研究金屬切削加工過程中刀具與工件之間相互作用和各自的變化規(guī)律的一門學(xué)科。在設(shè)計(jì)機(jī)床和刀具?制訂機(jī)器零件的切削工藝及其定額?合理地使用刀具和機(jī)床以及控制切削過程時?都要利用金屬切削原理的研究成果?使機(jī)器零件的加工達(dá)到經(jīng)濟(jì)?優(yōu)質(zhì)和高效率的目的消玄。

　　簡史

　　金屬切削原理的研究始于19世紀(jì)中葉跟伏。1851年?法國人M.科克基拉最早測量了鉆頭切削鑄鐵等材料時的扭矩?列出了切除單位體積材料所需功的表格。1864年?法國人若塞耳首先研究了刀具幾何參數(shù)對切削力的影響翩瓜。1870年?俄國人..季梅首先解釋了切屑的形成過程?提出了金屬材料在刀具的前方不僅受擠壓而且受剪切的觀點(diǎn)受扳。1896年?俄國人..布里克斯開始將塑性變形的概念引入金屬切削。至此?切屑形成才有了較完整的解釋兔跌。1904年?英國人J.F.尼科爾森制造了第一臺三向測力儀?使切削力的研究水平跨前了一大步勘高。1907年美國人泰勒?F.W.研究了切削速度對刀具壽命的影響?發(fā)表了著名的泰勒公式。1915年?俄國人..烏薩喬夫?qū)犭娕疾宓娇拷邢魅械男】字袦y得了刀具表面的溫度(常稱人工熱電偶法)?并用實(shí)驗(yàn)方法找出這一溫度同切削條件間的關(guān)系坟桅。1924～1926年?英國人E.G.赫伯特?美國人H.肖爾和德國人K.科特文各自獨(dú)立地利用刀具同工件間自然產(chǎn)生熱電勢的原理測出了平均溫度(常稱自然熱電偶法)华望。1938～1940年美國人H.厄恩斯特和M.E.麥錢特利用高速攝影機(jī)通過顯微鏡拍攝了切屑形成過程?并且用摩擦力分析和解釋了斷續(xù)切屑和連續(xù)切屑的形成機(jī)理。40年代以來?各國學(xué)者系統(tǒng)地總結(jié)和發(fā)展了前人的研究成果?充分利用近代技術(shù)和先進(jìn)的測試手段?取得了很多新成就?發(fā)表了大量的論文和專著仅乓。例如?美國人S.拉馬林加姆和J.T.布萊克于1972年通過掃描電鏡利用微型切削裝置對切屑形成作了動態(tài)觀察?得到用位錯力學(xué)解釋切屑形成的實(shí)驗(yàn)根據(jù)赖舟。

　　學(xué)科內(nèi)容

　　主要內(nèi)容包括金屬切削中切屑的形成和變形?切削力和切削功?切削熱和切削溫度?刀具的磨損機(jī)理和刀具壽命?切削振動和加工表面質(zhì)量等蓬戚。

　　切屑形成機(jī)理

　　從力學(xué)的角度來看?根據(jù)簡化了的模型?金屬切屑的形成過程與用刀具把一疊卡片1?2?3?4?……等推到 1?2?3?4?……等位置的情形相似?卡片之間相互滑移即表示金屬切削區(qū)域的剪切變形。經(jīng)過這種變形以后?切屑從刀具前面上流過時又在刀?屑界面處產(chǎn)生進(jìn)一步的摩擦變形宾抓。通常?切屑的厚度比切削厚度大?而切屑的長度比切削長度短?這種現(xiàn)象就叫切屑變形如麦。金屬被刀具前面所擠壓而產(chǎn)生的剪切變形是金屬切削過程的特征。由于工件材料?刀具和切削條件不同?切屑的變形程度也不同?因此可以得到各種類型的切屑屏商。

　　積屑瘤

　　在用低?中速連續(xù)切削一般鋼材或其它塑性材料時?切屑同刀具前面之間存在著摩擦?如果切屑上緊靠刀具前面的薄層在較高壓強(qiáng)和溫度的作用下?同切屑基體分離而粘結(jié)在刀具前面上?再經(jīng)層層重疊粘結(jié)?在刀尖附近往往會堆積成一塊經(jīng)過劇烈變形的楔狀切屑材料?叫做積屑瘤聂挚。積屑瘤的硬度較基體材料高一倍以上?實(shí)際上可代替刀刃切削。積屑瘤的底部較穩(wěn)定?頂部同工件和切屑沒有明顯的分界線?容易破碎和脫落?一部分隨切屑帶走?一部分殘留在加工表面上?從而使工件變得粗糙犹蝇。所以在精加工時一定要設(shè)法避免或抑制積屑瘤的形成菱泻。積屑瘤的產(chǎn)生?成長和脫落是一個周期性的動態(tài)過程(據(jù)測定?它的脫落頻率為30～170次/秒)?它使刀具的實(shí)際前角和切削深度也隨之發(fā)生變化?引起切削力波動?影響加工穩(wěn)定性。在一般情況下?當(dāng)切削速度很低或很高時?因沒有產(chǎn)生積屑瘤的必要條件(較大的切屑與刀具前面間的摩擦力和一定的溫度)?不產(chǎn)生積屑瘤挑单。

