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文档简介
普通高等教育“十一五”国家级规划教材《数控加工技术》吴明友编第四讲(90Min、2节课)2023/9/171
第二章数控加工技术基础(二)
第二节金属切削过程的基本规律及应用(一)
一、切削过程中的变形(20Min)为了研究方便,通常把切削过程的塑性变形划分为三个变形区,如图2-9所示。
1.第一变形区的剪切变形被切削金属层在刀具前面的挤压力作用下,首先产生弹性变形,当最大切应力达到材料的屈服极限时,即沿图2-10中的OA曲线发生剪切滑移。2023/9/1722023/9/173图2-9三个变形区的划分Ⅰ-第一变形区;Ⅱ-第二变形区;Ⅲ-第三变形区2023/9/174
图2-10第一变形区金属的剪切滑移2023/9/175随着刀具前面的逐渐趋近,塑性变形逐渐增大,并伴随有变形强化,直至OM曲线滑移终止,被切削金属层与母体脱离成为切屑沿前面流出。曲线OAMO所包围的区域是剪切滑移区,又称第一变形区,它是金属切削过程中的主要变形区,消耗大部分功率并产生大量的切削热。实际上曲线OA与曲线OM间的宽度很窄,约为0.02~0.2mm,且切削速度越高,宽度越窄。为使问题简化,设想用一个平面OM代替剪切滑移区,平面OM称为剪切平面。剪切平面与切削速度之间的夹角称为剪切角,以φ表示。
2.第二变形区的挤压摩擦和变形
经第一变形区剪切滑移而形成的切屑,在沿前面流出过程中,靠近前面处的金属受到前面的挤压而产生剧烈摩擦,再次产生剪切变形,使切屑底层薄薄的一层金属流动滞缓。这一层滞缓流动的金属层称为滞流层。滞流层的变形程度比切屑上层大几倍到几十倍。
2023/9/1763.第三变形区的变形第三变形区的变形是指工件过渡表面和已加工表面金属层受到切削刃钝圆部分和后面的挤压、摩擦而产生塑性变形的区域,造成表层金属的纤维化和加工硬化,并产生一定的残余应力。第三变形区的金属变形,将影响到工件的表面质量和使用性能。以上分别讨论了三个变形区各自的特征。但必须指出,三个变形区是互相联系而又互相影响的。金属切削过程中的许多物理现象都和三个变形区的变形密切相关。研究切削过程中的变形,是掌握金属切削加工技术的基础。2023/9/177二、积屑瘤与鳞刺(10Min)
1.积屑瘤⑴积屑瘤及其特征。切削塑性金属材料时,常在切削刃口附近黏结一硬度很高(通常为工件材料硬度的2~3.5倍)的楔状金属块,它包围着切削刃且覆盖部分前面,这种楔状金属块称为积屑瘤,如图2-11所示。⑵积屑瘤的成因及其抑制措施。影响积屑瘤的因素很多,主要有工件材料、切削速度、切削液、刀具表面质量和前角以及刀具材料等切削条件。1)切削速度。实验研究表明,切削速度是通过切削温度对前刀面的最大摩擦系数和工件材料性质的影响而影响积屑瘤的,控制切削速度使切削温度控制在300℃以下或500℃以上,就可以减少积屑瘤的生成,所以具体加工中采用低速或高速切削是抑制积屑瘤的基本措施。2023/9/1782)进给量。进给量增大,则切削厚度增大,刀、屑的接触长度越长,从而形成积屑瘤的生成基础。若适当降低进给量,则可削弱积屑瘤的生成基础。3)前角。若增大刀具前角,切屑变形减小,则切削力减小,从而使前刀面上的摩擦减小,减小了积屑瘤的生成基础。实践证明,前角增大到35°时,一般不产生积屑瘤。4)切削液。采用润滑性能良好的切削液可以减少或消除积屑瘤的产生。2023/9/1792023/9/1710图2-11积屑瘤2.鳞刺鳞刺是已加工表面上出现的鳞片状反刺,如图2-12(a)所示。它是一较低的速度切削塑性金属时(如拉削、插齿、滚齿、螺纹切削等)常出现的一种现象,使已加工表面质量恶化,表面粗糙度值增大2~4级。鳞刺生成的原因是由于部分金属材料的黏结层积,而导致即将切离的切屑根部发生断裂,在已加工表面层留下金属被撕裂的痕迹[见图2-12(b)]。与积屑瘤相比,鳞刺产生的频率较高。避免产生鳞刺的措施与积屑瘤类似。2023/9/17112023/9/1712图2-12鳞刺现象三、影响切削变形的因素(10Min)
⑴工件材料。实验结果表明,工件材料强度和硬度越高,变形系数越小;而塑性大的金属材料变形大,塑性小的金属材料变形小。⑵刀具前角。前角越大,变形系数越小。这是因为增大前角可使剪切角增大,从而使切削变形减小。2023/9/1713⑶切削速度。切削速度vc与切削变形系数ξ的实验曲线如图2-13所示,中低速切削30钢时,首先切削变形系数ξ随切削速度的增加而减小,它对应于积屑瘤的成长阶段,由于实际前角的增大而使ξ减小。而后随着速度的提高,ξ又逐渐增大,它对应于积屑瘤减小和消失的阶段。最后在高速范围内,ξ又随着切削速度的继续增高而减小。这是因为切削温度随vc的增大而升高,使切削底层金属被软化,剪切强度下降,降低了刀和屑之间的摩擦系数,从而使变形系数减小。此外,当切削速度vc很高时,切削层有可能未充分滑移变形就成为切屑流出,这也是变形系数减小的原因之一。⑷切削厚度。由图2-13可知,当进给量增加(切削厚度增加)时,切削变形系数减小。2023/9/17142023/9/1715图2-13切削速度及进给量对变形系数的影响工件材料:30钢;背吃刀量:ap
=4mm四、切削力(15Min)
1.切削力的来源及分解切削力来源于三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力,以及切屑、工件与刀具间的摩擦力。如图2-14所示,作用在前刀面上的弹、塑性变形抗力Fnγ和摩擦力Ffγ;作用在后刀面上的弹、塑性变形抗力Fnα和摩擦力Ffα。它们的合力Fr,作用在前刀面上近切削刃处,其反作用力
,作用在工件上。为便于分析切削力的作用和测量,通常将切削力分解成如图2-15所示的三个互相垂直的分力。2023/9/17162023/9/1717图2-14作用在刀具上的力2023/9/1718图2-15外圆车削时切削合力与分力⑴主切削
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