴(yán)重,與刀-工化學(xué)成分、刃磨質(zhì)量有關(guān).3。擴(kuò)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(kuò)散到密度較小的一方；擴(kuò)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(kuò)散速度。擴(kuò)散結(jié)果使表層的耐磨性降低，從而加速磨損。4?；瘜W(xué)磨損原因有二：1）高溫下氧化；2)切削液使用不當(dāng)（極性添加劑中S、Cl的腐蝕作用）。化學(xué)磨損在邊界處最嚴(yán)重。3.4。3磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)-所允許的刀具最大磨損限度（多用VB）?！馡SO規(guī)定了刀具的實驗室磨鈍標(biāo)準(zhǔn);●生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)刀具種類、加工要求、切削條件合理確定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)（查有關(guān)手冊）.如：粗加工應(yīng)以正常磨損階段終點處的VB;精加工、切難加工材料時VB應(yīng)小些；自動化加工應(yīng)以刀具徑向磨損量NB作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)（如圖）。3。4。4刀具使用壽命及其與切削用量的關(guān)系1。刀具使用壽命（刀具耐用度)T-—刃磨后的刀具達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所需的總切削時間。T是間接反映刀具是否達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系（可通過切削實驗求得)1）T—vc經(jīng)驗公式（泰勒公式）:vcTm=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）。刀具材料：高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷m值：0。1~0。1250。2～0.30。2～0。4●m值越大，說明該刀具材料耐熱性能越好?！袷剑?。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(dāng)v1=100m/min時，T1=160min,則當(dāng)v2=122m/min時，∵v1T1m=v2T2m=Co∴T2=(v1/v2)1/m?T1=(100/122)1/0。2×160≈60min當(dāng)v3=200m/min時，T3=(v1/v3)1/m?T1=(100/200)5×160≈5min——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。21～23）,可得T與切削用量的一般關(guān)系式：用硬質(zhì)合金切中碳鋼時：x=5y=2.25z=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(guān)。3.4.5刀具的破損●磨損是連續(xù)的、漸進(jìn)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(zhì)合金、陶瓷等脆性刀具材料，具有突發(fā)性，屬隨機事件;塑性破損（如塑性變形、卷刃等)則主要是當(dāng)切削用量選擇不當(dāng)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(dǎo)致嚴(yán)重后果,所以日益受到重視。1.刀具破損的主要形式及原因（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,喪失切削能力。2）卷刃—由于刀具硬度低而工件整體或局部硬度高導(dǎo)致的刀刃塑性變形。3)折斷-由于刀具設(shè)計、使用不當(dāng)或負(fù)荷過重所致，常見于鉆頭、絲錐、拉刀、立銑刀等。（2)硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具：1)崩刃—由于前角過大、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崩落。2)掉尖或刀片斷裂—由于刀具材料有缺陷、裂紋擴(kuò)展、后角過大、切削用量過大、沖擊載荷過大、操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐?3）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（垂直于刀刃），主要與焊接應(yīng)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)象,卻并非無規(guī)律可循。大量實驗研究表明：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）。只要確定了分布規(guī)律，就可以在破損大概率發(fā)生之前換刀.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)合理確定刀具幾何參數(shù)（提高刀尖、刀刃的強度）；3）合理選擇切削用量（避免超負(fù)荷）；4）提高刀具焊接和刃磨質(zhì)量以減少微裂紋;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：記錄每把刀具實際切削時間，達(dá)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刀.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)射信號的大小和階躍突變判斷磨損程度和是否破損。其裝置如p96圖3。30所示?！?。6磨削原理磨削是精加工的主要手段,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；可加工多種表面,包括螺紋、齒面、花鍵、各種成形面等。其特點是精度高,可達(dá)IT6~IT5甚至更高；粗糙度小，可達(dá)Ra0。32～0。04甚至更小。發(fā)達(dá)國家磨床可占到機床總數(shù)的30~40%，軸承業(yè)高達(dá)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(xì)小刀齒的銑刀,它是由磨料加結(jié)合劑經(jīng)壓坯、干燥、焙燒而成，氣孔起容屑、散熱作用。決定其特性的因素有：1.磨料—起切削作用，分氧化物系（韌性好，硬度較低，磨各種鋼材）、碳化物系（硬、脆,磨鑄鐵、硬質(zhì)合金及非金屬材料)、高硬磨料系三類，詳見p106表3。6。2.粒度-即磨料顆粒大小.大的用篩子分級，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(xì),則粗糙度小,但生產(chǎn)率低，易燒傷.一般是粗磨、磨軟材料選粗粒度；精磨、磨硬脆材料選細(xì)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、磨削裂紋的工序（如磨薄壁件、超精磨、磨硬質(zhì)合金等）。3)橡膠結(jié)合劑(代號R）:彈性最好。用于無心磨床的導(dǎo)輪、薄片砂輪及拋光砂輪.4）金屬結(jié)合劑（代號M）:多為青銅。強度高、成形性好但自銳性差，主要用于金剛石砂輪。4。硬度-在磨削力作用下,磨粒脫落的難易程度.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、磨硬材料選軟砂輪,精磨、成形磨、磨