刀具材料及 切削 机理

刀具材料及刀具材料及 切削切削 机理机理 刀具材料及切削机理一 刀具材料金属切削过程除了要求刀具具有适 当的几何参数外 还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能 在金属切削加工中 刀具材料的切削性能直接影响着生产效率 工 件的加工精度和已加工表面质量 刀具消耗和加工成本 正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一 特别是对某 些难加工材料的切削 刀具材料的选用显得尤为重要 一 刀具材料应具备的基本性能刀具切削部分是在高温 高压及 剧烈摩擦的恶劣条件下工作的 因此 刀具材料应具备以下基本性能 1硬度高硬度是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力 刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度 一般高于一倍至几 倍 否则在高温高压下 就不能保持刀具锋利的几何形状 目前 切削性能最差的刀具材料 碳素工具钢 其硬度在室温条件 下也应在62HRC以上 高速钢的硬度为63 70HRC 2足够的强度和韧性刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削 力和冲击力 例如 车削45钢时 当ap 4mm f 0 5mm r时 刀片要承受约4000 N的切削力 因此 刀具材料必须要有足够的强度和韧性 一般用刀具材料的抗弯强度 bb 单位为Pa N m 表示它的强度大小 用冲击韧度 k 单位为J m 表示其韧性的大小 它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力3耐 磨性和耐热性好一般说 刀具材料硬度越高 耐磨性也越好 刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系 其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量 或叫热硬性 高温硬度越高 表示耐热性越好 刀具材料在高温时抗塑性变形的 能力 抗磨损的能力也越强 耐热性差的刀具材料 由于高温下硬度显著下降而会很快磨损乃至 发生塑性变形 丧失其切削能力 4导热性好刀具材料的导热性用热导率 单位为w m K 来表示 热导率大 表示导热性好 切削时产生的热量容易传导出去 从而 降低切削部分的温度 减轻刀具磨损 此外 导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热龟裂的性能增强 这 种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削 特别在加工导热性能差 的工件时尤为重要5 工艺性好为了便于制造 要求刀具材料有较好 的可加工性 如热塑性 锻压成形 焊接工艺性 切削加工性和 热处理工艺性等 6 经济性好经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一 也是正确 选用刀具材料 降低产品成本的主要依据之一 二 刀具材料的分 类刀具材料可分为工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 超硬材料五 大类 其主要力学物理性能见表2 1 但目前应用最多的是高速钢和硬质合金 据统计 我国目前高速钢用量约占刀具的60 以上 硬质合金的用 量约占30 以上 随着难加工材料应用的增加 陶瓷刀具和超硬刀 具材料的使用量日益增长 1碳素工具钢是含碳量较高的优质钢 含碳量为07 1 2 如T10A等 淬火后硬度较高 价廉 但耐热性较差 表2 2 在碳素工具钢中加入少量的cr w Mn si等元素 形成合金工具钢 