金属切屑根部标本制备_变形系数_剪切角测定

1、切屑根部金相标本制备、变形系数及剪切角的测定金属切削实验技术王红军2008. 11主要内容n变形系数的测定n剪切角的测定n切屑根部金相标本制作1.切屑根部金相标本制作基本步骤：切屑根部标本的嵌装试样表面的制备试样的抛光金相腐蚀1.1切屑根部标本的嵌装l切屑极易断离和变形，为防止切屑断离及变形必须对切屑根部标本进行嵌装。l快速落刀装置取得切屑根部后，需将切屑连同与其毗连的工件仔细切割(机械切割、线切割)。l标本尺寸一般宜在1015mm范围内。标本的嵌装将切屑根部标本镶嵌在低熔点金属、硫磺、硬塑料或环氧树脂中。金相根部嵌装切屑根部标本金属环平板1.1.1 用低熔点、硫磺或环氧树脂嵌装常用嵌装试样的

2、低熔点合金有铋、铅、锡等，不同含量其熔点温度76124之间。低熔点合金存在不足：u腐蚀剂会渗入试样和镶嵌材料间u灌注的合金对试样起电化保护作用而影响显现显微组织的效果用硫磺作为镶嵌材料硫磺避免了低熔点合金的不足，且价廉，与大多数金相化学腐蚀剂不起化学反应，采用较多。存在的主要缺点：金相显微镜观察时，背景与标本的颜色对比度不强，影响拍摄效果。用环氧树脂作为镶嵌材料固化后性能符合要求，镶嵌工艺简单。1.1.2 用硬塑料嵌装嵌装用硬塑料为黑色酚醛树脂(黑电木粉，热固性塑料，在130150左右固化)用硬塑料镶嵌标本装置压头压模标本底座加热板市场销售的标本嵌装机采用在压模外缠绕电热丝加热的方法，且温度可

3、调。(目前最常用的嵌装切屑根部的方法)MC004-ZXQ-2全自动金相试样镶嵌机镶嵌设备1.2 试样表面的制备锉刀或砂轮平整表面砂布磨光(从粗到细)1.2.1 制备过程砂轮平整试样时，不要使试样产生烧伤。砂布磨光时，开始用较粗砂布(100#150#)，然后逐渐改用较细砂布，最终磨制时用200#240#细砂布。细 磨1.2.2 砂布磨光时注意事项磨制标本时，不能过分用力将试样压在磨盘上，以免被磨表面发热过度。当用一种砂布磨光时，试样的位置不应变动。当换用下一号砂布时，应将试样位置转动90，使新的磨痕垂直于前一磨痕，当前一磨痕被磨掉后才更换下一号砂布。在每次更换砂布时均应仔细清洗标本。1.2.3

4、细磨方法黑色金属标本，细磨用粒度为240#280#金刚砂为磨料。细磨方法：将细麻布箍紧在旋转磨盘，试样轻压在磨盘上，工作时磨盘始终保持一定的湿度。钢试样细磨用铬铝研磨膏作为磨光剂。对铝及铝合金试样，平整铝试样表面用锉刀；磨光则在涂有石蜡煤油溶液的140#、180#和240#的砂布上循序进行。成 分 粗 磨中 磨细 磨氧化铬373532氧化铝373532石蜡202430脂肪酸333煤油222碳酸钠111铬铝研磨膏的成分(重量百分比)1.3 试样的抛光黑色金属用氧化铬或氧化铁的细粉末进行抛光。抛光粉与蒸馏水混和。将细呢绒经水泡浸后箍在磨盘上进行抛光。试样轻压于旋转的磨盘上(n=7001000rpm

5、)。1L水加入5g氧化铝，或1015g氧化铬或氧化铁铝试样预抛光终抛光+细呢绒，抛光剂用氧化铝+蒸馏水，混和液湿润细呢绒，磨盘转速约300rpm丝绒，丝绒用水湿润，细氧化镁粉或氧化铝粉涂在丝绒上，磨盘转速约100rpm纯铜试样用氧化铝与蒸馏水的混和液在装有细绕的磨盘上抛光涂有极细的氧化镁粉的丝绕进行终抛光切屑根部在流水中清洗干净无水酒精清洗热风机干燥保存于干燥皿或马上进行金相腐蚀。抛光设备LP-2双盘立式金相试样抛光机1.4 显微组织的显现金相腐蚀腐蚀原理：由于金属内各个晶粒的方向不同、各种组织的物理性能及晶粒边界和晶粒内部的化学成分不同，腐蚀时使金属发生选择性溶解，从而显现出金相组织。选择性

