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金属切削过程

金属切削过程

  金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过程,在这一过程中,始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾,产生许多物理现象,如切削力、切削热、积屑瘤、刀具磨损和加工硬化等。

一.切削过程及切屑种类

1.切屑形成过程:
 a. 对塑性金属进行切削时,切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。
  当工件受到刀具的挤压以后,切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形。在OA面上,应力达到材料的屈服强度,则发生塑性变形,产生滑移现象。
随着刀具的连续移动,原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢,应力和变形也逐渐加大。在终滑移面上,应力和变形达到最大值。越过该面,切削层金属将脱离工件基体,沿着前刀面流出而形成切屑。
b.三个变形区:
(1)第一变形区I:从OA线到OE线内的区域,伴随沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化。
(2)第二变形区II:切屑与前刀面磨擦的区域,切削底层靠近前刀面处纤维化,流动速度减缓,切削弯曲,切削与刀具接触温度升高。
(3)第三变形区III:工件已加工表面与后刀面接触的区域,存在纤维化与加工硬化,变形较密集。
2.切屑的类型及切屑控制(图a~c为切削塑性材料,图d为切削脆性材料)

切 削 类 型

a.切屑的类型:

切削类型
切 削 条 件
特 征
a)带状切屑 切削厚度较小,切削速度较高,刀具前角较大 内表面光滑,外表面毛茸
b)挤裂切屑 切削速度较低,切削厚度较大,刀具前角较小 内表面有裂纹,外表面呈锯齿形
c)单元切屑 相比b)进一步减小刀具前角,减低切削速度 整个单元被切离
d)崩碎切屑 加工硬脆材料时切削厚度较大时产生 形状是不规则的,表面是凸凹不平的

b.切屑控制:
  “不可接受”的切屑:切削条件恶劣导致。影响主要有拉伤工件的已加工表面;划伤机床;造成刀具的早期破损;影响操作者安全。
   切屑控制:在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断,使形成“可接受”的良好屑形。
 “可接受”的切屑标准:不妨碍正常的加工;不影响操作者的安全;易于清理、存放和搬运。
   切削控制的措施:在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。
       断屑槽的基本形式:
     L:切屑在前刀面上的接触长度
     R:卷屑槽半径

二.积屑瘤

积屑瘤现象

  在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下,加工一般钢料或其它塑性材料时,常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高,通常是工件材料的2—3倍,在处于比较稳定的状态时,能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。
1.积屑瘤的形成过程
1)切屑对前刀面接触处的摩擦,使前刀面十分洁净。
2)当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时,会产生粘结现象,即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过,形成“内摩擦”。
3)如果温度与压力适当,底层上面的金属因内摩擦而变形,也会发生加工硬化,而被阻滞在底层,粘成一体。
4)这样粘结层就逐步长大,直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。

2.切屑瘤对切削过程的影响
1)实际前角增大
2)增大切削厚度,可能引起振动
3)是加工表面粗糙度增大
4)对刀具寿命有影响

3.积屑瘤产生原因分析
  积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关,也与刃前区的温度和压力分布有关。一般说来,塑性材料的加工硬化倾向愈强,愈易产生积屑瘤;温度与压力太低,不会产生积屑瘤;反之,温度太高,产生弱化作用,也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时,积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
通过分析积屑瘤产生原因可以得出防止积屑瘤的主要方法:
1)降低切削速度,使温度较低,粘结现象不易 发生;
2)采用高速切削,使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度;
3)采用润滑性能好的切削液,减小摩擦;
4)增大刀具前角,以减小切屑于前刀面接触区的压力;
5)适当提高工件材料硬度,减小加工硬化倾向。

