[工学]08金切第三章.ppt

金属切削原理 （40学时）,第3章 金属切削变形过程 3.1概述 意义与方法： 金属切削加工中各种物理现象的研究（如切削力、切削温度、刀具磨损以及已加工表面质量等)，都以切削变形过程为基础;而加工中出现的鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑、断屑都同切削过程有关。 利用透射电镜、扫描电镜、高速摄影机观察切削过程。 从单因素实验进入多因素综合实验；从静态观测进入动态观测；从宏观研究进入微观研究,3.2变形区划分及各变形区变形规律 3.2.1切屑的形成过程,爆炸型落刀装置,工件材料：GH761；放大250倍 刀具材料：M42,工件材料：GH169；放大250倍 刀具材料：M42,用快速落刀法取得的切屑根部的金相显微照片,图3- 2挤压与切削的比较,切削变形过程示意,工 件,刀 具,切 屑,3.2.2切削过程中的三个变形区,图3-3三个变形区,1. 第变形区内金属的剪切变形,图3-3中OA、OM虚线实际就是图3-4中的等剪应力曲线。OM为终剪切线（或终滑移线），OA叫始剪切线（或始滑移线）。 在OA到OM之间的第变形区内，其变形的主要特征是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。,图3-4第变形区金属 的滑移,在一般切削速度范围内，第一变形区宽度仅为0.020.2mm,可用一剪切面代替。 剪切角：剪切面和切削速度方向的夹角。,切削层,切屑,刀具,2. 第变形区内金属的挤压变形 切削刃有钝圆半径rn （新刃磨高速钢刀1215m ，新磨硬质合金刀1826m ），应力很大，如车削时，20003000N/mm2 作用在极小的面积上， 摩擦力很大，靠近前 刀面处切屑不易流出， 这一薄层金属受前刀 面挤压、摩擦，进一 步发生变形,1、切屑的形成过程 在刀具的作用下，切削层金属经受弹性变形、塑性变形进而产生剪切滑移形成切屑。为了便于分析，以二元切削为例。 2、变形系数h ( 也称收缩系数） 又称切削厚度压缩比,3.3切削变形的表示方法 3.3.1变形系数h ( ),图3 5变形系数的计算参数,切屑厚度 与切削层厚度 之比称厚度变形系数 ； （3-1） 切削层长度 与切屑长度 之比称长度变形系数 （3-2） 一般情况下，切削层宽度方向变化很小，根据体积不变原理，显然 （3-3）,变形系数(曾记为) 1； ； vc 直观反映了切屑的变形程度。一般切削中碳钢时， =2 3, 由图3 5b)可知， h=hch/hD= h= = h 利用h值来表示切屑及切削层尺寸的变化及相互关系比较直观，且易测量。但在某些情况下不能正确反映实际的变形程度。,OM COS(-o),OM sin,COS(-o),sin,3.3.2相对滑移 （剪应变） 金属变形主 要形式是剪切 滑移。在纯剪 切条件下， (s=0r=0) 可用剪应变来 衡量变形程度。,图3-6 剪切变形示意图,则,（3-4）,（3-5）,或,当平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为OGPM形， 剪应变可以近似地看成是发生在剪切面NH上,是根据纯剪切计算的，而实际切削过程除剪切外还有挤压作用， 故用表示切削层的变形程度有一定的近似性，且计算复杂。,3.3.3相对滑移与变形系数的关系 以上两种表示变形的方法各有优缺点，既然都是用来表示变形大小的，两者必然有内在联系,将式（3-7）代入（3-4）,由图3-5b)可以推出h和的关系, h （3-6）,（3-6）式变换后可写成,（3-7）,（3-8）,图3-7 h - 关系,相对滑移与变形系数h二者之间的关系。 由图3-7可知： （1）变形系数并不等于剪应变。 （2）当h 1.5时，对于某一固定的前角，剪应变与变形系数h成正比。因此，在一般情况下，变形系数h可以在一定程度上反映剪应变的大小。 （3）当h=1时，即 hD=hch，剪应变并不等于零，因此，切屑还是有变形的。 （4）当o= -1530，变形系数h即使具有同一的数值，倘若前角不相同，仍然不相等，前角愈小，就愈大。 （5）h1.2时，不能用h表示变形程度。原因是：当h在1.21之间，h虽减小，而却变化不大；当h1时，h稍有减小，而却反而大大增加。