6、溶解很大程度上取决于相邻组织单元的电化学势。在腐蚀剂中起阳极作用的组织首先溶解；直接与晶粒边界或相边界毗连的地方，其合金元素成分不同于金属的平均成分，通常也是并且是较剧烈地溶解，从而显露出金相组织。腐蚀前，仔细清除试样表面的油渍腐蚀时所产生的气泡不能附在试样表面不同材质试样，使用不同的腐蚀剂材 料腐蚀剂成份碳钢、低合金钢、中合金钢、高速钢、铸铁硝酸25mL，无水酒精 9895mL1Cr18Ni9Ti不锈钢硝酸1mL， 盐酸1mL耐热钢硫酸铜4g，盐酸20mL，水20mL纯 铜饱和氨溶液50mL，3%过氧化氢溶液50mL铸钢、黄铜、青铜饱和氨溶液50mL，3%过氧化氢溶液10mL铝氢氧化钠0.5

7、1g，水99.599mL试样腐蚀后即用水冲洗，并用无水酒精清洗且用热风机干燥。若不马上进行观察，应涂上凡士林以防锈。切屑根部金相照片2.变形系数的测定2.1变形系数的定义cchaaachclll厚度变形系数长度变形系数假设，切屑宽度与切削层宽度相等，且切削前后金属体积不变1la2.2 变形系数测定的方法2.2.1 长度法用车床或刨床车削金属，取得一段切屑后，用软金属丝沿切屑底面测出切屑长度lch，并计算出该段切屑相对应的切削长度lc，根据公式计算出变形系数。车削时控制车削长度方法V形槽法60apu V形槽法测量原理：平行于工件轴线铣一角度为60、深度小于切削深度ap的沟槽(一般，槽深为11.5

8、mm)。切削时，切屑是连续的带状，但从切屑上的沟槽即可判别出两相邻沟槽间的切屑长度即为工件一转时所对应的切屑长度。u 矩形槽法测量原理：平行于工件轴线铣出宽度约23mm的矩形槽。为了减小切削时的冲击，用浇注的办法将铅灌注在矩形槽内。切削工件一周时，切屑自动分离，得到切削一圈时所对应的切屑长度。此时，切削长度为工件圆周长减去槽的宽度。23铅矩形槽法u 小孔法测量原理：用钢管进行直角自由切削时(车端面)，在钢管端面平行于工件轴线钻一小孔，在切下的切屑中根据两相邻小孔辨认出切削钢管一周所对应的切屑长度。小孔法2.2.2 厚度法u 百分表法测量原理：将切屑底面放在平台，百分表的量头在切屑顶面进行测量，

9、根据百分表预先在标准块上的校准值以及表针的读数便可测出切屑厚度。由于切屑顶面非常毛糙，实际测量时应测量几处的切屑厚度取平均值，以减小测量误差。百分表测量切屑厚度百分表切屑表座平台u 显微镜测定法相同切削条件下取得若干切屑根部标本，在工具显微镜下测得切屑厚度，取平均值作为该切削条件下的切屑的厚度。u 测厚仪测量法超声波测厚仪：测量范围 0.65260 分辨率 0.01MINITest400超声测厚仪2.2.3 速度法测量原理：切屑经过切削时的塑性变形后，其长度比切削长度缩短了倍，亦即切屑沿前刀面排出的速度比切削速度减小倍，故变形系数亦可用hcvv切削速度切屑沿前刀面流出的速度具体方法：用秒表准确

