金属切削过程课件

金属切削过程主要内容切削过程中的变形切屑种类切屑变形的度量前刀面的摩擦已加工表面的形成过程及表面质量切屑变形规律三维切削和二维切削§2-1金属切削过程中的变形变形区的划分切屑的形成过程

一.切断作用与切削作用

1.切断作用楔角大，刀具强度高楔角较大情况工件塑性变形较大工件尺寸精度很低工件表面十分粗糙工件表面加工硬化严重2.切断向切削过渡工件塑性变形减小工件尺寸精度低工件表面粗糙工件表面加工硬化严重3.切削加工形成后角；后刀面所对的工件塑性变形大大减小；工件尺寸精度高；工件表面平整；二.变形区的划分刀具后刀面摩擦区变形区第一变形区第三变形区第二变形区1.第一变形区(剪切区)OA线：始滑移面OM线：终滑移面发生变形的主要区域随着切削速度的增加而变薄，一般厚度0.02-0.2mm，用平面OM表示2.第二变形区(前刀面摩擦区)切屑流出时收到前刀面的摩擦切屑再次产生剪切变形，晶粒伸长，并且纤维化它的变形程度比切屑上层的剧烈几到几十倍3.第三变形区(后刀面摩擦区)已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面挤压摩擦，造成晶粒伸长纤维化和加工硬化直接和加工表面的质量有关4.小结三个变形区汇集在切削刃附近，应力状况复杂，应力大而集中，切削层金属就在此分离三个变形区互有联系，密切相关三.切屑的形成过程挤压弹性变形剪切滑移，塑性变形前刀面挤压与摩擦卷曲流出前刀面滑移剪切力达到τs2.二维切削剪切面切削模型二维切削的剪切面切削模型3.切削形成的本质切削层金属在刀具切削刃作用和前刀面作用下，经受挤压而产生剪切滑移变形的过程§2-2切屑种类和变化1.带状切屑切屑形貌1.内表面光滑；2.外表面毛茸状；3.连续、带状。产生原因1.剪切位移未达到破裂程度，2.剪应力未超过材料极限强度特点1.切削力波动小，切削过程平稳；2.已加工表面粗糙度小；3.需要断屑措施。产生条件1.塑性金属；2.v较高；3.ac较小；4.γ0较大。2.挤裂切屑切屑形貌1.内表面有时光滑有时有裂纹；2.外表面锯齿状。产生原因1.局部剪切位移达到破裂程度，2.剪应力超过材料极限强度。特点1.切削力有波动，切削过程较不平稳；2.已加工表面粗糙度较大。产生条件1.塑性金属；2v较低；3.ac较大；4.γ0较小3.单元切屑切屑形貌1.裂纹贯穿整个切屑；2.切屑为梯形单元。产生原因1.整个剪切面的剪应力超过材料极限强度。特点1.切削力波动大，切削过程不平稳；2.已加工表面粗糙度大；3.刀具易损坏。产生条件1.塑性金属；2.v很小；3.ac很大；4.γ0小。4.崩碎切屑切屑形貌1.不规则的碎块产生原因1.靠近切削刃的局部金属塑性变形很小，被挤裂、脆断。特点1.切削力波动很大，切削过程很不平稳；2.已加工表面粗糙度很大；刀具易崩刃。产生条件3.脆性金属（铸铁、高碳钢、硬铝、石材、玻璃）带状切屑内表面光滑，外表面毛茸状；连续、带状剪切位移未达到破裂程度，τ<τs切削力波动小，切削过程平稳；表面Ra小，需要断屑塑性,v较高,ac较小,γ0较大。挤裂切屑内表面有时光滑有时有裂纹，外表面锯齿状局部剪切位移达到破裂程度，τ>τs切削力波动，切削较不平稳；表面Ra大塑性；v较低；ac较大；γ0较小单元切屑裂纹贯穿整个切屑；切屑为梯形单元。整个剪切面的τ>τs切削力波动大，不平稳；表面Ra大；刀具易损坏。塑性；v很小；ac很大；γ0小。崩碎切屑不规则的碎块塑性变形很小，被挤裂、脆断切削力波动很大，过程很不平稳；表面Ra很大；刀具易崩刃。脆性金属5.小结在实际生产中存在介于上述四种切屑的过渡类型同一种材料，切削条件不同，可以得到不同的切屑选择合适的刀具几何参数和切削用量，可以改变切削类型掌握了切削变化规律，就可以控制其形状和尺寸，以利于卷屑，断屑和排屑§2-3切屑变形的度量生产中，操作者根据切屑的卷曲，颜色和表面状态来判断切削过程外观不一定能真实的反映切屑的变形程度常用的度量切屑变形的方法有变形系数法，剪切角和相对滑移1.变形系数ξ变形系数ξl=l0/lc;ξa=ac/a0，ac切削厚度，a0切削层长度，lc切屑长度，l0切削层长度根据变形后体积不变原则，ξ=ξl=ξaξ

