第三章 切削与磨削原理本章的主要内容、特点和学习要求1、主要内容 切削过程、切削力、切削热、刀具磨损、切削条件选择等。2、特点 阐述了切削加工过程中产生的现象，探讨了其控制方法。3、要求：1）了解切屑的类型及控制；2) 了解积屑瘤产生的条件、利弊及控制。3）了解磨削原理。4）了解材料切削加工性的改善途径。5）熟悉切削力、切削热的影响因素及控制。6）熟悉刀具的磨损形式、原因、及磨损过程。7）掌握刀具角度和切削用量的合理选择。第一节 切削过程 切削过程就是刀具从工件表面上切除多余材料，从切屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程。一、切屑的形成过程 是工件材料受到刀具前刀面的推挤后发生塑性变形，最后沿某一斜面剪切滑移形成的。二、切屑类型及切屑控制1.切屑类型常见切屑有如以下四种:（1）带状切屑形成条件：加工塑性金属材料、进给量较小、切削速度较高、刀具前角较大。特点：切削过程平稳，切削力波动小，已加工表面粗糙度值较小。（2）节状切屑形成条件：加工塑性金属材料、进给量较大、切削速度较低。特点：切屑的外弧表面呈锯齿状，内弧表面有时有裂纹。（3）粒状切屑形成条件：加工塑性金属材料、进给量较大、切削速度较低、刀具前角较小。以上三种切屑都是在加工塑性金属材料时得到的，改变切削条件，可互相转变。（4）崩碎切屑形成条件：加工脆性金属材料。进给量越大，越容易得到。2、切屑的控制可根据形成条件进行控制。如切削量三要素、刀具角度等。目的：为了使切削过程的正常进行和保证已加工面的质量，必须使切屑卷曲和折断。三、积屑瘤定义:切削塑性金属材料时，来自切屑和工件的金属粘结层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块-。v产生的原因:切屑和工件产生剧烈摩擦,，摩擦力切屑内部的分子结合力,-。v利弊:保护刀刃和增大前角。但时现时消，降低加工精度。粗加工时利用，精加工时避免。u控制:l首先改变切削速度；l其次使用切削液；l塑性高的材料，进行正火处理，以提高硬度降低塑性。u切削速度大小对积屑瘤的影响l切削速度很低时，切屑与前刀面摩擦小，切屑内部分子结合力大，故不产生积屑瘤。l切削速度较高时，切屑底面金属呈微熔状态，摩擦小，故不产生积屑瘤。l切削速度不高又不低时，切削温度高，摩擦大，切屑与前刀面摩擦阻力大于切屑内部分子结合力，因而产生积屑瘤。四、加工硬化n加工硬化切削塑性材料时，已加工面的硬度高于工件材料原来的硬度。n利弊：提高了工件的耐磨性，但也增大了表面层的脆化，降低了抗冲击的能力，给后续加工带来困难，如加速刀具磨损等。n加工硬化表示方法加工硬化用硬化程度和深度表示。硬化程度N：N=（H/H0）100%H0基体的显微硬度（HV）；H硬化层的显微硬度（HV）。n影响加工硬化的因素及控制措施l选择较大的前角和后角；如后角越大，工件与后刀面摩擦越小，加工硬化程度和硬化层深度均减小。l合理确定后刀面磨损VB值；l提高刀具刃磨质量；l合理选择切削用量，尽量选较高的切削速度和较小的进给量；l使用性能好的切削液。第二节 切削力一、切削力的来源与分解克服材料的变形抗力，克服切屑与前刀面及工件与后刀面之间的摩擦阻力，合力-。n切削力的分解:n主切削力Fz:切向力。Fz用于计算刀具强度、设计机床零件、确定机床功率等。n吃刀抗力Fy:径向抗力。Fy用于计算与加工精度有关的工件挠度和刀具、机床零件的强度等。n走刀抗力Fx:轴向抗力。Fx用于计算进给功率和设计机床进给机构等。n影响切削力的主要因素n工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。n刀具的几何角度的影响其中，前角对切削力的影响最大。增大前角，切屑变形小，切削力小。n切削用量的影响u切削深度增加，切削力成正比增大。u进给量增加，切削力增大。u通常切削速度增大，切削力增大。n刀具材料的影响原因：刀具材料与工件材料间亲和性及磨擦。影响切削力大小顺序：按照立方碳化硼、陶瓷、涂层刀、硬质合金、高速钢刀具的次序，切削力依次增大。n切削液的影响切削液具有润滑作用，使切削力降低。切削液的主要种类：u水溶液冷却为主，粗加工。