,3.4剪切角 切屑hch变厚、变短 h 3.4.1作用在切屑上的力 摩擦角 F 和 FN 间夹角（书中有错） 摩擦系数：=tan ,图3-8 作用在切屑上的力,图3-9直角自由切削时力与角度的关系,由图3-9可以求出： （3-9） 由此得 FP/ Fc=tan（ - o ），求出 摩擦系数：=tan 3.4.1剪切角计算 据合力最小原理确定： =/4 /2 + o/2 （3-13 ） 麦钱特公式，值偏大 主应力方向与最大剪应力方向夹角45 =/4 + o （3-14 ） 李和谢弗公式，值偏小,3.6 前刀面上的摩擦,切削过程中，切屑底层在流出过程中不断抹拭前刀面，使其与前刀面的接触区是没有保护膜的新鲜表面，二者极有可能粘结在一起，造成靠近前刀面处切屑底层很薄的一层金属由于被粘结而滞流，而上层金属仍在高速流动，这样就在切屑底层的各层金属间产生了内摩擦。 这种内摩擦实际上就是金属内部的滑移剪切，它与材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关，与外摩擦不同。,图3-13 切屑与前刀面摩擦情况 单位切向力分布曲线 正应力分布曲线 l f刀具切削区接触长度,令代表前刀面上的平均摩擦系数，则按内摩擦 规律有 ：,av随工件材料的硬度、切削厚度、切削速度及刀具前角的变化，在较大范围内变化，因此1是个变数。而2可看成是常数。 内摩擦力约占全部摩擦力的85%，即前刀面的刀屑接触区是以内摩擦为主，根本不遵循外摩擦定律。,式中：f 前刀面上的摩擦力；Fn 前刀面上的法向力； Af 刀具与切屑接触面积 在lf1区内， 等于工件材料本身的剪切屈服强度s ，如以平均法应力av代替 则：,l f2为滑动摩擦区 在lf2区内是滑动摩擦，当两个固体相对滑动时，是不断更换冷焊结的过程。冷焊结受到破坏时所表现出来的抗剪力成为摩擦力的主要部分，它的大小等于冷焊结的抗剪强度s与实际接触面积A的乘积 。,摩擦系数,式中，s 峰点材料的压缩屈服极限,3.5 切屑的种类 3.5.1切屑的类型 切削塑性材料时，由于材料的塑性不同，切削条件不同，会形成三种切屑： 带状切屑 节状切屑（挤裂屑） o v c hD切屑形状 粒状切屑（单元切屑） 可改变 切削铸铁、青铜等脆性材料时，形成 崩碎屑,带状切屑,节状切屑,单元切屑,崩碎屑,图3-10切屑的种类,带状切屑,节状切屑,单元切屑,崩碎屑,表3-1切屑形态的影响因素及其对切削加工的影响,例如：由上表可知，如增大前角、提高切速、减小进给量，有利于使粒状屑、节状屑向带状屑转化。,3.5.2切屑形状分类、卷屑和断屑 影响切屑处理和运输的主要因素是切屑的形状,随着工件材料和刀具几何形状和切削条件的改变，所生成的切屑有带状屑、C形屑、崩碎屑、宝塔状屑,图3-11 切屑的卷曲,图3-12 切屑的折断,3.7积屑瘤 3.7.1积屑瘤现象及形成原因 1、积屑瘤现象 在一定的切削速度范围内切削钢料、球墨铸铁或铝合金等塑性金属时，有时会在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的金属，这就是积屑瘤（也称刀瘤），体积约为小米粒大。,与过切量,图3- 14刀刃处积屑瘤 a)刀刃处积屑瘤 b)积屑瘤实际前角b与过切量,积屑瘤的形成,积屑瘤与切削速度的关系,积屑瘤,2、积屑瘤产生的原因 刀屑因摩擦而导致的冷焊是积屑瘤形 成的主要原因。再加之很高的压力和适当的温度。 在适当的情况下，积屑瘤才得以形成。 例如：对碳钢，300350左右强度最大，积屑瘤高度最大，超过500 趋于消失。,3.7.2积屑瘤对切削加工的影响 有利方面：保护刀具 增大刀具实际工作前角 不利方面： 影响工件尺寸精度（增大切削厚度） 影响表面粗糙度 3.7.3抑制积屑瘤措施 (切削用量中切削速度对积屑瘤影响最大，如图3-15) 采用高速或低速切削，可抑制或避免积屑瘤的产生 增大前角可减小积屑瘤高度。 采用润滑性能优良的切削液可减小甚至消除积屑瘤。 提高工件材料硬度（如热处理）；减小加工硬化倾向,图3-15切削速度与积屑瘤形成关系示意图,从三个方面分析,3.8.2刀具几何参数影响 1、前角o (图3-16）,o ,图3-16 o-h关系曲线,3.8.3切削用量的影响 1、切削速度 vc,图3-17 切削40Cr 钢时 vc-h关系曲线,3、背吃刀量ap 由图3-17可以看出，ap对变形系数h基本无影响。,图3-18 f -h关系曲线 工件：40钢 ap=4mm,小结： 一、切削区划分 二、衡量切削变形参数h 、 、 三、积屑瘤 四、影响切削变形因素分析 作业： 1.怎样划分金属切削变形区？在第一变形区里发生了怎样的 变形，变形的主要特征是什么？ 2.切