第三节 金属切削过程物理现象.doc

第三节 金属切削过程物理现象教学目标：要求学生掌握金属切削过程的基本规律、切削过程中影响加工质量的因素，了解提高加工质量的途径教学重点：切削过程的基本规律、切削力、切削热、刀具的磨损、刀具的使用寿命教学难点：切削过程的基本规律、积屑瘤研究金属切削过程意义在金属切削过程中，工件材料在刀具的作用下发生弹、塑变形，从而产生：（1）产生切削变形形成切屑。存在卷屑与断屑等问题。（2）产生切削力。存在工艺系统变形等问题。（3）产生切削热并使切削区域温度升高，存在加工精度和表面质量等问题（4）刀具的磨损及其他现象。研究金属切削过程的目的： 掌握金属切削过程的基本规律， （1）对影响切削过程的各种因数加以有效的控制，保证加工精度和表面质量，提高切削加工效率，降低生产成本和劳动强度 （2）寻找切削加工中存在的问题及解决途径2 切屑形成过程概述：金属切削过程的实质：金属材料在刀具的挤压下产生剪切滑移变形 金属切削过程理论的建立基础：实验： （1）侧面方格变形观察法 （2）用快速落刀法获得切屑根部。 通过对这两个实验的观察和分析，切削过程中的切削变形大致可分为三个区域：1、第一变形区2、第二变形区3、第三变形区（插图） 1.第一变形区：部位：从OA面到OM的AOM区域。 OA：始滑移面； OM：终滑移面 注:OA面、OM面实际上是许多等应力曲面中的两个。变形过程： 在OA面的前方晶粒首先发生弹性变形，在OA面处晶粒沿OA方向开始发生剪切滑移，到OM面处晶粒的剪切滑移基本完成。故这部分区域也称为剪切滑移变形区。 注:由于始滑移面OA与终滑移面OM之间的距离很小(约0.020.2mm)，故可用剪切面OM表示。剪切面与切削速度Vc方向之间的夹角称剪切角，用来表示。特点：第一变形区的变形量最大，占总变形量的85%以上，故也称为基本变形区。2.第二变形区：部位：切屑与刀具前刀面接触的极薄一层金属内。原因：第一变形区产生的切屑存在弹性变形，在排出时切屑给刀具的前刀面产生一个正压力，且切削时存在高温，在刀/屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属纤维化，其方向基本上和前刀面相平行。根据变形的特征，这部分也叫做前刀面挤压、摩擦变形区 *、第二变形区的大小，对第一变形区有影响用 第二变形区大剪切角小,切削变形大4.第三变形区：（1）部位：已加工表面上极薄的一层金属层（2）原因:刀刃有钝圆有一点o：o点上面的金属，进入第一变形区形成切屑； o点下面的金属，被刀刃压入工件表面基体形成已加工表面。该层金属与刀具后刀面接触、产生弹性、塑性变形。塑性变形使晶粒纤维化。第三变形区也常称为后刀面的挤压、回弹，摩擦变形区当后角o小，刀刃钝时，晶粒纤维有时会拉断，产生微观裂纹。 第三变形区对已加工表面质量有直接影响归纳1.第一变形区内:剪切滑移变形2.第二变形区内:挤压与摩擦变形3.第三变形区内:挤压与摩擦变形 3 切屑的种类 工件材料不同, 切削条件不同, 切削过程中的变形程度也就不同, 产生的切屑也不同。带状切屑 (带状切屑)：特征:内表面是光滑的, 外表面是毛茸呈带状; 形成条件:塑性材料, 切削厚度较小, 切削速度较高,刀具前角较大时,容易得到这类切屑。对切削过程的影响: 切削过程比较平稳; 塑性变形均匀; 切削力波动小; 已加工表面粗糙度较小。 缺点：切屑不易处理节状切屑(挤裂切屑) ：特征:切屑外表面呈锯齿形, 内表面有裂纹形成条件:比形成带状切屑的切削速度略低、切削厚度较大,工件材料塑性较差的情况下产生。