金属切削变形

金属切削变形第1页，共60页，2023年，2月20日，星期四第1节研究金属切削变形过程的意义和方法[学习要求]明确研究金属切削变形过程的意义；了解金属切削变形过程的实验方法。【返回目录】第2页，共60页，2023年，2月20日，星期四第1节研究金属切削变形过程的意义和方法二、研究金属切削变形过程的实验方法一、研究金属切削变形过程的意义第3页，共60页，2023年，2月20日，星期四一、研究金属切削变形过程的意义金属切削变形过程的研究，它对于切削加工技术的发展和进步，保证加工质量，降低生产成本，提高生产率，都有着十分重要的意义。很明显，因为金属切削加工中各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及已加工表面质量等，都是以切屑形成过程为基础的，而生产实践中出现的许多问题，如鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑与断屑等，都同切削变形过程有关。因此，开展金属切削变形过程的研究，正是抓住了问题的根本，深入到本质，重视了基础。第4页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、研究金属切削变形过程的实验方法1．侧面方格变形观察法2．高频摄影法3．快速落刀法4.扫描电镜和透视电镜显微观察法5．光弹性、光塑性试验法6．其他试验方法【返回节首】第5页，共60页，2023年，2月20日，星期四第2节金属切削层的变形[学习要求]熟悉金属切削过程中变形区的划分；熟悉各变形区所发生的变形；掌握相对滑移、变形系数、剪切角的概念；掌握相对滑移与变形系数的关系式。【返回目录】第6页，共60页，2023年，2月20日，星期四第2节金属切削层的变形二、第一变形区——剪切滑移变形一、变形区的划分三、变形程度的表示方法第7页，共60页，2023年，2月20日，星期四一、变形区的划分45°F45°Fν第8页，共60页，2023年，2月20日，星期四

切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。FABOM45°a）正挤压FABOM45°b）偏挤压OMFc）切削正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°.偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移.切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。图3-2金属挤压与切削比较挤压与切削一、变形区的划分第9页，共60页，2023年，2月20日，星期四金属切削变形过程图3-4切削变形实验设备与录像装置一、变形区的划分第10页，共60页，2023年，2月20日，星期四图3-3切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角金属切削变形过程一、变形区的划分第11页，共60页，2023年，2月20日，星期四一、变形区的划分右图表示了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。第12页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、第一变形区——剪切滑移变形第13页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、第一变形区——剪切滑移变形第14页，共60页，2023年，2月20日，星期四vVcM

O刀具

工件切屑二、第一变形区——剪切滑移变形φ剪切面和切削速度方向的夹角叫做剪切角，以φ表示。0A叫始剪切线(或始滑移线)；0M叫终剪切线(或终滑移线)，。第15页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、变形程度的表示方法通常用剪切角φ、相对滑移ε、切屑厚度压缩比Λh（变形系数ξ）的大小来衡量切削变形规律。1.剪切角φ——剪切面和切削速度方向的夹角。是从切屑根部金相组织中测定的晶格滑移方向与切削速度方向之间的夹角。vVcM

O刀具

工件切屑φΦ大，剪切面积小，Φ小，剪切面积大。第16页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、变形程度的表示方法2.相对滑移ε——切削层在剪切面上相对滑移量。第17页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、变形程度的表示方法2.相对滑移ε当平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，在切削过程中，这个相对滑移，可以近似地看成是发生在剪切面NH上。剪切面NH被推移到PG的位置，故有：可知在刀具的前角一定的情况下，相对滑移仅与剪切角φ有关。第18页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、变形程度的表示方法3.切屑厚度压缩比Λh（变形系数ξ）切屑厚度hch与切削层厚度hD之比，称为厚度变形系数：切削层长度lD与切屑长度lch之比，称为长度变形系数：第19页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、变形程度的表示方法3.切屑厚度压缩比Λh（变形系数ξ）切削层变成切屑后宽度的变化很小，根据体积不变原理：第20页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、变形程度的表示方法3.切屑厚度压缩比Λh（变形系数ξ）一般变形系数是大于1的数，它直观地反映了切屑变形程度，并且比较容易测量。第21页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、变形程度的表示方法4.相对滑移与变形系数的关系第22页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、变形程度的表示方法(1)变形系数并不等于相对滑移。(2)当ξ≥1.5时，对于某一固定的前角，相对滑移与变形系数成正比。(3)当ξ=1时，即hD=hch，相对滑移并不等于零，因此，切屑还是有变形的。(4)当γo=15°—30°，变形系数即使具有同一的数值，倘若前角不相同，相对滑移仍然不相等，前角愈小，ε就愈大。(5)当ξ＜1.2时，不能用ξ表示变形程度。原因是：当ξ在1—1.2之间，ξ虽减小，但ε却变化不大。【返回节首】第23页，共60页，2023年，2月20日，星期四第3节前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响[学习要求]了解切削过程中作用在切屑上的力；明确剪切角φ与前刀面摩擦系数μ的关系；理解内摩擦的概念；熟悉影响前刀面摩擦的主要因素。【返回目录】第24页，共60页，2023年，2月20日，星期四第3节前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响二、剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系一、作用在切屑上的力三、前刀面上的摩擦四、影响前刀面摩擦系数的主要因素第25页，共60页，2023年，2月20日，星期四一、作用在切屑上的力在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff，在剪切面上也有一个正压力Fns和剪切力Fs，这两对力的合力应该互相平衡。第26页，共60页，2023年，2月20日，星期四一、作用在切屑上的力第27页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系1.麦钱特(M．E．Merchant)公式

