机械制造技术基础 第二章 第三节 金属切削过程及物理现象

第三节金属切削过程及其物理现象,一、研究金属切削变形过程的实验方法二、金属切削层的变形（切屑形成过程）1、变形区的划分2、第变形区内金属的剪切变形及变形程度的表示方法3、第变形区的变形4、第变形区的变形5、刀具前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响三、积屑瘤四、切屑及其控制1、切屑类型2、生产实际中的切屑形态3、断屑方法,一、研究金属切削变形过程的实验方法,1、侧面方格观查法用显微镜直接观察低速直角自由切削时工件切削层侧面的金属变形状况。为便于观察通常将工件侧面抛光，画出细小方格，观察这些方格如何扭曲，从而获知刀具前方变形区的范围及金属颗粒如何流向切屑。2、快速落刀法使刀具以尽可能快的速度脱离工件，把切削过程冻结起来，将留下的切屑的根部做成标本，供观察。若要探索在不同条件下的切削变形特征，可采用此法，获取该条件下的变形区及切屑根部的标本。3、在线瞬态摄影法用由体式显微镜、照相机、及闪光源等组成的在线瞬态体式摄影系统拍摄切削金属层的某一点在切削过程中的流动轨迹（流线）的方法。（如图所示）这种方法可以得到切削层金属的流线图，从流线图可求得剪切角和变形厚度。4、高速摄影法采用高速摄影机观察高速切削情况下的金属变形情况，每秒可拍摄几万幅。5、扫描电镜观察法是一种电子光学显微镜，放大倍率可达几十万倍，分辨率可达纳米级。常用于观察表面微观形貌及微区成分分析。可用于观察研究切屑的形貌研究切屑变性过程，观察刀具磨损形貌研究磨损机理等。6、光弹性、光塑性试验用来研究金属变形区的应力情况。,二、金属切削层的变形,1、变形区的划分根据试验可划出切削层金属在切削过程中的滑移线和流线的示意图。滑移线：切削层金属发生剪切塑性变形最大等剪应力曲线，切削层金属将沿着此滑移线发生剪切滑移变形。流线：切削层金属某一点在切削过程中的流动轨迹。变形化分区如图所示第变形区（基本变形区）从OA线开始发生塑性变形，到OE线晶粒的剪切滑移基本完成。将这一区域OAEO称为第变形区（OA称为始滑移线，OE称为终滑移线。）第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，使切屑底层的金属将发生塑性变形。这部分称为第变形区。第变形区在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层金属也将发生塑性变形。这部分称为第变形区。,2、第变形区内金属的剪切变形及变形程度的表示方法第变形区的变形过程第变形区的变形特征沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化现象。从金属晶体结构的角度理解第一变形区的变形沿滑移线的剪切滑移变形就是沿晶格中晶面的滑移，设工件原材料晶粒为圆形，当受剪应力时，晶格内的晶面就发生位移，使晶粒呈椭圆形。变形区的宽度(始滑移线OA至终滑移线OE之间的宽度）在一般切削速度范围内，仅为0.020.2mm，很窄。切削速度越高，始滑移线OA后移至OA的程度就越大，变形区的宽度就越窄。所以第变形区可近似用一个面来表示。剪切面及剪切角(如图所示）剪切面工件待加工表面与切屑顶面的交线OO和刀尖所在直线OO所组成的平面。剪切角剪切面与切削平面的夹角，即在正交平面内剪切线OO与速度v的夹角。,第变形区变形程度的表示方法剪切角剪切角第变形区的剪切滑移变形用剪切角表示第变形区的剪切滑移变形程度，高速时，较准确；低速时误差较大。通常，切削速度V剪切滑移变形将减小。相对滑移第变形区变形既然是剪切滑移，所以直接用剪应变即相对滑移来表示其变形程度。越大其变形程度就越大。相对滑移与剪切角的关系：=coso/sincos（o)刀具前角o；剪切角。所以，在实际加工中通常是高速、大前角时切削轻快。变形系数(切屑厚度ach与切削层厚度ac）ach切屑的厚度，ac切削层的厚度；Lch切屑长度，Lc切削层的长度。厚度变形系数：a=ach/ac长度变形系数：L=Lc/Lch通常，变形系数（a，L）剪切滑移变形。,3、第变形区的变形第变形区的变形过程(如图所示）第变形区的变形特征沿前刀面方向产生剧烈的剪切塑性变形并随之产生加工硬化现象。表现为切屑底沿前刀面方向出现严重纤维化，流动速度减缓，甚至会停止在前刀面上；切屑产生弯曲；同时产生大量的摩擦热。4、第变形区的变形第变形区的变形过程第变形区的变形特征在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层金属产生纤维化并随之产生加工硬化。