第三节金属切削过程物理现象

第三节金属切削过程物理现象教学目标：要求学生把握金属切削过程的根本规律、切削过程中影响加工质量的因素，了解提高加工质量的途径教学重点：切削过程的根本规律、切削力、切削热、刀具的磨损、刀具的使用寿命教学难点：切削过程的根本规律、积屑瘤争论金属切削过程意义在金属切削过程中，工件材料在刀具的作用下发生弹、塑变形，从而产生：产生切削变形形成切屑。存在卷屑与断屑等问题。产生切削力。存在工艺系统变形等问题。产生切削热并使切削区域温度上升，存在加工精度和外表质量等问题刀具的磨损及其他现象。争论金属切削过程的目的：把握金属切削过程的根本规律，〔1〕工效率，降低生产本钱和劳动强度〔2〕查找切削加工中存在的问题及解决途径2切屑形成过程概述：金属切削过程的实质：金属材料在刀具的挤压下产生剪切滑移变形金属切削过程理论的建立根底：试验：侧面方格变形观看法用快速落刀法获得切屑根部。通过对这两个试验的观看和分析，切削过程中的切削变形大致可分为三个区域：1、第一变形区2、其次变形区3、第三变形区〔插图〕第一变形区：部位：从OA面到OM的AOM区域。 OA：始滑移面； OM：终滑移面注:OA面、OM面实际上是很多等应力曲面中的两个。变形过程：OA面的前方晶粒首先发生弹性变形，在OAOA方向开头发生剪切滑移，OM面处晶粒的剪切滑移根本完成。故这局部区域也称为剪切滑移变形区。注:OAOM之间的距离很小(0.02～0.2mm)OM表示。剪切面与切削速度Vc方向之间的夹角称剪切角，用φ来表示。特点：第一变形区的变形量最大，占总变形量的85%以上，故也称为根本变形区。其次变形区：部位：切屑与刀具前刀面接触的极薄一层金属内。缘由：第一变形区产生的切屑存在弹性变形，在排出时切屑给刀具的前刀面产生一个正压力，且切削时存在高温，在刀/屑界面之间存在猛烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属纤维化，其方向根本上和前刀面相平行。依据变形的特征，这局部也叫做前刀面挤压、摩擦变形区*、其次变形区的大小，对第一变形区有影响用其次变形区大剪切角φ小,切削变形大4.第三变形区：部位：已加工外表上极薄的一层金属层缘由:刀刃有钝圆有一点o：o点上面的金属，进入第一变形区形成切屑；o点下面的金属，被刀刃压入工件外表基体形成已加工外表。该层金属与刀具后刀面接触、产生弹性、塑性变形。塑性变形使晶粒纤维化。第三变形区也常称为后刀面的挤压、回弹，摩擦变形区当后角α

小，刀刃钝时，晶粒纤维有时会拉断，产生微观裂纹。o∴第三变形区对已加工外表质量有直接影响归纳第一变形区内:剪切滑移变形其次变形区内:挤压与摩擦变形第三变形区内:挤压与摩擦变形3切屑的种类工件材料不同,切削条件不同,切削过程中的变形程度也就不同,产生的切屑也不同。带状切屑(带状切屑)：特征:内外表是光滑的,外外表是毛茸呈带状;形成条件:塑性材料,切削厚度较小,切削速度较高,刀具前角较大时,简洁得到这类切屑。对切削过程的影响:切削过程比较平稳;塑性变形均匀; 切削力波动小;已加工外表粗糙度较小。缺点：切屑不易处理节状切屑(挤裂切屑)：特征:切屑外外表呈锯齿形,内外表有裂纹形成条件:比形成带状切屑的切削速度略低、切削厚度较大,工件材料塑性较差的状况下产生。粒状切屑(单元切屑)：特征:梯外形粒状切屑当切屑形成时,假设整个剪切面上剪应力超过了材料的裂开强度,则整个单元被切离,成为梯外形粒状切屑形成条件:切削速度更低、切削厚度更大,工件材料塑性更差的状况下产生。崩碎切屑：特征:不规章的碎块状切屑,同时使工件加工外表凹凸不平形成条件:切削脆性金属,切削脆性金属时,,刀具切入后,切屑层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就在张应力状态下脆断,形成不规章的碎块状切屑,工件加工外表由凹凸不平的小坑组成。归纳起来,可分为以下四种类型带状切屑、节粒状切屑(单元切屑/挤裂切屑)粒状切屑(单元切屑)崩碎切屑。切屑的掌握磨制断屑槽 2.适当调整条件切削 3.热处理 4.转变工件材料的成份4变形系数和相对滑移一、变形系数切屑变形的测量切屑厚度hΛchΛ