粒状切屑(单元切屑) ：特征:梯形状粒状切屑 当切屑形成时, 如果整个剪切面上剪应力超过了材料的破裂强度, 则整个单元被切离, 成为梯形状粒状切屑形成条件:切削速度更低、切削厚度更大,工件材料塑性更差的情况下产生。崩碎切屑：特征:不规则的碎块状切屑, 同时使工件加工表面凹凸不平形成条件:切削脆性金属, 切削脆性金属时,由于材料的塑性很小、抗拉强度较低, 刀具切入后, 切屑层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就在张应力状态下脆断, 形成不规则的碎块状切屑, 工件加工表面由凹凸不平的小坑组成。 归纳起来, 可分为以下四种类型 带状切屑、 节粒状切屑(单元切屑/挤裂切屑) 粒状切屑(单元切屑) 崩碎切屑。切屑的控制 1.磨制断屑槽 2.适当调整条件切削 3.热处理 4.改变工件材料的成份4 变形系数和相对滑移一、变形系数切屑变形的测量 切屑厚度hch通常都大于工件上切削层的厚度hD 而切屑长度lch却小于切削层长度(lD)。 l=lD/lch a=hch/hD 工件上切削层变成切屑后宽度的变化很小, 根据体积不变原理, 显然 a=l= 变形系数一般大于1 1、变形系数直观地反映了切屑变形程度 2、变形系数比较容易测量: lc是与切屑长度lch对应的切削层长度; lch可用保险丝量出。 值越大, 表示切屑越厚，长度越短, 标志着切屑变形越大。 这个方法很简便, 但也很粗略。表示切削变形有其局限性二、相对滑移 切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，故用相对滑移衡量变形程度,是比较合理的。6 积屑瘤现象及对切削过程的影响 一、 积屑瘤现象塑性材料，Vc不高，能形成带状切屑，工件材料有时会层积在刀具前刀面上，形成硬度高的楔块(工件材料硬度的23倍)，代替刀具进行切削 这种硬度很高的楔块叫积屑瘤二、积屑瘤对切削过程的影响 1增大已加工表面粗糙度,精度降低(不稳定,伸出量不均匀) 2.增大前角 3.增大切削厚度 4.保护刀具 加工种类不同,积屑瘤的利弊也不同粗加工: 加工表面质量的要求不高,积屑瘤对粗加工是有利的。实际切削前角变大,切削力减小,能耗降低; 可加大切削用量, 使劳动生产率得以提高; 积屑瘤还能保护刀具, 减少磨损。精加工: 精加工要求较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度, 积屑瘤降低尺寸精度和增大已加工表面粗糙度。所以, 积屑瘤对精加工是不利的。 三、积屑瘤的原因刀屑之间的冷焊 切屑层的冷作硬化和强化影响积屑瘤的主要因素：工件材料的加工性能、切削速度、刀具前角和冷却润滑条件等。*工件材料：塑性影响最大，塑性，切屑变形，刀屑间的摩擦，第二变形区的长度，越易产生积屑瘤。加工硬度塑性的工件：用正火 调质 冷拨强度、硬度，塑性积屑瘤工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤生成的主要因素。在VC很低或很高的切削条件下: 不会或产生很小的积屑瘤在某一速度范围内(一般钢料约为Vc=550mmin) 最容易产生积屑瘤。 当VC很低时：温度不高，刀屑间不易产生粘结，故不易产生积屑瘤；当VC很高时：切削温度高，切屑底层金属变软，滞流层易被切屑带走，积屑瘤随之消失。故在精加工时，宜用低速或高速切削刀具前角：适当增大前角，切屑变形、切削力、切削温度抑制积屑瘤的产生。切削液、减小刀具表面的粗糙度、切削层厚度：有助于抑制积屑瘤的产生。