多軸航空薄壁件高效高速切削技術 8月30日 切削原理之切削力與切削熱

歡迎同學們進入課堂 別磨蹭 趕緊看 今天要講的是金屬切削 不是讓你拿刀隨便劃了 這裏面門道多着呢 搞不懂 就等着班車吧 看看這 測驗一下你這榆木腦袋裏裝了啥 第一題 切削力主要來自摩擦 錯 大錯特錯 你以爲是小學物理嗎 那是材料變形和擠壓產生的力 第二題 最高溫度在刀尖 又錯了 蠢不蠢 熱量都傳到切屑裏去了 刀尖那點地方能承受多少 第三題 主切削力方向 選C 這麼簡單的基礎概念 要是還記不住 趁早改行 學完這堆東西 你得能說出個一二三來 變形怎麼發生的 力怎麼算的 哪些因素能讓力變大 熱變高 最後 怎麼調整參數 才能讓加工又快又好 別把刀具和弓箭都給燒了 聽明白沒有 金屬切削 說白了就是用刀把金屬弄斷 變成切屑 但這不是你想的那麼簡單粗暴 這裏面有各種物理現象 什麼變形 受力 發熱 變色 磨損 研究這些 是爲了讓你知道怎麼幹 而不是瞎幹 懂了嗎 這玩意研究了幾百年了 方法也從老掉牙的經典力學 發展到現在的計算機模擬 但不管怎麼變 核心還是靠實驗觀察 現在普遍認爲 金屬就是被刀具擠壓 變形 然後沿着某個方向 咔嚓一下剪斷 形成切屑 爲了分析方便 我們把這變形過程 分成三個區域來看 跟上思路 看這張圖 這就是那個變形模型 O點就是刀尖 OA線是開始剪切的地方 叫始滑移線 OM線是結束剪切的地方 叫中滑移線 中間這塊區域I 就是第一變形區 P點就是原來弓箭上的 一小塊金屬 它會沿着這個路徑跑出去 變成切屑 看清楚了沒 別回頭又問我O點在哪 第一變形區 就是剛纔說的區域I 這裏是金屬 真正被剪斷的地方 材料沿着一個 叫剪切面的方向滑移 這個過程需要很大的力量 所以這是切削力的 主要來源之一 同時還會讓材料變硬 產生熱量 還有一個很重要的參數 叫剪切角廢 它決定了剪切面的角度 影響切削難不難 這個角越大 理論上切削越省力 但是這個角 不是你想定就能定 它跟刀具前角 切削速度 材料本身都有關係 這麼複雜的因果關係 你能不能捋清楚 再看這個圖 更直觀地展示了 第一變形區裏的滑移 P點先跑到I點 就開始沿着OA這樣的 等減硬力線滑移 你看它最後到了4點 這個位移就是滑移量 這個過程就是 材料內部的重新排列組合 非常複雜 但結果就是被切下來 別告訴我 你看不懂這個箭頭 第二變形區 就是切切離開 刀具前面之後 繼續被擠壓和摩擦的區域 這裏面的摩擦很特別 一開始因爲壓力太大 溫度太高 切切底層會跟 刀具前面粘在一起 發生一種叫冷焊的現象 這時候的摩擦 更像是材料內部的滑移 叫內摩擦 等壓力小一點 溫度降下來 粘結就沒了 變成普通的外摩擦 就跟兩塊乾燥的木板摩擦一樣 這個區的摩擦 直接影響刀具磨損 切切形狀 甚至可能長出 機械瘤那種討厭的東西 這麼重要的細節 你給我記住了 這張圖就畫出了 第二變形區的摩擦情況 你看I段 壓力西哥馬很大 溫度也高 這時候就是冷焊主導的內摩擦 到了EI段 壓力減小了 冷焊現象消失了 就變成了我們熟悉的外摩擦 這說明什麼 說明切削過程裏的摩擦 比你想象的複雜得多 別以爲摩擦力 就是個簡單的係數乘以壓力 影響它的因素一大堆 材料 切切量 速度 刀具前甲 哪個不對都會出問題 第三變形區 就是切切走完前面之後 還要經過刀具後面的區域 這裏主要是刀具後面 跟已經加工過的表面之間的摩擦和擠壓 當然 材料也會發生一點彈性回覆 這個區域雖然變形不大 但對最終的加工表面質量影響很大 它會導致弓箭表面粗糙硬化 留下殘餘硬力 還會影響刀具後面磨損和背向力 所以 別小看這個 這張圖就是展示第三變形區 怎麼形成已加工表面的 你看 從O點過來 先是OB段的擠壓摩擦 然後是BC段 主要是刀具後面磨損帶來的摩擦 最後是CD段 材料彈性恢復 摩擦力減小 整個過程都在刀具後面附近完成 直接決定了 你加工出來的表面是個什麼樣子 粗糙還是光滑 就看這裏了 這麼關鍵的環節 你得給我盯緊了 