如9SiCr等 可适当减少热处理变形和提高耐热性 表2 2 由于这两种刀具材料的耐热性较低 常用来制造一些切削速度不高 的手工工具 如锉刀 锯条 铰刀等 较少用于制造其他刀具碳素 工具钢 2 高速钢高速钢是一种含钨 w 钼 Mo 铬 cr 钒 V 等合金元 素较多的合金工具钢 以重量计其碳的质量分数为0 7 1 5 铬的质量分数约为4 钨的质量分数和钼的质量分数为10 20 钒的质量分数为1 5 由于合金元素与碳化合形成较多的高硬度碳化物 如碳化钒 硬度 高达2800HV 且晶粒细小 分布均匀 而且合金元素和碳原子结合力很强 提高了马氏体受热时的稳定性 高速钢具有较高的硬度 热处理硬度可达HRC62 67 和耐热性 切 削温度可达550 600 C 与碳素工具钢和合金工具钢相比切削速 度可提高1 3倍 故得名 高速钢 提高耐用度10 40倍 铅在钢中提高了淬透性 使小型刀具在空气中冷却就能淬硬 且能 刃磨得锋利 故高速钢又有 风钢 或 锋钢 之称 可加工包括有色金属 高温合金在内的范围广泛的材料 高速钢具有高的强度 抗弯强度为一般硬质合金的2 3倍 为陶瓷的 5 6倍 和韧性 抗冲击振动的能力较强 适宜制造各类刀具 高速钢刀具制造工艺简单 能锻造 容易磨出锋利的刀刃 因此在 复杂刀具 钻头 丝锥 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等 的制造中 高速钢占有重要的地位 高速钢分类按用途不同 可分为通用型高速钢和高性能高速钢 按 制造工艺方法不同 可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢 1 通用型高速钢钨系高速钢钨钼系高速钢钨系高速钢其代表是W 18Cr4V 简称w18 是我国最常用的一种高速钢 由于含钒量较少 磨削性能好 其刃口容易磨得锋利平直 综合性 能好 通用性强 常温硬度可达63 66HRC 在600 高温时能保持的硬度48 5HRC左右 特别是热处理工艺性好 淬火时过热倾向小 抵抗塑性变形能力强 可用于精加工的复杂刀具 如螺纹车刀 成形车刀 宽刃精刨刀 拉刀 齿轮刀具等 W18钢的缺点是碳化物分布常不均匀 剩余碳化物颗粒较大 如锻造 不均 则会影响薄刃刀具的寿命 制造较大截面刀具时 强度显得 不够 抗弯强度仅为2 2 3GPa 只有在制造小截面刀具时 才获得 满意的强度 3 3 4GPa 此外 W18钢热塑性较差 不适合作热轧刀具钨钼系高速钢W6M05 Cr4V2 简称M2 是我国常用的典型钨钼系高速钢种 用1 的钼可代替2 的钨 钼的加入使钢中合金元素减少 从而减小 了碳化物数量及其分布的不均匀性 细化了晶粒 与W18钢相比 M2钢抗弯强度提高约17 冲击韧度提高约40 以上 而且大截面刀具也具有同样的强度和韧性 可用于制造截面较大 的刀具 或承受较大冲击力的刀具 如插齿刀 以及结构较薄弱的刀 具 如麻花钻 丝锥等 M2钢的热塑性很好 磨削加工性也好 特别适用于制造轧制或扭制 钻头等热成形刀具 是目前各国使用较多的一种高速钢 M2钢的缺点是热硬性和高温硬度略低于W18钢 故高温切削性能稍逊 此外 热处理时脱碳倾向大 较易氧化 淬火温度范围较窄 2 高性能高速钢高性能高速钢是在普通高速钢的基础上 用调整其 基本化学成分和掭加一些其他合金元素 如钒 钴 铅 硅 铌等 的办法 着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的 主要用来加工奥氏体不锈钢 高温合金 钛合金和超高强度钢等难 加工材料 这类高速钢的不同牌号只有在各自的规定切削条件下使 用才能达到良好的切削性能 常用牌号 高碳高速钢 9W18Cr4V 9W18 9W6Mo5Cr4V2 CM2 其碳的质 量分数从普通高速钢的0 7 0 8 增加到0 9 l 0 使常温硬 度提高到66 68HRC 60 c时高温硬度提高到51 52HRC 