，变形

L0a0lcac2.相对滑移ε定义：单位厚度的金属产生的滑移量式中φ是剪切角ε与φ和γ0有关ε

，变形

3.剪切角φ定义：切削速度和剪切面的夹角NP>N’P’,φ<φ’φ

，切屑的剪切滑移距离,变形

4.变形系数和相对滑移的关系5.切屑变形参数的讨论ξ>=1.5:ξ大，ε也大，比较接近实际情况ξ<1.5，特别ξ≈1，或者前角为负时，不能用ξ来表示变形程度切削变形的参数计算都是近似的，有相当的局限性§2-4剪切角的理论公式Φ可衡量切屑变形程度，如果能建立φ=(γ0,β)的理论公式，对预测切屑变形程度和切削力的大小有重要的实际意义作用在前刀面法向力Fn和摩擦力Ff作用在剪切面法向力Fns和剪切力Fs1.作用在切屑上的力2.力的分解计算3.剪切力的理论公式根据最小切削力功原理确定剪切角剪切面在切削时为所需功率最小的方向令dPm/dφ=0,求Pm为最小的剪切角，2φ+β-γ0=π/2(Merchant公式)4.Merchant公式的讨论与试验结果定性上一致，定量上有误差，Merchant公式计算值偏大误差原因：切削刃是圆钝的，不是绝对锋利的剪切面不是平面，而是有一定厚度未考虑金属内部杂质和缺陷的影响用简单的平均摩擦系数和实际情况不符§2-5前刀面的摩擦使用理论公式计算剪切角和试验结果有出入，其中原因之一是用简单的摩擦系数来表示前刀面的摩擦特性，不符合切削过程中的实际情况1.滑动摩擦特性FfFn软材料Ar<Aa；Ar=Fn/σyFf=τs·Ar；金属塑性变形，紧密接触，发生粘结，摩擦力是不断剪切粘结点的力摩擦系数μ=Ff/Fn=τs/σy=常数，与Ar无关滑动摩擦又称外摩擦2.粘结摩擦特性Ar≈Aa剪切作用不只限于表面凹凸不平处，而且发生在较软的金属内部粘结力与粘结面积有关粘结摩擦又称内摩擦3.前刀面的摩擦特性切削过程中，切屑和前刀面的压力很大，存在滑动摩擦和粘结摩擦前刀面上，μ=K/σravσrav随着硬度，ac，v和γ0有关前刀面摩擦分布3.影响前刀面摩擦系数的因素强度、硬度、ac

，或者γ0

，都会导致μ

切削速度对μ也有影响§2-6积屑瘤(BUE)积屑瘤(Built-upedge)在切削塑性金属时，在前刀面靠近切削刃口处粘结着一小块很小很硬的金属楔块ac△acγ0γ0e1.积屑瘤的产生原因切屑底层产生滞留层滞留层与切屑分离，粘结在前刀面f内>f外前刀面和切屑底面的挤压和摩擦逐层滞留粘结形成楔块冲击振动不断破裂，脱落再生2.积屑瘤对切削过程的影响替代切削刃和Aγ切削，减少Aγ和Aα磨损破裂脱落，擦伤Aγ和Aα，发生粘结磨损γ0