刃前區 就是刀劍O點附近的那塊地方 這裏是整個變形過程的起點 硬力高度集中 情況非常複雜 金屬在這裏被徹底切斷 大部分變成切屑杯子 一小部分則留在弓箭表面 看這張圖 硬力分佈的多厲害 這個地方要是處理不好 刀具就容易崩刃 弓箭就容易報廢 所以 刀具刃口的鋒利度和強度非常重要 切削力 這玩意兒太重要了 它直接決定了切削過程中會產生多少熱 刀具能用多久 加工出來的零件準不準 表面光不光滑 你設計機牀 刀具 傢俱 都要靠它來計算功率 效果強度 這力從哪來 一部分是讓金屬變形的力 另一部分 是克服刀具前後表面摩擦的力 總的力是個矢量 有大小有方向 總切削力是個三維空間裏的力 不好直接用 所以我們把它分解成三個互相垂直的分離 這樣就好分析和測量了 看車銷這個例子 FC是主切銷力 方向跟主運動方向相反 是消耗功率最大的那個力 FF是進給力 方向跟進給方向相反 負責把刀具往前推 FP是背向力 垂直與主運動和進給方向 它不直接做工 但會引起弓箭彎曲 震動 影響加工精度 這三個力 哪個都不能忽視 這些公式 就是描述這些力之間關係 F是總力 FC FF FP是三個分力 它們之間滿足勾股定力的關係 後面那兩個 是關於推力FD和一些角度的分解 暫時瞭解一下就行 重點是理解FC FF FP這三個力的物理意義和作用 別到時候連符號代表啥都忘了 再強調幾個 如果是洗刀 鑽頭 那種多刃刀具 總切銷力 是所有同時工作的刀刃產生的力 加起來的矢量和 這三個分力的比例 不是固定不變的 會受到刀具角度 切銷用量 材料 刀具磨損等各種因素的影響 特別是那個背向力FP 它自己不直接消耗功力 但它會引起弓箭變形 影響加工精度 甚至引起震動 是個潛在的麻煩製造者 至於怎麼算這些力 要麼做實驗冊 要麼用經驗公式估算 除了剛纔那個複雜的公式 還有個稍微簡化點的算法 就是用單位切銷力KC 這個KC定義是主切銷力FC 除以切銷層的橫截面積AP AP又等於背持刀量AP 乘以進給量F 所以 知道了KC和修正係數KFC 再乘上AP和F 就能算出FC了 這種方法有時候更方便 特別是當你能找到 比較可靠的KC值時 表一到五里 就列了一些常用材料的KC值 看清楚 這是針對FC的計算 切銷功率PM 就是切銷過程中消耗的能量 怎麼算 主要是主切銷力FC 在切銷速度VC方向上做工 再加上進給力 FF在進給速度VF方向上做工 不過 進給力做的功通常很小 只佔總功率的1%到2 可以忽略不計 所以 近似計算時 PM約等於FC乘以VC 這個功率 直接關係到你的機牀 電機選行 能耗等等 算錯了 機器可能帶不動 或者白白浪費電 哪些因素會影響切削力呢 首先 當然是弓箭材料 一般來說 材料越硬 越強 切銷力就越大 但也不是絕對的線性關係 像奧士體不鏽鋼這種韌性好的 或者高猛鋼這種硬化能力強的 切銷力也特別大 而鑄鐵這種脆性材料 切銷力就相對小一些 其次是切銷用量 背吃刀量 AP增大一倍 切銷力基本也增大一倍 但淨給量F增大一倍 切銷力增加不到一倍 看到了嗎 指數不一樣 這意味着什麼 意味着你想提高效率 優先增大AP 其次是F 這點邏輯關係都想不明白 接着是切銷速度 Vc 對速性材料 速度變化時 由於機械流的影響 切銷力會先減小 後增大 再減小 對脆性材料 速度增加 切銷力一般是減小的 但總的來說 速度對切銷力的影響 不如AP和F那麼劇烈 前腳γO 增大前腳 切銷力FC就減小 這是最有效的手段之一 主偏絕kappa R主要影響三個力的比例 對FC本身影響不大 刀尖圓弧半徑R 愛普希龍越大 切銷力反而越大 刃傾角藍木打S 對FC影響也大 還有那個副導棱 就是讓刀刃變鈍一點 它會增加切銷力 這些角度的作用 你得給我記牢了 還有幾個因素 刀具材料本身也會影響摩擦 一般來說陶瓷刀具 刀具磨損 切銷力肯定增大 磨損嚴重了 力會急劇增加 刀具就廢了 最後是切削液 用上它可以減少摩擦 降低切削力 大概能降10%到15% 