10、记录第一条切屑在刀刃上断裂后开始切削至第二条切屑断裂的时间t(s)用漆包线或电工保险丝测量在t时间内所切下切屑的长度lch计算切屑平均速度vchtlvchch)/(smmdnvd工件直径(mm)n工件转速(rps)chcldntvv方法简单，切屑长时测量误差较大2.2.4 质量法质量法的假设前提：材料在切削前后密度不变。测量原理：当切削长度为lc时，被切削层材料的质量为，cwclaam式中，m切削层材料的质量(g)，与相应的切屑质量相同；被切材料的(g/mm3) ，在切削前后材料密度不变；ac切削厚度(mm)；aw切削宽度(mm)；l切削长度(mm)。 hcwclaam任取一段切屑，在天平上精

11、确地测出质量m后，再测量出其长度lch。切屑长度的选取：若切屑过短则测量时难以手持；太长则造成测量误差较大。一般选取切屑的长度25100mm比较合适。3.剪切角的测定M M刀具切屑O OA A终滑移线始滑移线=s3.1 直接测量法利用切屑根部磨片在金相显微镜下观察及拍摄3.2 间接测量法通过测力仪测出切削力Fz和径向切削力Fy，求出切屑与前刀面的摩擦角，计算得到剪切角。表达式依据理论最小能量原理(Merchant)滑移线场理论(Lee and Shaffer)最小能量原理结合实验(修正的Merchant)动力学原理224oo4zyoFF1tan)(21oCoooesincostantan)2(

12、1四种计算剪切角比较摩擦系数剪切角NO.1MerchantNO.2Lee and ShafferNO.3修正的MerchantNO.4动力学公式四种公式计算剪切角，相差较大；用金相磨片直接测量剪切角办法最为可靠。附：剪切角的理论公式根据剪切面的切削模型理论，可以建立变形的几何关系，用剪切角即可衡量切屑变形程度的大小；若知道被切削材料的剪切屈服极限s、剪切角与刀具前刀面上的摩擦角及前角o之间的关系，有可能求得理论切削力的大小。建立剪切角的理论公式 ，则对预测切屑变形程度和切削力大小均有十分重要的实际意义。 ),(ofMerchant (麦钱特)的理论公式Merchant理论公式的假设：l切削时形

13、成带状切屑，且不产生屑瘤。l刃口力忽略不计。l当剪切角改变时，摩擦角和剪切面上的剪应力是独立的不变量。l满足最小能量原理。Merchant认为，剪切角应根据最小切削功原理确定，亦即剪切面在切削所需功率为最小的方向。22o切削功率为)cos(sin)cos(oocwzmvaavFP令0/ddPm硬质合金刀具，o=-10+10，干切削，ac=0.0280.2mm,v=60360m/min实验结果计算结果K0式中，0=0时的s； K比例常数。)tan(o)tan(10oK代入Pm公式，令0/ddPmCo2C切削常数。若令K=0，则C=/2与前一方程式结果一致。有些研究者得到的许多实验结果与上式计算的

14、理论值仍不一致。切削常数C的物理意义l遒井和高田根据工藤有关滑移线场理论所进行的研究表明，Merchant剪切角理论公式实际上给出的是实验数据范围的上限。 Merchant切削方程式具有如下特点:l实际的切削数据往往分布在很宽的范围内。lK是从切削实验求得的，有较大的布里奇曼效应。l假设中认为与无关，可是求得的切削方程式表明与之间有函数关系，与假设矛盾，实验结果也证明是随变化的。Lee and Shaffer(李和谢弗)的理论公式Lee and Shaffer认为，Merchant只对单一剪切面处于塑性状态的切削模型进行了讨论，实际上，在剪切面以外的部分变形虽然小，但也处于塑性变形状态中。采用

15、滑移线理论对此进行了分析。Lee and Shaffer的剪切角公式假设条件刚性-完全塑性体Lee and Shaffer的滑移线场切削模型oLee and Shaffer假设，剪切面AC为第二滑移线，是塑性区ABC与刚性区的边界，在此面上剪应力最大值。AB是塑性区与切屑的边界，为主应力面，与AC成45角，并与切削合力F方向平行，其主应力和剪应力均为零。均匀应力场ABC的应力圆2224oMerchant、Lee和Shaffer理论公式与实验结果的比较由理论公式计算与实验结果不一致，试验点位于理论值的上方。Lee和Shaffer认为是由于在高速切削时刀尖处常出现小积屑瘤的缘故，因而提出了前刀面上有积屑瘤的滑移线场切削模