南通大机械制造工程学课件02切屑形成过程及加工表面质量

第二章切屑形成过程及加工表面质量

研究金属切削变形过程意义和方法

意义:

一方面,生产实践中出现许多问题都与切削变形有关

另一方面,新材料,新工艺,新技术不断出现,…….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.扫描电镜和透视显微观察法(SEM)

5.光弹性、光塑性试验法

6.其它试验方法第一节切削变形区与切屑形成变形区的划分

1.第一变形区被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹------流线

大至可分三个变形区:

从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域称为第一变形区(Ⅰ)。剪切滑移第一变形区特征：2.第二变形区3.第三变形区Ⅰ

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，其方向基本上和前刀面相平行。这部分叫第二变形区（Ⅱ）。

已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，造成纤维化与加工硬化。这一部分的格子线变形也是较密集的，称为第三变形区（Ⅲ）。ⅡⅢ第二节

切屑类型及形状控制

一、切屑类型前三种是切塑性材料时

切脆性材料时v↗f↗apγ0↗1、带状切屑2、节状切屑

3、粒状切屑（单元切削）4、崩碎切屑

二、切屑形状及控制1.带状切屑2.管状切屑3.盘旋状切屑4.外形螺旋切屑5.锥形螺旋切屑6.弧形切屑7.单元切屑8.针形切屑对切屑流向有影响的角度------刃倾角λs<0

切屑流向已加工表面λ

s>0

切屑流向待加工表面附:刃倾角对接触情况的影响λs>0λs<0λs=0切屑受力后卷曲影响卷曲半径参数切屑的折断三、断屑措施1.作出断屑槽常见断屑槽有三种：直线圆弧型折线型全圆弧型适用场合：加工碳钢、合金钢、工具钢和不锈钢加工塑性高的金属材料和重型刀具断屑槽在前刀面上的位置有三种：A型Y型K型

外斜式断屑槽。前宽后窄，前深后浅。加工塑性材料是，AB两点速度差，切屑碰到后刀面，形成C形屑。

平行式断屑槽。前后等宽，且前后等深。加工塑性材料是，可通过调整f,ap，形成C形屑或发条屑。

内斜式断屑槽。前窄后宽，前深后浅。加工塑性材料是，易形成长紧切屑，靠自重甩断。2.改变切削用量3.其它断屑方法f影响最大。进给量增大，切削厚度hch增大，切屑卷曲时较易折断。ap

影响不大。只有当进给量增大时，才有效。v影响较小。a)断屑挡块b)采用断屑切削c)切削刃上开分屑槽三、断屑措施acach一、切屑变形程度的表示方法实验表明:

实验前

Lc,

ac

实验后Lch,

ach切屑厚度变形系数ξa

切屑长度变形系数ξl

>1⑴用变形系数ξ

表示切屑变形程度有三种表示方法第三节

切屑变形及基本规律

ξ愈大，变形愈严重acachLC⑵用剪切角Φ表示切屑变形程度剪切角Φ:把第一变形区看成是受压缩的一个剪切面OM

剪切面OM与切削速度之间的夹角。achac剪切角Φ愈大：剪切面积愈小，切削力愈小，切屑变形愈小剪切角Φ愈小：剪切面积愈大，切削力愈大，切屑变形愈大⑶用相对滑移ε表示切屑变形程度△S△Y△S△YacachKε=⑴变形系数ξ≠ε剪应变。γ0=-150γ0=150γ0=0⑵当ξ

>=1.5

ξ

↑，ε↑∴在一定程度上ξ

可以反应ε。⑶当ξ

=1

ac=ach

剪应变并不等于零，但切屑有变形。⑷当γ0=-15°~30°,γ0↓→ε↑⑸当ξ

<1.2时，不能用ξ

表示变形程度。24变形系数ξ剪应变ε讨论：FnsFsFnFfΦγ0βω=β-γ0作用在切屑上的力Fs

剪切面上的剪切力Fns剪切面上的正压力Ff前刀面上的摩擦力Fn前刀面上的正压力Fr合力剪切角Φ前角γ0作用角ω：合力与速度方向的夹角摩擦角β二、剪切角计算公式FrFsFnsFyFzFfFnγ0Φββ-γ0直角自由切削时力与角度的关系Fs

剪切面上的剪切力Fns剪切面上的正压力Fz

作用在工件上的水平力Fy

作用在工件上的垂直力Ff前刀面上的摩擦力Fn前刀面上的正压力Fr合力根据材料力学理论：Fr与Fs之间的角度应为45°∴

Φ+β-γ0=π/4或

Φ=π/4-β+γ0剪切角计算公式（1）当前角γ0增大时，φ角随之增大，变形减小。

∴增大γ0，有利于切削。剪切角Φ=π/4-β+γ0（2）当摩擦角β增大时，φ角随之减小，变形增大。

∴切削液,能减少磨擦，有利于切削。三、前刀面上摩擦特点在内摩擦区内的摩擦系数μ：前刀面上的摩擦

前区:属于紧密型接触,不服从古典摩擦法则.(变数)

后区:属于峰点型接触,服从古典摩擦法则.(定数)结论:

在一般切削条件下,来自前区的摩擦力占全部摩擦力的85％.

