金属切削过程

1、制造工程基础第二章 金属切削过程1金属切削的变形过程1）切削过程的本质金属的切削过程实质上是工件材料的切削层在刀具的刀刃和前刀面作用下受到挤压，沿剪切面产生剪切滑移变形，而转变为切屑，同时形成已加工表面的过程。剪切滑移变形挤压刀刃、前刀面工件切削层切屑已加工表面切削过程中产生的切削力，切削热直接影响着刀具的磨损和已加工表面质量，所以只有深入研究切削过程才能从根本上理解切削变形机理、切屑和加工表面的形成，了解切削力、切削温度的变化规律，及其对刀具磨损和加工质量的影响；有助于理解加工过程的优化措施，达到提高加工效率，降低成本，提高产品质量。2）切削中的三个变形区在图2-7中，工件上划出一些正交网格

2、，假设刀具不动，工件从左向右运动，到达AO线后开始发生变形，方格扭曲，切削层金属大部沿前刀面向上运动成为切屑，通过OM线后变形大部分完成。在沿前刀面继续运动中，接触前刀面的一部分与前刀面剧烈摩擦，继续变形，切削层下边缘金属由刀刃O点下方流过，成为新切出的工件表层。一般称AOM区为第一变形区，切屑底部与前刀面摩擦而继续变形的区域称为第二变形区，从刀刃下面流过留在工件表面的变形区称为第三变形区。第一变形区实际宽度只有0.020.2mm，可用一平面近似代替，称为剪切面(图2-8)，其与切削速度夹角称剪切角f。3）第一变形区变形程度的表示（1）变形系数（p37）这一参数是利用切削层变形前后形状的差异来

3、表示变形程度，切削层受到挤压成为切屑后变得又厚又短，变形前后厚度比值称为厚度变形系数： （21）hD为切削厚度（图1-28）hch为切屑厚度（图2-8）变形前后的长度比值为长度变形系数： （22）lc为切削层长度（沿切削速度方向）lch切屑长度而切削宽度bD基本不变，同时因为体积不可压缩，所以： （23）（2）剪应变（相对滑移）e（p37）二平行表面间的剪应变等于滑移前后的位移量与二平行表面距离之比。 （25）（3）剪切角f由图2-8可见，剪切角变小，切屑变厚，变形系数增大。所以剪切角可以直观判断切屑变形程度。2 前刀面的摩擦与变形本节主要讲第二变形区的变形，这一区域内的塑性变形程度大于第一变

4、形区，第二变形区变形=第一变形区变形+前刀面摩擦产生变形。1）前刀面的摩擦（1）外摩擦物体之间的摩擦一般是外摩擦。两摩擦表面之间是峰点接触（图2-21）：即物体表面只是微观凸峰接触，实际接触面积Ar远小于名义接触面积Aa。峰点处的变形正应力总和与压力平衡： （2-12）峰点处的变形剪应力ts总和等于摩擦力Fg：对于给定材料，ts、ss是常数，摩擦系数m为常数，即符合古典摩擦定律。（2）内摩擦由式2-12见，ArFgn，当Fgn持续增大直到Ar =Aa时，接触表面由峰点接触变为紧密型接触（图2-22），由于接触面积不再增大，ts等于材料屈服极限，基本不变，所以正压力增大时摩擦力不再增大，即正压力

5、增大时摩擦系数减小（2-15），古典摩擦定律不再适用。存在内摩擦现象是前刀面摩擦第一大特点。（3）前刀面内、外摩擦分布接近切削刃的部位为内摩擦区，又称为粘结区；远离切削刃部分为外摩擦区，又称为滑动区。内摩擦区：摩擦应力材料剪切屈服极限常数；外摩擦区：摩擦系数常数（图2-23）。整个刀屑接触区分为粘结区和滑动区前刀面摩擦第二大特点。（4）内、外摩擦的物理实质前刀面工况： 刀屑压力大于工件材料屈服应力 温度（数百、上千）金属软化，原子活性 切屑底层是无氧化，油污的干净表面，有利于焊合。在上述工作状况下切屑底层同前刀面要发生焊合，称冷焊，此时切屑还要继续流动，于是就产生了切屑金属层之间的相对滑移，而

6、刀屑界面上无相对运动，这就是“内摩擦”一词的来历，也是内摩擦运动的实质。切屑沿前面流出粘结区范围后，正压力减小，刀屑界面上成为峰点接触，周围介质（冷却液、空气）活性元素渗入使界面上迅速生成润滑膜，切屑底层同前刀面间发生滑动，刀屑之间成为外摩擦。2）滞流层和积屑瘤（1）滞流层冷焊在前刀面的切屑层又称为滞流层。滞流层与切屑本体没有明显的界线，切屑材料沿前刀面的流动在整个切屑厚度方向上形成非线性速度梯度，越接近前刀面，速度越低，刀屑界面上速度为零(举例：河水)。产生运动速度梯度的实质是切屑材料发生平行于前刀面的剪切流动变形，这是第二变形区塑性变形的特点之一。滞流层特征：晶粒严重纤维化，材料各向异性，