求微商，并令，可求出Fr为最小值时φ之值。

第28页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.李和谢弗(LeeandShaffer)公式也称为切削第一定律，是根据主应力方向与最大切应力方向之间的夹角为45°的原理来计算剪切角。第29页，共60页，2023年，2月20日，星期四(1)当前角γo增大时，φ角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的。(2)当摩擦角β增大时，φ角随之减小，变形增大。因此提高刀具刃磨质量，施加切削液以减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。第30页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、前刀面上的摩擦1－单位切向力分布曲线2－正应力分布曲线lf－刀具－切屑接触区长度lf1－粘结黏结区长度lf2－滑动区长度

第31页，共60页，2023年，2月20日，星期四四、影响前刀面摩擦系数的主要因素1.工件材料2.切削厚度3.切削速度4.刀具前角5.其它（刀具材料、刃磨质量、切削液）【返回节首】第32页，共60页，2023年，2月20日，星期四第4节积屑瘤的形成及其对切削过程的影响[学习要求]掌握积屑瘤的形成条件；掌握积屑瘤对切削过程影响的要点；掌握积屑瘤的生长高度与切削速度的关系；掌握抑制积屑瘤的方法【返回目录】第33页，共60页，2023年，2月20日，星期四第4节积屑瘤的形成及其对切削过程的影响二、积屑瘤对切削过程的影响

一、积屑瘤现象

三、积屑瘤的成因

四、抑制积屑瘤的措施第34页，共60页，2023年，2月20日，星期四一、积屑瘤现象第35页，共60页，2023年，2月20日，星期四在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，加工塑性材料时，在刀具前刀面常常粘结一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为积屑瘤。积屑瘤的硬度可达工件材料硬度的2—3.5倍。一、积屑瘤现象第36页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、积屑瘤对切削过程的影响1.增大前角

2.增大切削厚度

3.增大巳加工表面粗糙度4.切削刀具的耐用度降低第37页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、积屑瘤的成因切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。第38页，共60页，2023年，2月20日，星期四所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。第39页，共60页，2023年，2月20日，星期四实验和生产实际表明：在中低温度下，例如切削中碳钢，温度在300℃—380℃，积屑瘤高度为最大，温度超过500℃—600℃时积屑瘤消失。第40页，共60页，2023年，2月20日，星期四问题某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些方法。第41页，共60页，2023年，2月20日，星期四回答1、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，积屑瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易，所以这位师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的加工方法，2、积屑瘤很不稳定，它会周期性地脱落，这就造成了刀具实际切削厚度在变化，影响零件的加工尺寸精度。3、积屑瘤的剥落和形状的不规则又使零件加工表面变得非常粗糙，影响零件表面光洁度。所以在精加工阶段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生。第42页，共60页，2023年，2月20日，星期四四、抑制积屑瘤的方法避免积屑瘤产生的常用的方法有：(1)选择低速或高速加工，避开容易产生积屑瘤的切削速度区间。例如，高速钢刀具采用低速宽刀加工，硬质合金刀具采用高速精加工；(2)采用冷却性和润滑性好的切削液，减小刀具前刀面的粗糙度等；(3)增大刀具前角，减小前刀面上的正压力；(4)采用预先热处理，适当提高工件材料硬度、降低塑性，减小工件材料的加工硬化倾向。【返回节首】第43页，共60页，2023年，2月20日，星期四第5节影响切削变形的因素掌握工件材料、刀具几何角度对切屑变形影响的要点；掌握切削速度对切屑变形影响的要点；掌握切削用量三要素对切屑变形影响的要点；正确分析切削速度对变形系数的影响的规律。

[学习要求]【返回目录】第44页，共60页，2023年，2月20日，星期四第5节影响切削变形的因素二、刀具前角对切削变形的影响

一、工件材料对切削变形的影响

三、切削用量对切削变形的影响

第45页，共60页，2023年，2月20日，星期四一、工件材料对切削变形的影响1－00 2－103－15 4－20Cr5－20 6－9Cr7－T8-1 8－309－2Cr13 10－40CrWSi11－35Cr3MoNi12－40 13－6014－5015－18CrNi316－1Cr18Ni9Ti17－T8 18－T1219－35CrNi3第46页，共60页，2023年，2月20日，星期四工件材料的强度和硬度增大，变形系数减小。这是由于工件材料的强度和硬度增大，使前刀面上的法向应力σav增大，摩擦系数μ减小；摩擦系数μ减小，摩擦角β减小，剪切角φ增大，所以变形系数减小。表3-1不同材料的摩擦系数μ工件材料σb/MPaHBShD/mm0.10.140.180.22铜213550.780.760.750.7410钢3621020.740.730.720.7210Cr4801250.730.720.720.711Cr18Ni9Ti6341700.710.700.680.67第47页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、刀具前角对切削变形的影响刀具几何参数中影响变形系数最大的是前角γo。实验结果表明：(1)刀具前角γo越大，变形系数越小。第48页，共60页，2023年，2月20日，星期四(2)刀具前角γo越大，摩擦系数μ越大。第49页，共60页，2023年，2月20日，星期四一方面由于前角γo增大，剪切角φ增大，变形系数减小，这是前角γo对变形的直接影响。另一方面前角γo还通过摩擦角β间接的影响变形程度。即前角γo增大，作用在前刀面上的法向应力σav减小，摩擦角β增大，剪切角φ越小，变形增大。但是这种间接影响小于直接影响，所以前角γo增大时，变形系数还是减小。第50页，共60页，2023年，2月20日，星期四三、切削用量对切削变形的影响1)切削速度v的影响

当v比较低时，曲线有驼峰。这是由于积屑瘤的消长和切削温度