通常都大于工件上切削层的厚度hΛDΛ

而切屑长度lch

却小于切削层长度(l)。D=lD/lchl

=hch/hDa工件上切削层变成切屑后宽度的变化很小,依据体积不变原理,明显ΛΛΛ= =ΛΛΛa l变形系数Λ11、变形系数Λ直观地反映了切屑变形程度2、变形系数Λ比较简洁测量:l是与切屑长度lc

对应的切削层长度;l 可用保险丝量出。chΛ值越大,表示切屑越厚，长度越短,标志着切屑变形越大。这个方法很简便,但也很粗略。表示切削变形有其局限性二、相对滑移切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，故用“相对滑移“衡量变形程度,是比较合理的。6积屑瘤现象及对切削过程的影响一、积屑瘤现象塑性材料，Vc不高，能形成带状切屑，工件材料有时会层积在刀具前刀面上，形成硬度高的楔块(2~3倍)，代替刀具进展切削这种硬度很高的楔块叫积屑瘤二、积屑瘤对切削过程的影响1增大已加工外表粗糙度,精度降低(不稳定,伸出量不均匀)增大前角 3.增大切削厚度 4.保护刀具加工种类不同,积屑瘤的利弊也不同粗加工:加工外表质量的要求不高,积屑瘤对粗加工是有利的。实际切削前角变大,切削力减小,能耗降低; 可加大切削用量,使劳动生产率得以提高;积屑瘤还能保护刀具,削减磨损。精加工:精加工要求较高的尺寸精度和较小的外表粗糙度,积屑瘤降低尺寸精度和增大已加工外表粗糙度。所以,积屑瘤对精加工是不利的。三、积屑瘤的缘由刀屑之间的冷焊切屑层的冷作硬化和强化影响积屑瘤的主要因素：工件材料的加工性能、切削速度、刀具前角和冷却润滑条件等。*工件材料：塑性影响最大，塑性↑，切屑变形↑，刀屑间的摩擦↑，其次变形区的长度↑，越易产生积屑瘤。加工硬度↓塑性↑的工件：用正火调质冷拨→强度、硬度↑，塑性↓→积屑瘤↓工件材料肯定时，切削速度是影响积屑瘤生成的主要因素。在VC很低或很高的切削条件下:不会或产生很小的积屑瘤在某一速度范围内(一般钢料约为Vc=5～50m／min)最简洁产生积屑瘤。VC很低时：温度不高，刀屑间不易产生粘结，故不易产生积屑瘤；当VC很高时：切削温度高，切屑底层金属变软，滞流层易被切屑带走，积屑瘤随之消逝。故在精加工时，宜用低速或高速切削刀具前角：适当增大前角，切屑变形、切削力、切削温度↓→抑制积屑瘤的产生。切削液、减小刀具外表的粗糙度、切削层厚度：有助于抑制积屑瘤的产生。四、防止积屑瘤的主要方法是：降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生承受高速切削，使切削温度高于积屑瘤消逝的相应温度；承受润滑性能好的切削液，减小磨擦；增加刀具前角，以减小切屑与前刀的面接触区的压力；适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向〔5〕适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向响切屑变形的主要因素工件材料:工件材料的强度σｂ↓,塑性δ↑,切屑变形就↑。σｂ↓,σｓ↓，在较小的应力作用下就会产生塑性变形。δ↑的材料，连续进展塑性变形的力量强，在破坏之前的塑变大，因此切屑变形也就越大。