适用于耐磨性 要求高的铰刀 锪钻 丝锥以及加工较硬材料 220 250HBS 的刀具 含铝高速钢铝高速钢W6M05cr4V2A1 简称501 和W10M04Cr4V3Al 简称 5F一6 是我国独创的新钢种 这种钢常温硬度为67 69HRC 600 C 高温时硬度为54 55HRc 切削性能相当于钻高速钢M42 刀具寿命 比W18cr4V显著提高 至少1 2倍 而价格却相差不多 用这种钢做 的齿轮滚刀允许l67m s的切削速度 钴高速钢M42 W2MO9Cr4VCO8 和W10MO4Cr4V3CO10高速钢中加入钴可 提高钢的热稳定性 促进回火时碳化物的析出 增加弥散硬化效果 提高回火硬度 从而提高常温和高温硬度及抗氧化能力 由于钴的热导率较高 加入钻可以改善高速钢的导热性 并降低摩 擦因数 从而提高切削速度 高钒高速钢W6Mo5Cr4V 3 W12Cr4V4Mo高钒高速钢质量分数在3 5 由于形成大量高硬 度耐磨的碳化钒弥散在钢中 提高了高速钢的耐磨性 且能细化晶 粒和降低钢的过热敏感性 3 粉末冶金高速钢是20世纪70年代开发的新型刀具材料 其工艺方 法是用高压惰性气体 氩气或氮气 或高压水雾化高速钢水得到细 小的高速钢粉末 再经热压制成刀具毛坯 与熔炼高速钢相比具有以下优点a 能解决碳化物偏析普通熔炼高速 钢在铸锭时会产生粗大碳化物共晶偏析 碳化物晶粒尺寸大到80 20 m 而粉末冶金高速钢碳化物晶粒为2 5 m 且无碳化物偏析 从而提高 了钢的强度 韧性和硬度 其硬度可达69 70HRC 232 2b能保证各向同性由于粉末冶金的工艺特点 保证了粉末冶金高速 钢的各向同性 从而减小了热处理内应力和变形 适合制造各种精 密和复杂刀具 c磨削加工性好钒的质量分数5 的粉末冶金高速钢的磨削加工性 相当于钒的质量分数为2 的普通高速钢 磨削效率比熔炼高速钢高2 3倍 表面粗糙度值显著减小 d 能制造超硬高速钢粉末冶金高速钢新工艺 为在现有高速钢中加 入高碳化物 TiC和NbC 和制造超硬高速钢新材料提供了可能性 e能节约钢材和工时用粉末冶金直接压制刀坯时 可大大减小加工余 量 节约钢材和工时 3硬质合金硬质台金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物 碳化钨W C 碳化钛TiC 碳化钽TaC 碳化铌NbC等 与金属粘结剂 钴 镍 钼等 在高温下烧结而成的粉末冶金制品 其硬度为HRA89 93 能耐850 1000 的高温 具有良好的耐磨性 允许使用的切削速度可达100 300m min 可加工包括淬硬钢在 内的多种材料 因此获得广泛应用 但是 硬质台金的抗弯强度低 冲击韧性差 刃口不锋利 较难加 工 不易做成形状较复杂的整体刀具 因此目前还不能完全取代高 速钢 常用的硬质台金有钨钴类 YG类 钨钛钴类 YT类 和通用硬质台 金 YW类 三类 硬质合金牌号的表示方法 1 钨钴类 YG YG类硬质台金主要由碳化钨 WC 和钴 Co 组 成 常用的牌号有YG 3 YG 6 YG8等 YG类硬质台金的抗弯强度和冲击韧性较好 不易崩刃 很适宜切削 切屑呈崩碎状的铸铁等脆性材料 YG类硬质台金的刃磨性较好 刃口可以磨得较锋利 故切削有色金 属投合金的效果也较好 由于YG类硬质合金的耐热性和耐磨性较差 因此一般不用于普通钢 材的切削加工 但它的韧性好 导热系数较大 可以用来加工不锈钢和高温台金钢 等难加工材料 2 钨钛钴类 YT类 YT类硬质台金主要由碳化钨 碳化钛和钴组成 常用的牌号有YT 5 YTl 5 YT30等 它里面加入了碳化钛后 增加了硬质台金的硬度 耐热性 抗粘接 性和抗氧化能力 但由于YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差 故主要用于切削 切屑一般呈带状的普通碳钢及合金钢等塑性材料 3 通用硬质台金 YW类 钨钛钽 铌 钴类硬质台金 YW类 它是在普 