u乳化液润滑为主，精加工。u切削油润滑作用好。二、切削功率Pc 消耗在切削加工过程中的功率称为工作功率。工作功率分为两部分：（1）主运动消耗的功率，称为切削功率。（2）进给运动消耗的功率，称为进给功率。 由于进给功率相对切削功率太小，可忽略。所以工作功率用切削功率代替。 在计算机床电机功率Pm时，要考虑机床的传动效率。 PmPc/m第三节 切削热切削热和切削温度的影响：l 影响工件材料的性能；l 前刀面的摩擦系数和切削力的大小；l 刀具磨损和寿命；l 加工表面质量；l 工艺系统的热变形和加工精度。一、切削热的产生与传导切削功-热能。切削热来源于切屑变形功、切屑与前刀面及工件与后刀面之间的摩擦。l加工塑性金属材料，切削热来源于切屑变形；l加工脆性金属材料，后刀面之间的摩擦。切削过程中所消耗的能量有98%-99%转换为热能。二、切削温度切削温度-切屑、工件和刀具接触面上的平均温度。 它是由切削热的产生与传出的条件所决定。影响切削温度的因素：凡是增大切削力的因素都会使切削温度上升。而有利于切削热传出的因素都会使切削温度降低。如充分浇注切削液，会使切削温度降低。切削液的种类及选择：u水溶液冷却为主，粗加工。u乳化液润滑为主，精加工。u切削油润滑作用好。u加工铸铁和铝合金时，一般不用切削液。第四节 刀具磨损一、刀具磨损形式1、前刀面磨损2、后刀面磨损3、边界磨损二、刀具磨损的原因1、磨料磨损 工件材料中的杂质、碳化物、氧化物等硬质点在刀具表面刻划沟纹而造成的磨损。 在各种切削速度下，刀具都存在磨料磨损。n磨料磨损机理图图图图 磨损过程示意图磨损过程示意图磨损过程示意图磨损过程示意图n n磨料磨损的表面特征有有有有擦擦擦擦伤伤伤伤或或或或由由由由犁犁犁犁皱皱皱皱形形形形成成成成的的的的沟沟沟沟槽。槽。槽。槽。图图图图 磨料磨损表面形貌磨料磨损表面形貌磨料磨损表面形貌磨料磨损表面形貌2、粘结磨损刀具与工件材料接触达到原子间距离时所产生的粘结现象，又称冷焊。刀具与工件材料的硬度比越小，相互间的亲和力越大，粘结磨损就越严重。n n粘着磨损的表面特征图图图图 Al-SnAl-Sn合金轴瓦的粘着磨损合金轴瓦的粘着磨损合金轴瓦的粘着磨损合金轴瓦的粘着磨损机机机机件件件件表表表表面面面面有有有有大大大大小小小小不不不不等等等等的的的的结结结结疤疤疤疤。l扩散磨损 由于高温，刀具与工件被切出的新鲜表面接触，化学活性很大，刀具与工件材料的化学元素有可能互相扩散，使两者的化学成分发生变化，削弱刀具材料的性能，加速磨损过程。l其它 如化学磨损、热电磨损等。三、刀具磨损过程刀具磨损分为三个阶段：四、刀具使用寿命1、刀具的磨钝标准 刀具磨损到一定限度后就不能使用，这个限度就是磨钝标准。2、刀具使用寿命l刀具使用寿命（耐用度） 刃磨后至磨钝标准为止的切削时间。l刀具总使用寿命 对于重磨刀具，刀具第一次使用到报废之前的总切削时间。五、刀具磨损检测 自动化加工中，必须对刀具进行及时的监测和监控。 主要方法有：在线、离线、实时和非实时等。1、常规方法 记录每把刀的实际切削时间，与刀具使用寿命（耐用度）比较，当达到规定的耐用度数值后，发出信号进行换刀。2、切削力检测法 与正常切削不同，当刀具磨损后，切削力突然增大。通过切削力的变化幅值，可以判断刀具的磨损程度。检测法:l测力传感器放在刀杆上 效果好，但刀具频繁更换，结构实现困难。l测力传感器放在主轴前轴承上 效果好，不受刀具频繁更换的影响。3、声发射法 正常切削时，声发射信号小而连续，磨损后，声发射信号增大。第五节 金属切削条件的合理选择一、工件材料的切削加工性材料的切削加工性指它被切削加工成合格零件的难易程度。 同一个零件，所用的材料不同，加工成合格零件的难易程度不同。改善途径:l调整化学成分l热处理二、刀具几何参数的合理选择1、前角n前角前刀面和基面间的夹角。n前角的影响 增大前角，则主切削刃锋利。但过大,刀刃脆弱。n前角的选择 生产中根据工件材料、刀具材料和加工要求选择前角。n前角的选择原则l工件材料的强度、硬度较高时，选用较小的前角。l粗加工等选用较小的前角。l精加工选用较大的前角。l加工塑性材料时，用较大的前角。l对于成型刀具或不宜频繁更换的刀具，选用较小的前角。