5、前刀面的摩擦与挤压及其对切屑变形的影响作用在切屑上的力在直角自由切削条件下，以切屑为分离体，忽略其自身重力及剪切面上的弯矩影响，分析作用在切屑上的力。来自前刀面的力：法向力Fn，摩擦力Ff。其合力为Fr，Fn与Fr的夹角为摩擦角，o是刀具的前角。来自剪切面的力：正压力Fns，剪切力Fs。其合力为Fr，角是剪切角Fr与Fr应为平衡力，将所有的力均画在切削刃的前方，可得如下公式,Fs=As=Ac/sinFr=Fs/cos(+-o）=Ac/sincos(+-o）Fz=Frcos(-o）=Accos(-o）/sincos(+-o）Fy=Frsin(-o）=Asin(-o）/sincos(+-o）Fy/Fz=tg(-o）剪切角与前刀面摩擦角关系Fr切削力（切屑形成力）Fr方向就是主应力方向。Fs是剪切面上的剪切力Fs方向就是最大剪应力方向。据材料力学可知：主应力与最大剪应力之间的夹角应为/4。故由受力分析图可知：o=/4=/4o（李和谢弗剪切角公式根据塑性力学直线滑移线场理论推导出的）另一公式：=/4o/2/2（麦钱特剪切角公式根据剪切面发生在单位体积耗能为最小的方向导出的）由公式可知：o沿滑移线的剪切滑移变形减小。沿滑移线的剪切滑移变形增大。所以，在保证切削刃强度的前提下，增大前角o；提高刀具刃磨质量或加切削液减小前刀面上的摩擦即减小，均可减小切削变形，切削力随之减小对切削有利。,前刀面的摩擦特性刀屑接触区域可分为：内摩擦区（粘接区、塑性接触区）；外摩擦区（滑动摩擦区弹性接触区）。外摩擦区：外=Ff/Fn=常数内摩擦区：内=Ff/FnsAf1/avAf1=s/avs：工件材料的剪切屈服强度，随切削温度升高略有降低。av：平均正应力，随材料硬度、切削厚度、切削速度及刀具前角而变化。金属内摩擦比外磨擦大很多，应主要考虑内摩擦，且内摩擦是一个变数。影响前刀面摩擦系数的主要因素工件材料通常工件材料的强度、硬度愈大，摩擦系数略有减小。切削厚度ac切削厚度增加时，正应力随之增大，摩擦系数略有减小。切削速度V切削速度对摩擦系数的影响通常是驼峰曲线。在某一速度以下（VVo）时，V摩擦系数当切削速度超过这一数值（VVo）后，V摩擦系数刀具前角O在一般速度范围内，通常O摩擦系数,三、积屑瘤1、积屑瘤在切削速度不高，加工一般的钢料（或其它塑性金属）且能形成连续性切屑时，常常在前刀面切削处粘着一块剖面常为三角形状的硬块。其硬度很高，通常为工件材料的23倍，处于较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。如图所示：2、积屑瘤形成过程3、积屑瘤形成条件中速切削加工一般的钢料（或其他的塑性金属）、形成连续性切屑、刀屑之间保持一定的温度和较大的压力时易产生。且材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生。4、积屑瘤作用优点a、积屑瘤稳定时，可代替刀刃进行切削，提高刀具寿命。b、使刀具的实际工作前角增大，可减小切削力，对切削过程有利。缺点a、影响工件的尺寸精度，且有可能产生震动。b、使加工表面的粗糙度增加。c、积屑瘤不稳定时，加剧刀具的磨损，降低刀具寿命。,5、积屑瘤的控制促使形成稳定的积屑瘤采用在刀具上修磨适宜的负倒棱，使积屑瘤在较宽的速度范围内均能产生。避免积屑瘤的措施采用低速或高速切削，避开易形成积屑瘤的速度范围。采用润滑性能好的的切削液，减小刀屑摩擦。增加刀具前角，以减小刀屑接触区的压力。提高工件的硬度，减少加工硬化倾向。,四、切屑及其控制1、切屑类型带状切屑形态:内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的，用显微镜可观查到剪切面的条纹，但每个单元很薄。形成条件：加工塑性金属，切削速度较高，刀具前角较大，切削厚度较小时，易得这种切屑。切削过程特点：切削过程平稳，切削力波动小，已加工表面质量好。挤裂切屑形态：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。形成条件：加工塑性金属，切削速度较低，刀具前角较小，切削厚度较大时，易得这种切屑。切削过程特点：切削力有波动，已加工表面质量不太好。单元切屑形态:在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，整个单元被切离，形成梯形粒状的切屑，且各粒形状相似。形成条件：加工塑性金属，切削速度很低，刀具前角很小，切削厚度很大时，易得这种切屑。切削过程特点：切削力呈规律性高频振动，已加工表面质量不太好。崩碎切屑形态:不规则的碎块状的切屑。形成条件：加工脆性金属