通硬质合金中加入了少量的稀有高熔点金属碳化钽 TaC 或碳化铌 NbC 能阻止WC晶粒在烧结过程中长大 起到细化晶粒的作用 从而提高了硬质合金的韧性和耐热性 使其具有较好的综合切削性 能 YW硬质合金主要用于不锈钢 耐热钢 高锰钢的加工 也适用于普 通碳钢和铸铁的加工 因此被称为通用型硬质台金 常用的牌号有Y Wl YW2等 不同硬质合金牌号的性能和应用范围见表2 3 4涂层刀具和其他刀具材料 1 涂层刀具涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体 上 采用化学气相沉积 CVD 或物理气相沉积 PVD 的工艺方法 涂 覆一薄层 约5 12um 高硬度 耐磨性高 难熔金属化合物 TlC Ti N AL2O3等 而获得的 这样 可使刀片既保持了普通硬质合金基体的强度和韧性 又使表 面有更高的硬度 可达1500 3000HV 和耐磨性 更小的摩擦因数和 高的耐热性 达800 1200 实践证明 涂层刀片在高速切削钢件和铸铁时能获得良好效果 比 未涂层刀片的刀具寿命提高1 3倍 高者可达5 10倍 此外 涂层刀片通用性好 一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片使 用 大大简化了刀具管理和降低了刀具成本 获得较好的经济效益 碳化钛的硬度比氮化钛高 抗磨损性能好 对于会产生剧烈磨损的 刀具 碳化钛涂层较好 氮化钛与金属的亲和力小 润湿性能好 在容易产生粘结的条件下 氮化钛涂层较好 在高速切削产生大量热量的场合 以采用氧化铝涂层为好 因为氧 化铝在高温下有良好的热稳定性能 由表2 3可以看出 由于碳化物的硬度和熔点比粘接剂高得多 因此在硬质 合金中 如果碳化物所占比例大 则硬质合金的硬度就高 耐磨性 也好 反之 若钴 镍等金属粘结剂的含量多 则硬质合金的硬度 降低 而抗弯强度和冲击韧性就有所提高 硬质合金的性能还与其晶粒大小有关 当粘结剂的含量一定时 碳化物的晶粒越细 则硬质合金的硬度越 高 而抗弯强度和冲击韧性降低 反之 则硬质合金的硬度降低 而抗弯强度和冲击韧性就会有所提高 2 陶瓷材料陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O 3 Si3N4等氧化物 氮化物 再加入少量的金属碳化物 氧化物或纯 金属等添加剂 经压制成形后烧结而成的一种刀具材料 它的硬度可达到HRA91 95 在1200 的切削温度下仍可保持HRA80 的硬度 另外 它的化学惰性大 摩擦系数小 耐磨性好 加工钢件时的寿 命为硬质合金的10 12倍 其最大缺点是脆性大 抗弯强度和冲击韧性低 因此它主要用于半精加工和精加工高硬度 高强度钢和冷硬铸铁等 材料 常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷 复表2 3合氧化铝陶瓷以及复合氧化硅陶瓷等 3 超硬材料1 人造金刚石金刚石是碳的同素异构体 分天然金刚 石和人造金刚石两种 人造金刚石是在高温 约2000 C 高压 5 9GPa 和金属触媒作用 的条件下 由石墨转化而成的 金刚石刀具的性能特点是1有极高的硬度和耐磨性人造金刚石的硬度 高达10000HV 比硬质合金的硬度 1300 1800HV 和陶瓷的硬度高几 倍 是世界已发现的最硬材料 人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60 80倍 2有锋利的切削刃人造金刚石的切削刃钝圆半径很小 能进行超精密 微量切削 使已加工表面冷硬层很小 尺寸精度和几何形状精度可 达到3 1 m 表面粗糙度值可达到Ra0 02 0 06 m 可实现镜面 加工 3有很高的导热性人造金刚石有较低的线膨胀系数和摩擦系数 其热导率约为硬质台金的2 7倍 陶瓷的7 36倍 而热膨胀系数只 有硬质台金的1 1l和陶瓷的1 8 固此 切削热变形小 