哈工大金属切削原理与刀具

哈工大金属切削原理与刀具第1页/共24页金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45°方向的斜截面内，产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。刀具切削时相当于局部挤压，使金属沿最大剪应力方向产生滑移。OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿BC线滑移，而只能沿DA线滑移。第2页/共24页3.2切削过程中的三个变形区

3.2.1第一变形区:塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区(Ⅰ)。

第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。一般地，第一变形区AOM的宽度很窄，仅为0.02～0.2mm。第3页/共24页剪切角φ:剪切面和切削速度方向的夹角。Ф值小，反映剪切变形的程度大第4页/共24页3.2.2第Ⅱ变形区

切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切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发生“纤维化”的二次变形，其方向基本上和前面相平行。这部分区域称为第二变形区（Ⅱ）。纤维化金属粘附在前刀面上，使其流动速度非常低，这种切屑底层流动速度较其它部分缓慢的现象称为滞流现象，该金属层叫滞流层。刀屑这种摩擦实质上是切屑底层内的剪切滑移。变形性质为塑性变形。造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。第5页/共24页3.2.3第三变形区在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为第三变形区（Ⅲ）。是第一变形区的塑性变形扩展到切削层的下方金属，在后刀面的法向力和摩擦力的作用下，使工件继续产生径向的塑性变形和弹性变形。该变形区的变形及应力状态对已加工表面的质量影响最大。会造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、加工硬化和残余应力。引起变形的主要因素：⑴刀刃都有钝圆半径，被切金属与基体的分离点在该圆弧段上是随机的。使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量。⑵刀具由于磨损，在后刀面上会产生一无后角的磨损平面。⑶由于工件材料的弹性恢复，使已加工表面与后刀面接触变长。纵上所述，金属切削过程的本质就是：被切削金属层在刀具的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形的过程。第6页/共24页3.3切屑变形的表示方法切削过程中，切削层金属变形主要表现在剪切面上的剪切滑移，其次表现在切屑的收缩、卷曲和加工过程中的硬化。变形程度的度量方法一般用切削厚度压缩比和相对滑移ε表示。3.3.1相对滑移（纯剪切）

第7页/共24页第8页/共24页3.3.2切削变形系数切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小。假设：宽度不变，体积不变。厚度变形系数：切屑厚度hch/切削层厚度hD

长度变形系数：切削层长度LD/切屑长度Lch

由体积相等可推出两变形系数相等

变形系数在一定条件下反映金属的平均挤压程度。

第9页/共24页1.切削厚度压缩比并不等于相对滑移ε3.3.3相对滑移与变形系数的关系2.当=1时，ε并不等于零；即切屑还是有变形的3.当＞1.2时，ε与成正比，因此在一般情况下，切削厚度压缩比可以在一定程度上反映相对滑移ε的大小第10页/共24页3.4剪切角佐列夫经验公式：Φ＋ω≈40°－50°＝CΦ≈C－ωω＝β-γ0Φ≈C－β＋γ0作用角ω：Frγ与Vc间夹角前刀面摩擦角β：Frγ与Fnγ间夹角剪切角φ↑→剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓Φ=π/4-β+γ0Φ=π/4-β/2+γ0/2结论：1.当γo增大时，Φ角随之增大，变形减小。即在保证切削刃强度的条件下，增大前角对改善切削过程是有利的。2.当β增大时，Φ角随之减小，变形增大。故仔细研磨刀面、加入切削液以减小前刀面上的摩擦对改善切削过程是有利的。第11页/共24页3.5前刀面上的摩擦与积屑瘤3.5.1前刀面上的摩擦与积屑瘤在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。

刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外摩擦)区。在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层。内摩擦就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。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。第12页/共24页第13页/共24页Ffγ：前刀面上的摩擦力Fnγ：前刀面上的法向力Af

：粘结面积Lf1：切削温度升高，τ

s略有下降；工件材料强度和硬度越高，或切削厚度越大、刀具前角越小，刀屑间正压力σav越大，摩擦系数越小。第14页/共24页3.5.2积屑瘤

在一定的切削速度范围内切削钢、铝合金、铜合金等塑性材料时，常有一部分被切工件材料堆积于刀具刃口附近的前刀面上。这层堆积物大体成三角形，质地十分坚硬，其硬度可为工具材料的2倍~3倍，处于稳定状态时可代替刀尖进行切削。该堆积物称为积屑瘤，俗称刀瘤。反复生长和脱落，脱落后粘附在已加工表面上。顶部凹凸不平，使加工表面粗糙度增加。第15页/共24页3.6影响切屑变形的因素

切屑变形的程度主要决定于：工件材料、刀具几何参数、切削用量。3.6.1工件材料工件材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度增高，正压力Fn增大，平均正应力σav增大，因此，摩擦系数μ下降，剪切角φ增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形。要达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大。第16页/共24页3.6.2刀具的几何参数增大前角γ0，使剪切角φ增大，变形系数Λh减小，切屑变形减小。第17页/共24页3.6.3切削用量1.切削速度VcVc越高，变形系数Λh越小在高速时，由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。在积屑瘤增长的速度范围内,切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角φ改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角φ增大、变形系数减小。在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系数不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。第18页/共24页Vc在3～20m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角φ增大，故变形系数Λh减小。Vc＝20m/min时，Λh值最小。Vc在20～40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使φ减小，Λh增大。在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。Vc超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，使摩擦系数μ下降，故变形系数Λh减小。第19页/共24页2.进给量的影响在无积屑瘤的情况下，通过hD和μ来影响切削变形的。当进给量f增大时，切削层厚度hD增大，切屑的平均变形减小，变形系数减小。第20页/共24页形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂切削塑性材料，速度高，切削厚度小前角大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑3.7切屑的类型与控制3.7.1切屑的类型（按切屑的形成机理）节状切屑带状切屑第21页/共24页2.按工件材料、刀具几何形状和切削用量常见切屑形状有带状屑、C形屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑等。带状屑连绵不断，易缠绕在工件或刀具上，造成划伤工件表面或打坏刀刃，甚至伤害操作人员。故一般应避免形成带状屑。但在某些情况下(如加工盲孔)，为了使切屑顺利地排出，希望形成带状屑或长紧卷屑。C形屑是一种较好的屑形，不会伤工件表面或打刀刃，也不易伤人。多数是使它碰撞在刀具后刀面或工件表面上而折断，但这样会影响切削过程的平稳性，也会影响工件已加工表面粗糙度。因此，精加工时希望形成长螺卷屑。在重型车床上，因切屑又厚又宽，为安全起见，希望形成发条状屑，并使其在工件加工表面上顶断，靠自重坠