7、剪应变极大（至数百）。（2）积屑瘤a) 形成机理、条件机理：在一定的条件下滞流层逐渐堆积，一层层叠起来就会在前刀面上堆起一个瘤状物（图2-24），称为积屑瘤(built-up-edge BUE)。条件：中等切削速度下（图2-25），前刀面摩擦最大前刀面摩擦的第三大特点。刀具前角小加工塑性合金材料 (加工纯金属不形成BUE)b) 对切削过程的影响实际前角增大（图2-26）；切削厚度增大（图2-26）；表面粗糙度及表面精度变差：其高度不稳定，经常处于脱落一层积的过程中，所以使已加工表面凸凹不平，脱落后留在已加工表面上，形成鳞刺。对刀具磨损的影响： 代替刀刃切削，减轻磨损； 全部脱落时，粘掉刀具材料

8、，加剧磨损； 脱落后工件表面的碎片很硬，加剧磨损。3 加工表面形成与加工表面质量（包含第五章内容）1）加工表面的形成(1) 加工表面形成过程一般为了简化问题，假设： 刀刃绝对锋利 后刀面与工件表面相离(图2-3，2-4，2-8，2-9等)， 切削层hD全部被切去变为切屑实际上从微观上看， 刀刃总有一个钝圆，其半径为rn， 刀具的锋利状态维持很短时间，后刀面很快形成磨损带VB， 切削中，切削层hD不是全部沿前刀面流出变为切屑，有最下面Da厚的一层，是从O点下方经过，留在加工表面。这样后刀面同工件表面不可能完全分离。Da厚的一层受到ob段挤压bc段摩擦cd段弹性恢复。由于压力很大，产生了塑性变形，

9、所以压下层不可能完全恢复，必然Da Dh。(2) 加工表面特点在加工表面形成过程中，第三变形区内工件材料受到挤压和摩擦，同前刀面上相似，所以晶粒也产生纤维化，纤维化方向与切削速度平行，越接近表面，变形和纤维化越严重，使表层材质发生变化。已加工表面要留下刀尖切削痕迹，留下一些积屑瘤碎片（图5-7，p247），在某些加工条件下，已加工表面会出现鳞刺：鳞片状毛刺。其形成条件与BUE的形成条件相似：中等切削速度下、小前角、加工塑性材料。2）加工表面质量加工后表层材质发生变化，表面的微观不平整也影响表面质量，所以影响表面质量的因素有：（1）加工表面粗糙度表面粗糙度是表面微观不平整的程度，最常用的指标是R

10、a：表面轮廓的算术平均偏差(绝对值的积分中值)。影响粗糙度的因素主要有： 加工残留面积进给运动所留的痕迹(图5-5，p247) 加工残留面积与刀具的主偏角、副偏角、刀尖及过渡刃形式、尺寸，进给量有关，是根据上述参数可以算出的粗糙度，称为理论粗糙度。尖刀圆弧刃实际粗糙度一般大于理论粗糙度（图5-6，p247），这是由于积屑瘤、鳞刺、塑性变形（图5-10，p249）、刀刃磨损、加工颤振等原因。因此影响粗糙度的因素还有： 切削速度：中等切削速度下容易产生积屑瘤、鳞刺； 工件材质：塑性、韧性高，易于产生积屑瘤、鳞刺，产生侧向流动； 刀具前角：小前角、负前角容易产生积屑瘤、鳞刺； 刀具材料：刀具-工件摩

11、擦系数影响积屑瘤、鳞刺的产生； 切削液：切削液润滑性能影响积屑瘤、鳞刺的产生。（2）加工硬化塑性金属经塑性变形后屈服极限提高的现象称为加工硬化。（举例：折断铁丝）由于第三变形区经历了剧烈的塑性变形，故已加工表面产生加工硬化。由于加工硬化由塑性变形引起，所以凡是影响切削变形的因素都会影响加工硬化，例如rn硬化。此外，工件材料的“强度极限”/“屈服极限”，强化程度，例如不锈钢、高锰钢。（画拉伸曲线）（3）残余应力物体在无外力作用时，其内部为保持平衡而存留的应力称为残余应力。在刀具切过工件表面时，表层塑变，里层弹变，经过刀具熨压后（o-b-c-d），里层弹性变形要恢复，而表层的塑变不能恢复，约束了里层弹性恢复，产生残余应力。工件表面为残余拉应力时影响工件的疲劳强度。（4）加工振动 对加工效果的影响：影响表面质量，粗糙度、波纹