尺寸精度稳定 4耐热性较差人造金刚石的温度超过800 C时就会碳化而失去切削能 力 且与铁有较强的化学亲和力 高温时金刚石中的碳元素会很快扩散到铁中去 而使刃口 破裂 因此 金刚石刀具一般不适于加工铁系金属 5强度很低人造金刚石脆性大 抗冲击能力差 对振动很敏感 要求 机床精度高 平稳性好 且只适于切削层面积不大的精细加工 使用场合人造金刚石主要用于制作磨具和磨料 用作刀具材料时 多用于在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料 尤其是用它切削加工硬质合金 陶瓷 高硅铝合金及耐磨塑料等高 硬度 高耐磨性的材料时 具有很大的优越性 2 立方氮化硼 CBN 立方氮化硼是由六方氮化硼 俗称白石墨 在 高温高压下加入催化剂转变而成的 它是70年代才发展起来的一种新型刀具材料 其特点1硬度很高可达 到HV8000 90002热稳定性好立方氮化硼具有比金刚石更好的热稳定 性 其耐热性可达1300 1400 C 其高温硬度高于陶瓷刀具 当温度高达1370 C以上时 才开始由立方晶体转变为六方晶体而软 化 因此 CBN适合在高速下加工高温合金 3化学稳定性好立方氮化硼具有比金刚石更好的化学惰性 在1000 C以下时 不发生氧化现象 与铁系金属在1200 1300 C时也不易 起化学反应 因此 在高速下切削淬火钢 冷硬铸铁时 其粘接和扩散磨损较小 但在高温时 1000 以上 易与水产生化学反应4有较高的热导率和 较小的摩擦系数立方氮化硼的热导率比金刚石低 约为金刚石的1 2 但远高于陶瓷刀具 且热导率随温度的升高而增加 这一性能对降低刀尖处的温度大有好处 并且摩擦系数小 5强度及韧性较差立方氮化硼的抗弯强度约为陶瓷刀具的1 5 1 2 一般只用于精加工根据CBN的性能特点 它最适于加工高硬度淬火 钢 高温合金等 特别在精镗小直径孔时 6 35mm 公差等级可达IT6级 表面粗 糙度值小于Ra0 2 m CBN一般不适合加工塑性大的钢铁金属和镍基合金 也不适合加工铝 合金及铜合金 因容易产生严重的积屑瘤 使已加工表面质量恶化 由于CBN脆性大 不宜低速切削 通常采用负前角高速切削 以发挥 刀具材料在高温时相对工件材料的硬度优势 三 刀具材料的选择如何才能正确选择刀具材料 牌号 需要全面 掌握金属切削的基本知识和规律 最主要的是了解刀具材料的切削 性能和工件材料的切削加工性能以及加工条件 抓住切削中的主要 矛盾并考虑经济合理来决定取舍 一般应遵循以下原则 1 加工普通工件材料时 一般选用普通高速钢与硬质合金加工难加 工材料时可选用高性能和新型刀具材料牌号 只有在加工高硬材料或精密加工中常规刀具材料难以胜任时 才考 虑用超硬材料立方氮化硼和金刚石 2 由于任何刀具材料在强度 韧性和硬度耐磨性两者之间总是难以 完全兼顾的 我们在选择刀具材料牌号时 根据工件材料切削加工 性和加工条件 通常先考虑耐磨性 崩刃问题尽可能用最佳几何参 数解决 如果因刀具材料性脆还要崩刃 再考虑降低耐磨性要求 选强度和 韧性较好的牌号 一般来说 低速切削时 切削过程不平稳 容易产生崩刃现象 宜 选强度和韧性好的刀具材料 高速切削时 高的切削温度对刀具材料 的磨损影响最大 应选择耐磨性好的刀具材料牌号 二金属切削过程金属切削过程是用刀具从工件表面上切去多余的金 属 形成已加工表面的过程 也是工件的切削层在刀具前面挤压下 产生塑性变形 形成切屑而被切下来的过程 切削过程中的许多物理现象 如切削力 切削热 刀具磨损等 都 与金属的变形及其变化规律有密切的关系 研究切削过程对保证加 工质量 提高生产率 降低成本和促进切削加工技术的发展 有着 十分重要的意义 一 切削过程及切屑类型切削过程中的各种物理现象 都是以切 屑形成过程为基础的 了解切屑形成过程 对理解切削规律及其本质是非常重要的 现以 塑性金属材料为例 说明切屑的形成及切削过程中的变形情况 一 切屑的形成过程图2 