三.切削力和切削功率

1.切削力
  金属切削时,刀具切入工件,使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力,称为切削力。
a.切削力的来源
(1)克服被加工材料对弹性变形的抗力;
(2)克服被加工材料对塑性变形的抗力;
(3)克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。
切削
b.切削合力
 (1)Fz——主切削力或切向力。它的方向与过渡表面相切并与基面垂直。Fz是计算车刀强度,设计机床零件,确定机床功率所必需的。
 (2)Fx——进给力、轴向力或走刀力。它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。Fx是设计走刀机构,计算车刀进给功率所必需的。
 (3)Fy——切深抗力、或背向力、径向力 、吃刀力。它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度,计算机床零件和车刀强度。工件在切削过程中产生的振动往往与Fy有关。

c.切削合力及其分解

切削
2.切削功率

  消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率Pm。

Pm—切削功率(KW)
Fz—切削力(N)
v—切削速度(m/s)
Fx—进给力(N)
nw—工件转速(r/s)
f—进给量(mm/r)

四.切削热和切削温度

1.切削热的产生和传导
研究切削热和切削温度也是分析工件加工质量和刀具寿命的重要内容。
切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。
切削用量对切削热的影响
背吃刀量ap>切削速度v>进给量f

切削热

  切削塑性材料时,变形和摩擦都比较大,所以发热较多。切削速度提高时,因切屑的变形减小,所以塑性变形产生的热量百分比降低,而摩擦产生热量的百分比增高。切削脆性材料时,后刀面上摩擦产生的热量在切削热中所占的百分比增大。

切削过程示意

影响切削热的因素:
a.工件材料的导热性能是影响热量传导的重要因素。
 工件材料的导热系数越低,通过工件和切屑传导出去的切削热量越少,这就必然会使通过刀具传导出去的热量增加。切削产生的热量不易传出,切削温度因而随之增高,刀具就容易磨损。
刀具材料的导热系数较高时,切削热易从刀具方面导出,切削区域温度随之降低,这有利于刀具寿命的提高。
b.切屑与刀具接触时间的长短,也影响刀具的切削温度。外圆车削时,切屑形成后迅速脱离车刀而落人机床的容屑盘中,故切屑的热量传给刀具不多。钻削或其它半封闭式容屑的切削加工,切屑形成后仍与刀具及工件相接触,切屑将所带的切削热再次传给工件和刀具,使切削温度升高。

2.切削温度的测量

  切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。前刀面的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和。
  切削温度的测量方法很多,大致可分为热电偶法、辐射温度计法以及其它测量方法。目前应用较广的是自然热电偶法和人工热电偶法。

切削温度的测量仪器

3.影响切削温度的主要因素

a.切削用量的影响:
 在切削用量三要素中,v的指数最大,f次之,ap最小,V>f>ap。这说明切削速度对切削温度影响最大,随切削速度的提高,切削温度迅速上升。而背吃刀量变化时,散热面积和产生的热量亦作相应变化,故对切削温度的影响很小。因此为了有效地控制切削温度以提高刀具寿命,在机床允许地条件下,选用较大的吃刀深度和进给量,比选用大的切削速度更为有利。
b.工件材料的影响:强度越大切削温度越高;导热系数越高切削温度越低;
c.刀具几何参数的影响:
1)切削温度随前角增大而降低,但到一定程度时,对切 削温度的影响减小;
2)主偏角减小时,切削温度下降;
d.刀具磨损的影响:磨损越严重,切削温度越高;
e.切削液的影响:与切削液特性有关。

4切削温度对工件、刀具和切削过程的影响

a.切削温度对工件材料强度和切削力的影响:切削温度对工件材料强度、切削力影响不大。
 原因:
  1)在切削速度较高时,变形速度很高,其对增加材料强度的影响,足以抵消高的切削温度使材料强度降低的影响;
  2)切削温度是在切削变形过程中产生的,因此对剪切面上的应力应变状态来不及产生很大的影响,只对切屑底层的剪切强度产生   影响。
b.对刀具材料的影响:提高切削温度,可提高硬质合金韧性,不易崩刃,降低磨损;各类刀具材料在切削各种工件材料时,都有一个 最佳切削温度范围。
c.对工件尺寸精度的影响:主要是工件受热膨胀所致。
 刀杆受热膨胀,切削时实际切削深度增加使直径减小。
 工件受热变长,但因夹固在机床上不能自由伸长而发生弯曲,车削后工件中部直径变化。