刀具前角前角越大，倒刃钝圆半径越小，刀刃越锐利，切屑变形也就相应减小切削速度切削速度对切屑变形的影响在有积屑瘤生成的切削速度范围内(图中为Vc<55m／min)，Vc通过积屑瘤来影响切屑变形。Vc增加使积屑瘤增大时(Vc8～22m／min间)，刀具实际工作前角增大，切屑变形减小Vc再增加积屑瘤减小时(Vc22～55m／min间刀具实际工作前角减小，切屑变形增大在无积屑瘤的切削速度区域，切屑变形程度只与切削速度有关。Vc增大时，切屑通过变形区的时间极短，来不及充分地剪切滑移即被排解切削区外，故切屑变形随切削速度的增加而减小(4)进给量如前所述，切屑底层的金属，经过第一、其次变形区的两次塑性变形，其变形程度比切屑上层要猛烈得多。进给量越大，切屑层公称厚度也越大，其次变形区的影响相对小一些。所以，进给量越大，切屑平均变形程度λh越小，二、切削力来源:工件材料塑性变形时的变形抗力、刀具前、后面上的内摩擦阻力。这些力是分布力,经过合成得总切削力F。总切削力的作用:用来计算切削功率、设计和选用机床、夹具、刀具。总切削力的分解和切削功率总切削力的分解为了应用和测量的便利，将F分解成与主运动和进给运动方向相全都，形成三个分力。切削力Fc：在主运动方向上的分力。耗功大的力，也称为主切削力或切向力是计算工艺装备的强度、刚度以及校验机床功率的原始数据之一。背向力Fp：垂直于工轴线的分力。也称为径向力使工件变形、产生振动，对加工精度、加工外表质量影响较大。Fp是计算工艺系统刚度及变形量的原始数据之一。进给力Ff：与工件轴线平行的分力，也称为轴向力Fr是计算刀具、机床和夹具的强度、刚度以及校验机床进给功率的原始数据之一FFcFDFDFpFf，如不考虑副切削刃的切削作用以及其它造成流屑方向转变的因素的影响，总切削F就在刀具的正交平面内，故有 一般Fc最大，FpFf小一些。随着刀具几何参数、刃磨质量、磨损状况和切削用量的不同，FpFfFc的比值在很大的范围内变化。Fp=(0．15～O．7)FcFf=(0．10～0．6)Fc切削功率:三变形区内的摩擦功的总和切削功率是各切削分力所作功的总和外圆车削中:Fc与切削速度VC方向同 Fp方向的速度为零，即Fp不作功Ff与进给速度vf由于Ff小于Fc,Vf又比VCFf所作的功仅占所以切削功率Pc(kW)常仅依据FcVC来计算，3．影响切削力的因素但凡影响切削变形抗力和摩擦阻力的因素，都会影响总切削力3参数工件材料：1、

b s c2、工件塑性↑、韧性↑→摩擦↑→Fc↑3、脆性材料→没有塑变→Fc↓(二)切削用量：1、asp:asp↑→bD↑→切削层面积↑→Fc1：1比例上升2、f:f↑→hD↑→切削面积↑→Fc↑ 综合f↑→Fc↑f↑→hd↑→Λ↓→Fc↓ 但不成比例Vc只对塑性材料有影响，对脆性材料没有影响，由于脆材没有什么塑变。vc：争论时分段进展。①低速：vc5-20m/min〕 vc↑→积屑瘤↑→Hb↑→φ↑→Λ↓→Fc↓②中速：v(20-35m/min) vc↑→积屑瘤↓→Hb↓→φ↓→Λ↑→Fc↑③高速：vc>35m/min vc↑→θ℃↑→τs↓→u↓→Λ↓→Fc↓㈢刀具几何角度1、前角γγ