2、后角n后角-主后刀面和切削平面间的夹角。n影响减少刀具与主后刀面与工件间的摩擦。但过大，使刀具强度降低。n后角的选择l粗加工和承受冲击载荷的刀具，为保证刀具强度。应选用较小的后角。l精加工为减小后刀面的磨损，应选用较小的后角。3、主偏角n主偏角-主切削刃和进给方向在基面上投影的夹角。n主偏角的影响减小主偏角，切削刃参加工作长度增加，增大了散热面积，使刀具寿命得到了提高。但是减小主偏角使径向力增加，加大了工件的变形程度。n主偏角的选择当加工刚性差的工件时，为了避免工件产生变形和振动，常采用较大的主偏角。4、副偏角n副偏角副切削刃和进给反方向在基面上投影的夹角。n影响副偏角小，可减小粗糙度；但副偏角过小，增大副后刀面和已加工面间的摩擦。5、刃倾角n刃倾角主切削刃和基面的夹角。n影响l排屑方向。刃倾角为负时，切屑流向已加工表面，易划伤已加工表面；刃倾角为正时，切屑流向待加工表面。l切削力。一般，刃倾角为正时，切削力小；刃倾角为负时，切削力大。n选择:精加工，取正或零。三、切削用量的合理选择 切削速度、进给量和切削深度称之为切削用量三要素。选择原则: l 粗加工时,在保证合理的刀具耐用度的前提下, 首先选取大的切削深度,其次取较大的进给量,最后取适当的切削速度。l 精加工时, 保证加工精度和表面的粗糙度。取小的进给量和切削深度,取较高或较低的切削速度。u积屑瘤定义:切削塑性金属材料时，来自切屑和工件的金属粘结层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块-。u切削速度大小对积屑瘤的影响l切削速度很低时，切屑与前刀面摩擦小，切屑内部分子结合力大，故不产生积屑瘤。l切削速度较高时，切屑底面金属呈微熔状态，摩擦小，故不产生积屑瘤。l切削速度不高又不低时，切削温度高，摩擦大，切屑与前刀面摩擦阻力大于切屑内部分子结合力，因而产生积屑瘤。四、切削液的合理选择 选择时应根据工件材料、刀具材料和加工要求。（1）工件材料 切削钢等塑性材料时，用切削液。切削铸铁等脆性材料时，不用切削液。（2）刀具材料 高速钢刀具耐热性差，采用切削液。硬质合金刀具耐热性好，一般不采用切削液。（3）加工要求钻孔等加工，摩擦严重，采用切削液。粗加工用冷却为主的切削液，精加工用润滑为主的切削液。切削液的主要种类：l水溶液冷却为主，粗加工。l乳化液润滑为主，精加工。l切削油润滑作用好。第六节 磨削原理v磨削不仅用于精加工，也可以用于粗加工毛皮去皮加工，并有较高的生产率和良好的经济性。v磨削加工精度一般为IT5-IT6级，甚至高于IT5级，表面粗糙度可达Rz0.2-0.04微米。v磨削加工应用越来越广。原因：l高强度和难切削材料的广泛应用。l零件精度要求的不断提高。一、砂轮n砂轮磨料和结合剤烧结而成的多孔体。每一颗磨粒相当于一个刀齿，整个砂轮相当于无数刀齿的铣刀。n砂轮特性:1、磨料磨料切削工作的材料。 常用的用氧化物系、碳化物系和高硬磨料系三类。2、粒度n粒度-磨料颗粒的大小。颗粒号越大，颗粒越小。n粒度的选择与加工表面的粗糙度、生产率等有关。l粗磨时，磨削余量大，选粗的颗粒。l精磨和成型磨时，选用细的磨粒，以减小工件的表面粗糙度。3、结合剤l陶瓷结合剤性能稳定，不怕油、酸、碱的腐蚀。适用于磨削齿轮、螺纹等。l树脂结合剤强度高，能制成薄片砂轮磨槽。l橡胶结合剤强度和弹性比树脂结合剤更高，可制作极薄的砂轮。l金属结合剤用于制作金刚石砂轮和磨具。（4）硬度n硬度砂轮表面的颗粒在外力作用下，脱落的难易程度。容易脱落的，表示砂轮的硬度软，反之，则硬。因此，同一种磨料可以做成硬度不同的砂轮。n砂轮硬度对生产率和加工质量的影响l砂轮太硬，磨粒磨钝后不脱落，磨削力和磨削热增加，工件表面以烧伤。l砂轮太软，磨粒未磨钝就脱落，砂轮的消耗量增加。n砂轮硬度的选择l磨削软材料时，磨粒不易被磨钝，所以应选用较硬的砂轮。l磨削硬材料时，选用较软的砂轮。l成形磨削和精磨时，为保证零件的形状精度，应选用较硬的砂轮。l磨削断续表面时，应选用较硬的砂轮。二、磨削机理磨屑形成的三个阶段：l 弹性变形阶段；l 塑性变形阶段；l 形成磨屑阶段。l加工精度高l可以磨削高硬度材料l单位磨削力很大l磨削温度高三、磨削加工的特点