因此,切削时前刀面的摩擦,由前区起主要作用属于紧密型接触区为主的摩擦力.：工件材料剪切屈服强度：前刀面内摩擦部分的平均正应力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：σb↗，HB↗，其他不变，温度↗∴摩擦系数μ↘hD↗，正压力Fn↗，σａｖ↗

∴摩擦系数μ↘

μσａｖγ0=400γ0=300γ0=200γ0=100μvμγ0四、积屑瘤1.积屑瘤现象：

切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性金属时,在切削速度不高,而又能形成带状切削的情况下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊(粘结)并沉积在前刀面上,形成硬度很高的楔块,它能够代替刀面和切削刃进行切削,这一硬块称为积屑瘤.在形成积屑瘤的条件下,开始切削后,只经过很短的切削行程积屑瘤便出现,继而长大。BuildingUpEdge-----BUE积屑瘤外形尺寸加工条件：工件45钢、刀具W18Cr4V、γ0=5°、Vc=20m∕min、f=0.23mm∕r

结论:积屑瘤对粗加工是有利的。对于精加工则相反,精加工要求较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度,可是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。

刀—屑因摩擦而导致的冷焊是积屑瘤的成因。虽然刀—屑的冷焊是积屑瘤的成因,但是仍须同时存在适当的切削温度,积屑瘤才得以形成。2.积屑瘤对切削过程的影响：1）保护刀具3.积屑瘤的成因：2）增大前角3）增大切削厚度4）增大已加工表面粗糙度γ0e4.抑制或消除积屑瘤的措施：1）高速或低速切削2）减小进给量、增大刀具前角3）合理调整各切削参数值，防止形成中温区域。第四节已加工表面质量acach1.已加工表面的形成2.已加工表面质量主要内容加工表面质量包括两个方面的内容：加工表面的几何形状误差表面层金属的力学物理性能和化学性能（一）加工表面的几何形状误差1）表面粗糙度2）波度

表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，其波长与波高的比值一般小于50。

加工表面不平度中波长与波高的比值等于50~1000的几何形状误差称为波度。当波长与波高的比值大于1000时，称为宏观几何形状误差。

四个部分:

表面粗糙度波度纹理方向伤痕4）伤痕3）纹理方向CMR

纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。

伤痕是在加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。（二）表面层金属的力学物理性能和化学性能1）表面层金属的冷作硬化

机械加工过程中，工件表面层金属都会有一定程度的冷作硬化，使表面层金属的显微硬度有所提高。主要反映在以下三个方面:表面层金属的冷作硬化表面层金属的金相组织表面层金属的残余应力3）表面层金属的残余应力

由于切削力和切削热的综合作用，表面层金属晶格会发生不同程度的塑性变形或产生金相组织的变化，使表层金属产生残余应力。2）表面层金属的金相组织

机械加工过程中，由于切削热的作用会引起表面层金属的金相组织发生变化。3.加工表面质量对机器零件使用性能的影响（一）表面质量对耐磨性的影响1.表面纹理对耐磨性的影响

一般来说，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于磨擦副接触面压强大，耐磨性较差。在运动副中，两想对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性较好；运动方向垂直时，耐磨性最差。2.表面粗糙度对耐磨性的影响

表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般来说，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。

表面粗糙度Ra(μm)起始磨损(μm)轻载荷重载荷Ra2Ra13.冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般都能使耐磨性有所提高。冷作硬化硬度(HBS)磨损量M(μm)（二）表面质量对耐疲劳性的影响1.表面粗糙度对耐疲劳性的影响2.表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响

表面粗糙度对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。

表面层金属的冷作硬化能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的耐疲劳强度。但同时也会产生残余应力。残余应力有拉应力和压应力之分，拉伸残余应力将使耐疲劳强度下降，而压缩残余应力则可使耐疲劳强度提高。（三）表面质量对耐蚀性的影响1.表面粗糙度对耐蚀性的影响2.表面层力学物理性质对