o↑→μ↑→ΛFc↑ 综合γo

↑→Fc↓o刃倾角对切削力的影响：刃倾角λｓ在－40～+40度的范围内变化时，对Fc没有太大的影响，λs增大，背前角γp(即背向力Fp方向的前角)增大，故Fｐ减小；λs增大，侧前角γf(即进给力Ff方向的前角)减小，因此Ff增大。刀尖圆弧半径对切削力的影响：刀尖圆弧半径rε增大,刀尖圆弧工作刃增长，由于圆弧刃各点切屑流向不同，加剧了切屑变形，使得变形抗力增大，故Fc略有增大刀尖圆弧半径rε增大,平均主偏角κγ愈小，因此，rε故使Fη增大，Ff减小。(4)其它因素对切削力产生影响切削液，可降低刀具与切屑和工件外表间的摩擦，因而可降低切削力；当刀具磨损后，在刀具后面会形成后角为零度、宽度为VB的不规章的小棱面，使作用在其上的法向力和摩擦力随之增大，故使切削力增大。不同刀具材料与工件材料间的摩擦因数不同，因而对切削力有肯定影响，二、切削温度在切削区域内，假设切削热不准时传导出去，会使切削区域内的温度上升切削温度分布是不均匀的，依据测量并经过温度场理论的计算，温度最高是在近切削刃处的前刀面上，该点也是压力中心。切削温度由于测量关系→指平均温度，用θ表示。㈠测量和温度分布：1、测定方法：自然电偶法：测量切削区域的平均温度热电偶：当两种导焊接在一起时，并且一端温度高，一端温度低，在形成的回路中，就有温差电势存在，并且与温度差成正比。通过温度标定，就可测量切削温度。人工热电偶法：测量切削区的某点点温。一般在刀具上的被测点作一小孔〔Φ<0.5mm〕孔上焊上标准热电偶→热端，另一端放一处于室稳或其他温度介质的，依据高伏表，可直接读出温度值。依据人工热电偶法测得的温度，然后用传热学的原理经推算→刀具等温线。三、影响切削温度的因素：有好几个，如变形程度，刀具、工件材料的导热系数，冷却介质，几何参数，切削用量等。㈠ 切削用量的影响。 f:fA1、vc:vc↑→Fc*vc↑→消耗功↑→θ℃↑ v↑→刀、屑接触l↓温度集中，散发↓→θ℃↑ fh

FcFcFc*D从试验公式可看出 D

0.26~0.41

〔刀具为硬质合金〕 c② c (ps

c) c

a0.05

f接触长度f

c试验公式：

sp ③ a :a Asp sp D

Z cwa b csp D综合：a cp试验公式：

c aaspsp

0.05把上面三式综合，在用硬质合金加工中c钢的条件

0.26~0.4f0.15ac

0.05c出，对温度影响最显著的是vc，其次是f，最小是asp.由于 对加工质量，刀具磨损影响最大，从掌握温度的角度动身，为了提高生产率，应首先考虑：选大的ap，然后是大的f，在条件允许的状况下选大的v。1、前角

: co 散热体积 coo综合：① 当2、主偏角Kr：

15时，oo15时，ooo o

c c有上升的趋势。 b h D

散热长度cc综合：

c

c 条件下： cT，对切削加工有利。此外：刀尖圆弧半径↑→切削区塑变↑→刀尖局部温度↑对总体温度影响不大〔散热↑〕㈢刀具磨损：刀具磨损↑→c↑㈣工件材料1、σ、HBS F