四、防止积屑瘤的主要方法是：（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，减小磨擦；（4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀的面接触区的压力；（5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向（5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向 3响切屑变形的主要因素 (1)工件材料: 工件材料的强度,塑性,切屑变形就。,，在较小的应力作用下就会产生塑性变形。的材料，连续进行塑性变形的能力强，在破坏之前的塑变大，因此切屑变形也就越大。 (2)刀具前角 前角越大，倒刃钝圆半径越小，刀刃越锋利，切屑变形也就相应减小(3)切削速度 切削速度对切屑变形的影响在有积屑瘤生成的切削速度范围内(图中为Vc35m/min vc su Fc刀具几何角度1、前角 oFco Fc 综合oFc3)刃倾角对切削力的影响：刃倾角在40+40度的范围内变化时，对Fc没有太大的影响，s增大，背前角p(即背向力Fp方向的前角)增大，故F减小；s增大，侧前角f(即进给力Ff方向的前角)减小，因此Ff增大。4)刀尖圆弧半径对切削力的影响：刀尖圆弧半径r增大,刀尖圆弧工作刃增长，由于圆弧刃各点切屑流向不同，加剧了切屑变形，使得变形抗力增大，故Fc略有增大刀尖圆弧半径r增大,平均主偏角愈小，因此，r故使F增大，Ff减小。 (4)其它因素对切削力产生影响 切削液，可降低刀具与切屑和工件表面间的摩擦，因而可降低切削力；当刀具磨损后，在刀具后面会形成后角为零度、宽度为VB的不规则的小棱面，使作用在其上的法向力和摩擦力随之增大，故使切削力增大。不同刀具材料与工件材料间的摩擦因数不同，因而对切削力有一定影响，二、切削温度 在切削区域内，如果切削热不及时传导出去，会使切削区域内的温度上升 切削温度分布是不均匀的，根据测量并经过温度场理论的计算，温度最高是在近切削刃处的前刀面上，该点也是压力中心。 切削温度由于测量关系指平均温度，用 表示。 测量和温度分布： 1、测定方法：自然电偶法：测量切削区域的平均温度热电偶：当两种导焊接在一起时，并且一端温度高，一端温度低，在形成的回路中，就有温差电势存在，并且与温度差成正比。通过温度标定，就可测量切削温度。人工热电偶法：测量切削区的某点点温。 一般在刀具上的被测点作一小孔（O时，刀尖首先接触工件，冲击较大，容易崩刃；当s O时，切入冲击离刀刃较远，切入切出比较平稳3)s刀刃锋利:斜角切削(s O)时，使切削前角切削刃钝圆半径减小,刀刃变锋利。4) s影响切削分力的大小:s减小，Fp增大，Ff减小(图3-27)。当工艺系统刚性低时，尽量不用-s，以免Fp 增大引起振动。(2)s的合理选择:在无冲击的情况下粗车， s =O-5。；精车时，为避免切屑擦伤已加工表面，常取正刃倾角；在有冲击负荷时，s可取负值第四节磨削磨削可加工平面、外圆、内孔及复杂成形表面；可加工金属材料，也可加工非金属材料。 磨削常用于精加工，尺寸精度一般达IT6IT5，Ra08O.08m，也可粗加工 一、砂轮特性及其选择 1砂轮特性 砂轮是把磨料和结合剂按比例经混合搅拌、压坯、干燥、焙烧而制成的多孔体。磨料起切削作用，结合剂把磨料粘结在一起，使砂轮具有一定的形状和硬度。砂轮有气孔: 在磨削接触区内容纳切屑； 把切削液或空气带入磨射接触区砂轮的参数: 磨料、粒度、结合剂、硬度、砂轮组织和规格尺寸。2选择砂轮特性的一般原则 (1)选择砂轮的磨料磨料是砂轮中起切削作用的成分，每一颗磨料相当于一把或几把微小的刀具，选择磨料主要根据工件的硬度，硬度高的工件材料应该选择硬度也高的磨料(参见表3一11)。例如，磨削碳钢、合金钢、通用高速钢等钢材时，常选用刚玉类磨料。磨削