　　切削力

　　切削時刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力?這些力組成合力F ?在外圓車削時?一般將這個切削合力F 分解成三個互相垂直的分力切向力F ──它在切削速度方向上垂直于刀具基面?常稱主切削力?徑向力F ──在平行于基面的平面內(nèi)?與進(jìn)給方向垂直?又稱推力?軸向力F ──在平行于基面的平面內(nèi)?與進(jìn)給方向平行?又稱進(jìn)給力馒俊。一般情況下?F 最大?F 和F 較小?由于刀具的幾何參數(shù)?刃磨質(zhì)量和磨損情況的不同和切削條件的改變?F ?F 對F 的比值在很大的范圍內(nèi)變化。

　　切削過程中實(shí)際切削力的大小?可以利用測力儀測出唾莲。測力儀的種類很多?較常用的是電阻絲式和壓晶體管式測力儀。測力儀經(jīng)過標(biāo)定以后就可測出切削過程中各個分力的大小瘸卦。

　　車削時的切削功率主要為主切削力F 所消耗?可用下式計(jì)算

　　切削熱

　　切削金屬時?由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面?后面摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊?這種熱叫切削熱瘩此。使用切削液時?刀具?工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走?不用切削液時?切削熱主要由切屑?工件和刀具帶走或傳出?其中切屑帶走的熱量最大?傳向刀具的熱量雖小?但前面和后面上的溫度卻影響著切削過程和刀具的磨損情況?所以了解切削溫度的變化規(guī)律是十分必要的。 

　　切削溫度

　　切削過程中切削區(qū)各處的溫度是不同的?形成一個溫度場柳锣，這個溫度場影響切屑變形?積屑瘤的大小?加工表面質(zhì)量?加工精度和刀具的磨損等?還影響切削速度的提高愧理。一般說來?切削區(qū)的金屬經(jīng)過剪切變形以后成為切屑?隨之又進(jìn)一步與刀具前面發(fā)生劇烈摩擦?所以溫度場中溫度分布的最高點(diǎn)不是在正壓力最大的刃口處?而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區(qū)的溫度分布情況?須用人工熱電偶法或紅外測溫法等測出折柠。用自然熱電偶法測出的溫度僅是切削區(qū)的平均溫度宾娜。

　　刀具磨損

　　刀具在切削時的磨損是切削熱和機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的物理作用和化學(xué)作用的綜合結(jié)果。刀具磨損表現(xiàn)為在刀具后面上出現(xiàn)的磨損帶?缺口和崩刃等?前面上常出現(xiàn)的月牙洼狀的磨損?副后面上有時出現(xiàn)的氧化坑和溝紋狀磨損等扇售。當(dāng)這些磨損擴(kuò)展到一定程度以后就引起刀具失效?不能繼續(xù)使用前塔。刀具逐漸磨損的因素?通常有磨料磨損?粘著磨損?擴(kuò)散磨損?氧化磨損?熱裂磨損和塑性變形等。在不同的切削條件下?尤其是在不同切削速度的條件下?刀具受上述一種或幾種磨損機(jī)理的作用承冰。例如?在較低切削速度下?刀具一般都因磨料磨損或粘著磨損而破損?在較高速度下?容易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損?氧化磨損和塑性變形华弓。

　　刀具壽命

　　刀具由開始切削達(dá)到刀具壽命判據(jù)以前所經(jīng)過的切削時間叫做刀具壽命(曾稱刀具耐用度)?刀具壽命判據(jù)一般采用刀具磨損量的某個預(yù)定值?也可以把某一現(xiàn)象的出現(xiàn)作為判據(jù)?如振動激化?加工表面粗糙度惡化?斷屑不良和崩刃等。達(dá)到刀具壽命后?應(yīng)將刀具重磨?轉(zhuǎn)位或廢棄困乒。刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命寂屏。泰勒提出的刀具壽命和切削速度之間相互制約的經(jīng)驗(yàn)公式為

　　＝式中為刀具壽命(分)?為切削速度(米/分)?和為常數(shù)(與切削條件有關(guān))娜搂。

　　生產(chǎn)中常根據(jù)加工條件按最低生產(chǎn)成本或最高生產(chǎn)率的原則?來確定刀具壽命和擬定工時定額迁霎。

　　切削加工性

　　指零件被切削加工成合格品的難易程度。它根據(jù)具體加工對象和要求?可用刀具壽命的長短?加工表面質(zhì)量的好壞?金屬切除率的高低?切削功率的大小和斷屑的難易程度等作為判據(jù)百宇。在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中?常以作為某種材料的切削加工性的指針?它的含義是?當(dāng)?shù)毒邏勖鼮榉昼姇r?切削該材料所允許的切削速度考廉。越高?表示加工性越好?一般取60?30?20或10分鐘枪蜕。 