d.利用切削温度自动控制切削温度或进给量。
 各种刀具材料切削不同的工件材料都有一个最佳切削温度范围。因此,可利用切削温度来控制机床的转速或进给量,保持切削温度 在最佳范围内,以提高生产率及工件表面质量。
e.利用切削温度与切削力控制刀具磨损。
 运用刀具—工件热电偶,能在几分之一秒内指示出一个较显著的刀具磨损的发生。跟踪切削过程中的切削力以及切削分力之间比例 的变化,也可反映切屑碎断、积屑瘤变化或刀具前、后面及钝圆处的磨损情况。切削力和切削温度这两个参数可以互相补充,以用 于分析切削过程的状态变化。

五.刀具磨损和刀具耐用度

1.刀具磨损的形态及其原因

磨损是连续的、逐渐的。
 刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。低温区以机械磨损为主,高温区以热、化学磨损为主。
磨损的形态:
1)前刀面磨损
2)后刀面磨损
3)边界磨损

刀具磨损

a.前刀面磨损
 月牙洼磨损的形成过程:
  切削塑性材料时,如果切削速度和切削厚度较大,由于切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触和摩擦,化学活性很高,反应很强烈,接触面又有很高的压力和温度,接触面积中有80%以上是实际接触,空气或切削液渗入比较困难,因此在前刀面上形成月牙洼磨损。使刀刃强度降低,易导致刀刃破损。
b.后刀面磨损
  切削时,工件的新鲜加工表面与刀具后刀面接触,相互摩擦,引起后刀面磨损。后刀面虽然有后角,但由于切削刃不是理想的锋利,而有一定的钝圆,后刀面与工件表面的接触压力很大,存在着弹性和塑性变形;因此,后刀面与工件实际上是小面积接触,磨损就发生在这个接触面上。切削铸铁和以较小的切削厚度切削塑性材料时,主要发生这种磨损,后刀面磨损带往往不均匀。
c.边界磨损
  切削钢料时,常在主切削刃靠近工件外表皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上,磨出较深的沟纹。此两处分别是在主、副切削刃与工件待加工或已加工表面接触的地方。

2.刀具磨损过程及磨钝标准

刀具磨损过程可分为三个阶段:
1)初期磨损阶段 这一阶段的磨损较快;
2)正常磨损阶段 磨损量随切削时间延长而近似地成比例增加;
3)急剧磨损阶段 为保证加工质量,应当避免达到这个磨损阶段。
 磨钝标准:刀具磨损到一定限度就不能继续使用,这个磨损限度称为磨钝标准。为避免直接检测给生产带来的不便,常根据切削中的一些现象来判断是否达到磨钝标准。

3.刀具寿命的经验公式

刀具寿命:一把新刀 (或重新刃磨过的刀具)从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间,称为刀具寿命。
刀具总寿命:对于可重磨刀具,刀具寿命指的是刀具两次刃磨之间所经历的实际切削时间;而对其从第一次投入使用直至完全报废(经刃磨后亦不可再用)时所经历的实际切削时间,叫做刀具总寿命。
切削用量对刀具寿命的影响:v>f>ap

 刀具的破损:刀具在一定的切削条件下使用时,如果它经受不住强大的应力,就可能发生突然损坏,使刀具提前失去切削能力,这种情况就称为刀具破损。
 破损可认为是一种非正常的磨损,磨损是一个比较缓慢的逐渐发展的刀具表面损伤过程,而破损则是一个突发过程,刹那间使刀具失效。
 刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。硬质合金和陶瓷刀具在切削时,在机械和热冲击作用下,经常发生脆性破损。脆性破损又分为崩刃、碎断、剥落和裂纹破损。

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