1所示为将切屑形成过程粗略地比拟为推挤一叠卡片的形象化模型 金属被切削层好比一迭卡片1 2 3 4 等 当刀具切入时这迭 卡片被摞到 1 2 3 4 的位置 卡片之间发生滑移 这滑移的方向就是剪切面 当然卡片和前刀面接触这一端应该是平整的 外侧是锯齿的 或呈 不明显的毛茸状 当刀具作用于切屑层 切削刃由a相对运动至0时 整个切削单元OMm a就沿着OM面发生剪切滑移 或者O面不动 平行四边形OMma受到剪 切应力的作用 变成了平行四边形OMm1a1 图2 1 b 实际上切屑单元在刀具前面作用下还受到挤压 因而底边膨胀为Oa2 形成近似梯形的切屑单元OMm2a2 图2 1c 许多梯形叠加起来就迫使切屑向逆时针方向转动而弯曲 因此也可以说 金属切削过程是切削层受到刀具前面的挤压后 产 生以剪切滑移为主的塑性变形 而形成为切屑的过程 二 三个变形区根据切削实验时制作的金属切削层变形图片 可绘制出如图2 2所示的金属切削层的滑移线和流线示意图 流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹 由图2 2可见 切削过程中切削层金属的变形可大致划分为三个变形区 l 第一变形区从OA线 称始剪切线 开始发生塑性变形 到OM线 称 终剪切线 晶粒的剪切滑移基本完成 这一区域 I 称为第一变形区 2第二变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦 使靠近前刀面处的金属纤维化 纤维化方向基本上和前刀面平行 这一区域称为第二变形区 3第三变形区已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦 产生变形与回弹 造成纤维化与加工硬化 这部分称为第三变形区 这三个变形区汇集在刀刃附近 切削层金属在此处与工件母体分离 一部分变成切屑 很小一部分留在已加工表面上 图2 2金属切削过程中的滑移线和流线示意图 三 第一变形区内金属的 剪切变形追踪切削层上任一点P 可以观察切屑的变形和形成过程 图2 3 当切削层中金属某点P向切削刃逼近 到达点1时 此时其剪切应 力达到材料的屈服强度 s 故点1在向前移动的同时 也沿OA滑移 其合成运动使点l流动到点2 2 2 为滑移量 当P点依次到达 3 4点后 其流动方向与前刀面平行 不再沿OM线滑移 OA称为始剪切滑移线 OM称为终剪切滑移线 结论在OA到OM之间的第一变形区内 其变形的主要特征是沿滑移线 的剪切滑移变形以及随之产生的加工硬化从金属晶体结构的角度说 措滑移线的剪切变形就是沿晶格中晶面的滑移 见图2 4 工件材料的晶粒 可假定为圆颗粒 图2 4 a 受剪应力后 晶格内晶面发生位移 晶粒呈椭圆形 圆的直径AB变成长轴A B 图2 4b A B 就是晶粒纤维化的方向 2 4C 晶粒伸长的方向就是纤维化的方向 是与滑移方向剪切面的方 向不重合的 它们成一夹角 图2 5 在一般切削速度范围内 第一变形区的宽度仅为0 02 0 2mm 所以可以用剪切面来表示 剪切面和切削速度方向的夹角称为剪切角 以 表示 四 变形程度的表示方法 1 剪切角 实验证明剪切角 的大小和切削力的大小有直接联系 对于同一工件材料 用同样的刀具 切削同样大小的切削层 如 角较大 剪切面积变小 见图2 6 即变形程度较小 切削比较省力 所以 角本身就表示变形的程度 2变形系数 切削时 切屑厚度ach通常都要大于切削厚度ac 而切 屑长度lch却小于切削长度lc 如图2 7切屑厚度与切削厚度之比称为厚度变形系 a 而切削长度与切屑 长度之比称为长度变形系 l 即由于切削宽度与切屑宽度差异很小 根据体积不变原则 有 a l 变形系数 是大于1的数 可以 用剪切角 表示haaa a chc lll sin sin cos 90sin 0 OMOMah上式也可写成用剪切角 来衡量变形的大小 测量比较麻 烦 而变形系数 可直观反映切屑的变形程度 并且容易测量 