　　加工表面質(zhì)量

　　通常包括表面粗糙度?加工硬化?殘余應(yīng)力?表面裂紋和金相顯微組織變化等。切削加工中影響加工表面質(zhì)量的因素很多?例如刀具的刀尖圓弧半徑?進(jìn)給量和積屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素?刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和殘余應(yīng)力的主要因素迈招。因此?生產(chǎn)中常通過改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來提高加工表面質(zhì)量农泊。

　　切削振動

　　切削過程中?刀具與工件之間經(jīng)常會產(chǎn)生自由振動?強(qiáng)迫振動或自激振動(顫振)等類型的機(jī)械振動。自由振動是由機(jī)床零部件受到某些突然沖擊所引起?它會逐漸衰減缘赋。強(qiáng)迫振動是由機(jī)床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力(如不平衡的機(jī)床運(yùn)動件?斷續(xù)切削等)所引起?它對切削產(chǎn)生的影響取決于干擾力的大小及其頻率碰蚂。自激振動是由于刀具與工件之間受到突然干擾力(如切削中遇到硬點(diǎn))而引起初始振動?使刀具前角?后角和切削速度等發(fā)生變化?以及產(chǎn)生振型耦合等?并從穩(wěn)態(tài)作用的能源中獲得周期性作用的能源?促進(jìn)并維持振動。通常?根據(jù)切削條件可能產(chǎn)生各種原生型自激振動?從而在加工表面上留下的振紋?又會產(chǎn)生更為常見的再生型自激振動誓胆。上述各種振動通常都會影響加刀表面質(zhì)量?降低機(jī)床和刀具的壽命?降低生產(chǎn)率?并引起噪聲?極為有害?必須設(shè)法消除或減輕竣楼。

　　切屑控制

　　指控制切屑的形狀和長短。通過控制切屑的卷曲半徑和排出方向?使切屑碰撞到工件或刀具上?而使切屑的卷曲半徑被迫加大?促使切屑中的應(yīng)力也逐漸增加?直至折斷庸飘。切屑的卷曲半徑可以通過改變切屑的厚度?在刀具前面上磨制卷屑槽或斷屑臺來控制?其排出方向則主要靠選擇合理的主偏角和刃傾角來控制∏滋茫現(xiàn)代人們已能用兩位或三位數(shù)字編碼的方式來表示各種切屑的形狀?通常認(rèn)為短弧形切屑是合理的斷屑形狀。

　　切削液

　　也稱冷卻潤滑液?用于減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度?以提高刀具壽命?加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率瞒帜。常用的切削液有切削油?乳化液和化學(xué)切削液3類假棉。

　　金屬切削原理在生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　在設(shè)計(jì)和使用機(jī)床和刀具時?需要應(yīng)用切削原理中有關(guān)切削力?切削溫度和刀具切削性能方面的數(shù)據(jù)。例如?在確定機(jī)床主軸的最大扭矩和剛性等基本參數(shù)時?要應(yīng)用切削力的數(shù)據(jù)?在發(fā)展高切削性能的新材料時?需掌握刀具磨損和破損的規(guī)律?在切削加工中分析熱變形對加工精度的影響時?要研究切削溫度及其分布?在自動生產(chǎn)線和數(shù)字控制機(jī)床上?為了使機(jī)床能正常地穩(wěn)定工作?甚至實(shí)現(xiàn)無人化操作?更要應(yīng)用有關(guān)切屑形成及其控制方面的研究成果?并在加工中實(shí)現(xiàn)刀具磨損的自動補(bǔ)償和刀具破損的自動報警征绸。為此?各國研制了品種繁多的在線檢測刀具磨損和破損的傳感器?其中大多數(shù)是利用切削力或扭矩?切削溫度?刀具磨損作為傳感信號久橙。此外?為了充分利用機(jī)床?提高加工經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展計(jì)算器輔助制造(CAM)?常需要應(yīng)用切削條件?刀具幾何形狀和刀具壽命等的優(yōu)化數(shù)據(jù)。因此?金屬切削原理這門學(xué)科在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛?各國都通過切削試驗(yàn)或現(xiàn)場采集積累了大量的切削數(shù)據(jù)?并用數(shù)學(xué)模型來表述刀具壽命?切削力?功率和加工表面粗糙度等同切削條件之間的關(guān)系?然后存入計(jì)算器?建立金屬切削數(shù)據(jù)庫或編制成切削數(shù)據(jù)手冊?供用戶查用管怠。

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