Fv

θc2、 b

c c cHBS接近，3、

F θcc4、导热性 散热快 θc脆性材料 塑变 θc三刀具磨损的形态刀具失效的形式分为正常磨损和破损两类。在这里，主要争论正常磨损在切削过程中,前刀面、后刀面常常与切屑、工件接, 在接触区里发生着猛烈的摩擦,在这接触区里有很高的温度和压力。前刀面磨损(月牙洼磨损)在切削速度较高、切削厚度较大的状况下加工塑性金, 当刀具的耐热性和耐磨性稍有缺乏时,切屑在前刀面上常常会出一个月牙洼。深度：KT 宽度：KB刀刃与压力中心的距离：KM后刀面磨损由于加工外表和刀具后刀面间存在着猛烈的摩擦, 在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面,这种磨损形式叫做后刀面磨损存在三个区：刀尖磨损区：VC 中间磨损区:VB 边界磨损区:VN边界磨损刀具的破损一、刀具破损的主要型式工具钢、高速钢刀具:塑性破损硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石刀具:脆性破损刀具磨损的缘由切削过程中刀具磨损特点:刀具与切屑、工件的接触外表常常是颖外表。接触压力格外大,有时超过被切材料的屈服强度。温度很高,对于硬质合金钢刀具达800-1000°C, 对于高速钢刀具达300-600°C。刀具磨损常常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果。一、擦伤(磨料)磨损二、粘结(冷焊)磨损 三、集中磨损 四、氧化磨损3、刀具磨损过程及磨钝标准一、刀具磨损过程 1.初期磨损阶段 2.正常磨损阶段 3.猛烈磨损阶段二、刀具的磨钝标准磨钝标准用后刀面磨损带中间局部允许的最大平均磨损量来表示，这个允许的最大值用VB表示。刀具磨损值到达了规定的标准就要重磨刀具或更换刀片，而不能连续使用。NB为刀具的磨钝标准。磨钝标准的具体数值可从切削用量手册中查得。刀具使用寿命(刀具耐用度)1、刀具使用寿命的定义:两次刃磨间的切削时间刀具总寿命:从第一次投入使用直至完全报废时所经受的实际切削时间2、切削用量对刀具使用寿命的影响(1).切削速度与刀具使用寿命的关系VCT1/=CO(2).进给量、切削深度与刀具使用寿命的关系有与上类似的关系刀具寿命T与切削用量的一般关系可用下式表示CT：刀具寿命系数,与刀具、工件材料和切削条件有关x、y、z：指数，分别表示切削用量要素对刀具寿命的影响程度(一般x＞y＞z)；X=5；Y=2。25 Z=0。75从上式可看出，切削速度对刀具寿命的影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。具磨损和刀具寿命的。第三节选择合理的切削条件一、工件材料的切削加工性即评价工件材料在进展切削加工时的难易程度，工件材料的切削加工性是一个相对的概念。例如：粗加工，要求刀具的磨损慢、生产率高；精加工时，要求能获得高的加工精度和较小的外表粗糙度。加工性质不同切削加工难易的含义不同一般机床与自动化机床，单件小批与成批大量生产，单刀切削与多刀切削切削加工性的衡量标志不同。不锈钢在一般车床上加工并不难，但在自动化生产线上，断屑困难，属难加工之列。因此，评价工件材料的可切削加工性只能是一个相对指标。一、评定的指标1、刀具耐用度：加工一般钢材，以刀具耐用度来评定T=60min时允许的切削速度v6o来衡量。在实际生产中，一般用相对加工性Kv来衡量工件材料的可切削加工性。通常以45钢的V0刀具寿命为60min时所允许的切削速度〕(V60)。