五 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响1前刀面上的摩 擦塑性金属在切削过程中 切屑与前刀面之间压力很大 再加上几 百度的高温 实际上切屑底层与前刀面呈粘结状态 故切屑与前刀面之间不是一般的外摩擦 而是切屑和前刀面粘结层 与其上层金属之间的内摩擦 这种内摩擦实际上就是金属内部的滑移剪切 它不同于外摩擦 外摩 擦力的大小与摩擦系数以及正压力有关 与接触面积无关 而是与 材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关 图2 10给出切屑与前刀面摩擦时的情形 刀 屑接触部分可分为两个区域 在粘结部分为内摩擦 滑动部分为外 摩擦 图中也表示出了整个刀 屑接触区上正应力 r的分布 显然金属的内摩擦力要比外摩擦力大 得多 因此 应着重考虑内摩擦 令 为前刀面上的平均摩擦系数 则式中 Af1 内摩擦部分的接触面积 av 内摩擦部分的平均正应力 s 工件材料剪切屈服强度 由于随切削温度升高略有下降 随材料硬度 切削厚度及刀具前角 而变化 其变化范围较大 因此 是一个变数 2 影响前刀面摩擦系数的主要因素工件材料 切削厚度 刀具前角 和切削速度是影响前刀面摩擦系数的主要因素 实验表明在相同切削条件下 加工几种不同工件材料 如铜 10钢 10Cr钢 1Crl8Ni9Ti等 随着工件材料的强度和硬度的依次增大 摩擦系数 略有减小 这是由于当切削速度不变时 材料的硬度 强度大时 切削温度增高 故摩擦系数下降 切削厚度ac增加时 也略为下降 如10钢的ac从0 lmm增大到0 18 mm 从0 74降至0 72 因为ac增加后正应力也随之增大 00sincos tg sffsnfAAFF 1 在一般切削速度范围 内 前角 愈大 则 值愈大 因为随着 增大 正应力减小 故 增加切削速度对摩擦系数的影响见图2 11 当u 其二是v对 有影响 除低速区外 v增大 则 减小 因此 减小 参见图2 11 4切削厚度对切屑变形的影响当切削厚度增加时 摩擦系数减小 增大 变形变小 可见 在无积屑瘤情况下 f愈大 ac愈大 则 愈小 从另一方面来看 切屑中的底层变形最大 离前面愈远的切屑层变 形愈小 因此 f愈大 ac愈大 切屑中平均变形则愈小 反之 切屑愈薄 变形量愈大 八 切屑的类型根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不 同通常将切屑分为以下四类 1 带状切屑外形连续不断呈带状 它的内表面光滑 外表面毛茸 加工塑性金属材料 当切削厚度较小 切削速度较高 刀具前角较 大时 一般常得到这类切屑 它的切削过程平衡 切削力波动较小 已加工表面粗糙度较小 例如切削碳素钢 合金钢 铜和铝合金时常出现这类切屑 易切钢易得到这类切屑 2 挤裂切屑 节状切屑 这类切屑与带状切屑不同之处在外表 面呈锯齿形 内表面有时有裂纹 这种切屑大多在切削速度较低 切削厚度较大 刀具前角较小时产 生 3 单元切屑如果在挤裂切屑的剪切面上 裂纹扩展到整个面上 则整个单元被切离 成为梯形的单元切屑 以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到 其中 带状切屑的切削过程最平稳 单元切屑的切削力波动最大 在生产中最常见的是带状切屑 有时得到挤裂切屑 单元切屑则很 少见 假如改变挤裂切屑的条件 如进一步减小刀具前角 减低切削速度 或加大切削厚度 就可以得到单元切屑 反之 则可以得到带状切屑 这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的 掌握了它的变化规律 就可以控制切屑的变形 形态和尺寸 以达 到卷屑和断屑的目的 4 崩碎切屑如图3 15 d 所示 崩碎切屑的形状不规则 加工表面是凸凹不平的 切屑在破裂前变形很小 它的脆断主要是材料所受应力