，ξac，尺寸精度

轮廓不规则，过切量不一致，Ra破裂，脱落，引起振动，Ra刀具和工件挤压作用增加，残余应力和表面变形增加3.影响积屑瘤的主要因素工件速度和性质切削速度刀具前角冷却润滑条件(1)工件性质影响：塑性

，μ，lf

，易生成BUE避免措施：正火，调质处理；强度，硬度

，塑性

(2)切削速度主要通过θ℃和μ影响BUEf内大，不易产生θ℃,μ,f外

θ℃很高，底层金属变软，μ

，f外

560℃，BUE消失(3)刀具前角γ0

ξ，正压力

，θ℃BUEγ0>40，没有BUE(4)其他切削液

θ℃μBUEac

正压力

BUE刀具RaBUE§2-7已加工表面的形成

1.形成因素已加工表面形成与下面因素有关第1变形区rn刀具圆弧半径αoe的小棱面2.形成过程切屑层金属进入第一变形区，晶粒伸长，纤维化由于rn和αoe的存在，Δac被剧烈挤压摩擦进入第三变形区，进一步变形，扭曲，拉长，更加纤维化，形成已加工表面§2-8加工变质层零件损坏往往源于表面缺陷，因此要求机械加工后的零件表面层完整无损，提出了表面完整性的概念1.表面完整性的概念概念：由于受控制的加工方法的影响，导致成品的表面状态没有受到任何损伤，甚至有所增强的现象包括几何方面和物理方面变质层变质的内容大致有：化学变质，热变质，组织纤维化，加工硬化和残余应力2.残余应力概念：没有外力作用下，体内自相平衡的应力分类：残余拉应力产生裂纹，疲劳强度

；残余压应力疲劳强度

原因：热塑性变形，弹性恢复，相变多种因素综合作用的结果(1)原因-热塑性变形切削过程中切削过后压压拉拉(1)原因-里层金属的弹性恢复拉压切削过程中，里层的弹变量是压缩状态切削过程中，里层的弹变量是拉伸状态(1)原因-表层金属的相变压拉形成奥氏体马氏体比容

720冷却(2)影响残余应力的主要因素

(2.1)切削速度VV原因拉/压较低θ℃低，热塑性变形小拉小或压较高热塑性

拉

更高θ℃达相变温度，相变(压)和热塑性(拉)抵消，变化不大(2.2)其他因素f和ap,塑性变形

，残余应力

f的影响较大，v和ap的影响较小γ0

锋利，排屑流畅，切削轻快残余应力

rεrn

，变形摩擦

，残余应力

3.加工硬化经过切削加工，会使工件表层的硬度提高的现象成为加工硬化变形程度

，硬化程度和深度

工件耐磨性

，脆性

(1)产生加工硬化的原因金属强化，弱化和相变的综合结果切削过程中，金属晶粒拉长，扭曲与破碎，阻碍金属进一步塑性变形，而使金属强化切削温度使金属弱化，甚至相变(2)硬化程度的指标硬化深度hy：已加工表面与基体未硬化处的垂直距离硬化程度N：H已加工表面的显微硬度H’基体的显微硬度(3)影响加工硬化的因素Vhy和N；Vhy(淬火相);hy(回火相)f

，ap

hy和N

工件材料塑性

硬化

工件导热性

硬化

γ0，α0hy和N§2-9切屑变形程度的变形规律影响因素工件材料切削用量刀具几何参数刀具材料冷却润滑1.工件材料塑性

，强度

，屈服极限

，在较小应力作用下塑性变形塑性

，塑变能力增加，变形量大2.切削速度(1)对塑性材料BUEγoe

ξ变形时间ξVμ，VμV很高θ℃变软，塑性

，底部微熔对脆性材料：Vξ2.切削速度(2)vξIIIIIIIV0v1v2v3ABBUE，γoe

，ξ

A点，BUE最高，γoe最大，ξ最小BUE,γoe

,ξ

BUE消失,γoe

=γo,ξ最大

变形时间

，μ，θ℃，ξ

金属变软，切屑底部微熔，对ξ影响小3.进给量f(ac)ac’ac’f,ac

总变形量

，ac’增加很少