被衡量的工件材料用V60表示，其比值即为相对加工性Kv，即Kr=V60/(υ60)j当Kr＞145钢简洁切削，例如有色金属Kv＞3；当Kr＜145钢难切削，例如钛合金Kv≤0.5，均属难加工材料。2、以加工外表质量为指标〔R、加工硬化、剩余应力〔用于精加工在一样条件下，加工后外表质量上升，说明加工性能好。难加工材料的切削加工性及改善措施加工高强度、超高强度这类材料时：4520％～3％，切削温度高，刀具磨损快，刀具寿命低，改善措施：提高工艺系统须的刚性，减小振动。如刀具的悬伸量应尽量小；选用强度大，耐热，耐磨的刀具材料；应增加切削刃、刀尖强度，防止崩刃。前角应选小值或负值，刀刃的粗糙度应小，刀尖圆弧半径应在0.8mm以上；粗加工一般应在退火或正火状态下进展；适当降低切削速度。加工硬度、强度低、高塑性导热好材料时材料导热系数↑：T长，加工性↑。材料δ↑：切削变形大，刀屑接触长，易粘结冷焊，切削力也很大，材料δ↑：易生成积屑瘤，断屑困难，加工外表质量难提高，加工性差。可实行以下改善措施：1〕选用能磨出锐利切削刃的刀具材料，使刀刃锐利，减小切削变形；2〕承受较高的切削速度和较大进给量、背吃刀量。三、刀具几何参数的合理选择要提高刀具的切削加工性能，应正确选择刀具材料和刀具几何参数。刀具几何参数影响切削变形、切削力、切削温度和刀具磨损、生产率、加工外表质量和加工本钱刀具合理几何参数：在保证质量的前提下，能获得高的T,切削效率，低本钱的几何参数。合理几何参数决由刀具材料、类型、工艺条件〔切削用量、工艺系统刚性、机床功率等〕前角的选择(1)前角的功用：γo↑可以使Λ↓→F↓和切削功率↓→Q↓θ ↓→T↑γo↑可抑制积屑瘤，改善已加工外表质量.但γo↑会使楔角β↓,使切削刃强度降低，易造成崩刃；且使散热效应↓，使θ↓。因此，前角过大，T会下降。前角太大或太小，T低。在肯定条件下，存在T最大值的前角γopt，称γopt合理前角。(2)合理前角的选择:刀具合理前角由工件、刀具材料打算。加工塑性材料时，Λ↑，刀屑间的压力和摩擦力↑。此时宜用大的前角；加工脆性材料时→崩碎切屑，切削力在切削刃四周，宜用较小前角→削减崩刃工件材料强度或硬度较小时，宜用大前角,使刀刃锐利；当材料硬度或强度较高时，F↑,θ↑宜用小前角增加刀刃和加快散热。当材料的强度或硬度特别大时，甚至可承受负前角高速钢刀具γopt比硬质合金刀具选得大些，粗加工时，切削力及其冲击都较大，为使刀刃有足够强度，宜用小前角；精加工，用大前角。后角及副后角的选择(1)后角的功用:αoαo’↑,后面与过渡外表间的摩擦↓,刀具磨损↓,T↑;αo↑，刀刃钝圆半径↓使刀刃更锐利，加工外表质量↑。但αo过大，刀具的楔角会太小，刃区强度降低，散热效果减小，刀具磨损加快，反而会使刀具寿命降低。因此，在肯定的条件下，同样存在一个刀具寿命为较高的合理后角。合理后角的选择合理后角主要取决于切削层厚度hD或进给量f大小。具体留意以下几点：切削层厚度很小时，主要是后刀面磨损，宜用锐利及较大后角刀具；当切削层厚度很大时，后角宜小，增加切削刃及改善散热条件。工件材料强度或硬度↓:用较小后角加强切削刃；工件塑性较大时，取较大后角．可减轻刀具后面的摩擦。工艺系统刚性差:简洁消灭振动时，尺寸精度↑的刀具:α↓，重磨次数↑定尺寸刀具的第一后角常取为0。形成一条与切削刃等距的棱边，这样，可使刀具切削刃具有较多的磨损储藏体积，延长刀具使用时间车刀、刨刀及端铣刀的副后角αo’通常等于后角a条件限制，只能取得很小，一般α’=O.5～2。应适当减小后角。主偏角的选择主偏角的功用Kr↓，在asp不变时，切削刃工作长度↑，刀尖角↑,刀刃单位长度的负荷↓,散热效果好；Kr↓使工件外表残留面积高度减小，RaKrFp↑,在工艺系统刚性缺乏时,易引起振动。主偏角的合理选择:当