對高速鋼刀具效果更好 但對硬質合金 陶瓷刀具 因爲怕熱裂 有時候反而不建議用 這些都是實際操作中 要考慮的 接下來是切削熱和切削溫度 這倆是切銷過程裏的 兩大殺手 熱量哪排大 絕大部分能量 98%到99%都轉化成熱 主要來源有三個 一是第一變形區材料剪切 變形生熱 二是第二變形區 切屑和刀具前面摩擦生熱 三是第三變形區刀具後面 和已加工表面摩擦生熱 這個熱量 直接影響刀具壽命 加工精度和表面質 理論上 切削熱Q 就約等於切削功率PM 也就是FC乘以VC 看圖 熱量產生後 還要向四周傳遞 熱量產生後 不會一直留在那 它會向外傳遞 在切削這種情況下 大部分熱量 差不多一半到八成六 都被切削帶走了 傳給刀具的 佔一成到四成 傳給弓箭的比較少 只有3%到9% 周圍戒指帶走的最少 這個比例也不是固定的 跟切削速度 切削厚度 材料導熱性 剪切角都有關係 比如 速度越高 切削帶走的熱量 比例越大 這點規律你得掌握 切削溫度 就是切削區的平均溫度 但這個溫度不是均勻的 它有個分佈 看這張視頻 第一變形區 剪切面上溫度差不多 但離剪切面越遠 溫度提度越大 第二變形區 垂直於刀具前面的方向 溫度變化最劇烈 特別是靠近 切切底層的地方 第三變形區 溫度變化最小 最關鍵的是 最高溫度 往往不在刀尖上 而是稍微離開刀尖 在刀具前面某個位置 這點很重要 很多現象 都跟這個最高溫度點的 位置有關 哪些因素會影響 切削溫度 跟影響切削力的因素 有些類似 但側重點不同 弓箭材料 強度硬度越高 導熱性越差 溫度就越高 刀具幾何參數 增大前腳伽馬 歐溫度會降低 但也不能太大 不然散熱體積變小了 反而不利 減小主片絕咖啡 散熱面積增大 溫度也會下降 切削用量 速度VC的影響最大 其次是進給量F 被吃刀量AP 影響最小 後面磨損了 溫度會顯著升高 切削溫度高了會怎麼樣 首先 它會改變弓箭材料的性能 高溫下材料會變軟 其次 它會影響刀具材料 有時候高溫 反而能讓某些刀具材料 韌性變好 更重要的是 它會導致弓箭熱膨脹 影響尺寸精度 所以精密加工時 必須嚴格控制溫度 另外 監測切削溫度的變化 還可以用來判斷刀具狀態 調整加工參數 甚至實現自動化監控 這都是現代製造技術 來 做幾道題鞏固一下 第一題 哪個角度增大 最能有效降低主切削力 FC 想想我們前面講的 是前角γ 哦 選C 第二題 精加工時系統剛性差 怕弓箭變形 應該重點減小哪個力 是背向力FP 因爲它不直接做弓 但容易引起弓箭彎曲和震動 選B 這麼簡單的對應關係 再答錯就別選了 第三題 看這個公式 FC等於CFC AP的1.04方 F的0.75四方 VC的-0.15四方 就像KFC 哪個參數指數絕對是最大 是AP的指數1.0 所以提高AP 對FC的影響最大 選C 第四題 高速幹切硬制合金刀 容易鋒刃 怎麼辦 降低速度 減小勁量 用塗層刀具都是好辦法 但使用間歇 不均勻澆築切削液 硬制合金刀最怕熱空氣 這麼幹只會讓它更快壞 所以選C是不恰當的 腦子轉起來 最後一題 關於切削熱傳遞 前面剛講過 大部分熱量 是被切削帶走的 所以選B 鑽孔的時候 因爲切削短 散熱條件差 傳給刀具的熱量比例 會比切削高 但大部分熱量 仍然還是被切削帶走 所以D的說法不準確 記住 切削是主要的散熱通道 總結一下 核心就是擠壓 剪切摩擦 這三個詞 體現在三大變形區 三個關鍵力 FC決定功率 FP影響精度 FF關乎禁忌 一個致命殺手 就是切削熱 它主要來自變形和摩擦 直接關係到 刀具壽命和加工質 兩大法寶 就是切削用量 和刀具幾何參數 用來調控力和熱 送你個口訣 變形升力 力又升熱 力看深度 熱看速度 前腳減力 主偏調力 切屑散熱 冷卻式數 給我記住 行了 就這麼多 金屬切削 說到底 就是在刀尖上 跟力和熱打交道 你得學會用切削三要素 和刀具角度 這兩個法寶去控制它們 才能又快又好地 把金屬弄下來 回去好好消化消化 別下次來 還是一問三不知 散了