第2章 金属切削过程的基本规律及其应用
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第一节 金属切削过程的基本规律
(4)崩碎切屑(图d) 在切削铸铁和黄铜等脆性材料时,切削层金属发生弹性 变形以后,一般不经过塑性变形就突然崩碎形成不规则的碎 块状屑片,即形成崩碎切屑。 工件材料越是脆硬,越容易产生这类切屑。产生崩碎切 屑时,切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近,刀尖 容易磨损,并容易产生振动,影响表面粗糙度。它的脆断主 要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。
第一节 金属切削过程的基本规律
摩擦系数μ可用下式求得:
tan
Ff Fn
摩擦角β也可用测得的分力FZ、FY求出:
FY tan( o ) FZ
tan即等于前刀面的平均摩擦系数µ , 这就是通常测wk.baidu.com前刀面摩擦系数的方法。
第一节 金属切削过程的基本规律
(2)剪切角φ的确定
第一节 金属切削过程的基本规律
(2)挤裂切屑(节状切屑)(图b) 一般用较低的切速粗加工中等硬度的塑性材料时,容易 得到这类切屑。当切削层金属到达终止滑移面时,材料局部 已达到破裂程度,使切屑上与前刀面接触的一面较光洁,有 时有裂纹,其背面局部开裂成节状。这是最典型的切削过程, 经过弹性变形、塑性变形、挤裂、切离等阶段。由于变形较 大,切削力也较大,且有波动,工件表面较粗糙。 (3)单元切屑(图c) 切削铅或用很低的速度切削钢时,可得到这类切屑。当 剪切面上的剪切应力超过材料的剪切强度时,产生剪切破坏, 使切屑沿厚度方向断裂成均匀的颗粒状。
B’
(2)变形系数Λh
第一节 金属切削过程的基本规律
实际切削过程中,切削层金属受到 挤压变形后,切屑厚度比切削层厚度变 厚。长度比切削层长度缩短(如图), 故可用厚度变形系数Λh或长度变形系 数Λl表示其变形程度:
hch lc Λh ; Λl hD lch
根据体积不变原则,显然:Λh = Λl 从上图中的几何关系不难推出变形系数与剪切角存在如下关系:
第一节 金属切削过程的基本规律
切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区(如图): 第I变形区 — 靠近切削刃处切削层内产生的塑性变形区。 第II变形区 — 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区。 第III变形区 — 靠近切削刃处已加工表面内产生的变形区。
第一节 金属切削过程的基本规律
1. 切屑的形成及变形特点
hch AB cos( 0 ) Λh cotυ cosγ o sinγ o hD AB sin
结论:剪切角与前角是影响切削变形的两个主要因素。
第一节 金属切削过程的基本规律
4. 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 (1)作用力分析
第一节 金属切削过程的基本规律
Fr’可分解为二组分力: 在运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy;
第一节 金属切削过程的基本规律
(3)切屑与前刀面的摩擦 切屑与前刀面接触部分分为两个 摩擦区域,即粘结区(内摩擦区)和 滑动区(外摩擦区)。 粘结区:近切削刃长度为lf1的区 域内,由于切削过程中,切屑底层是 刚生成的新表面,前刀面在切削的高 温、高压下也已是无保护膜的新表面, 二者的接触区极有可能粘结在一起, 形成粘结区。在这种情况下,发生的 是切屑和刀具粘结层与上层金属之间 的内摩擦,这内摩擦实际就是金属内 部的滑移剪切,它与粘结面积的大小 有关。
第一节 金属切削过程的基本规律
第一节 金属切削过程的基本规律
(2)切削速度vc ①在无积屑瘤的切削速度范围内,切削速度vc越高,变 形系数Ah越小。 其原因有两点:一是因为切屑塑性变形速度低于切削速 度时,切屑塑性变形区域变窄,使得剪切角φ增大,变形系 数Ah变小。二是随着切削速度vc的提高,切削温度升高,切 屑底层金属的τs下降,摩擦系数μ减小,摩擦角β减小, 剪切角φ增大,变形系数Ah减小。
粘结区 滑动区
Vch
第一节 金属切削过程的基本规律
根据摩擦系数概念可写出平均内摩擦系数公式如下:
Ar1 s τ τs μ tanβ Fn1 Ar1 AV σ AV σ Ff 1
式中:Ff1、Fn1 — 粘结区内的摩擦力、正压力。
Ar1 — 粘结面积。 σAV — 粘结区内的平均正应力。
积屑瘤
②影响积屑瘤形成的主要因素 影响切屑瘤高度的主要因素是切削速度,实质是切削温度。在低速 (vc≤3m/min)切削时,切削温度低,空气或切削液来得及渗透到前刀面 接触区,很难形成切屑底层与前刀面的完全粘结,这时一般不生成积屑瘤。 如果生成,也只是很小的积屑瘤。 随着切削速度的提高,积屑瘤的高度也随之增加,一直到切削区温度 达到300一380℃时,积屑瘤高度达到最大值。
Vch
粘结区
滑动区
第一节 金属切削过程的基本规律
滑动区:切屑即将脱离前刀面前的长 度为lf0的区域内,其摩擦形式与一般 金属摩擦副间的滑动摩擦基本相同。 切屑与前刀面的摩擦由内摩擦与 外摩擦构成,通常以内摩擦为主,内 摩擦力约占总摩擦力的85%。 内应力分布规律: 剪应力τ的分布 剪切应力τ在 粘结区lf1内为恒定值,它等于材料软 化后的剪切屈服极限τs;在滑动区 lf0内剪切应力呈曲线下降至零。 正应力σ的分布 正应力σ在整 个接触区从刃口处最大呈曲线下降至 零。
作用力Fr与Vc之间的夹角称为作用角。 结论: 第I变形区是形成切屑的变形区,其变形特点是切削层产生 剪切滑移变形。
第一节 金属切削过程的基本规律
(2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形 切削层金属经过剪切滑 移后,切屑底层(与刀具 前刀面接触的层)在沿前 刀面流动过程中,受到前 刀面的进一步挤压与摩擦, 产生了第二次变形。
(1)第一变形区金属的剪切滑移变形
上图中AC、AB、AE均为剪切等应力线,AC线上的应力τ= τs,AE线的应力达最大值τmax。
第一节 金属切削过程的基本规律
称AE线(面)为终止滑移线(面) 。开始滑移的AC线(面) 称始滑移线(面) 。AC与AE线所组成的区域即为第一变形区, 该区产生的是沿滑移线(面)的剪切滑移变形。 在一般切削速度范围内,第I变形区的宽度仅为0.02mm— 0.2mm,切削速度越高、其宽度越小,故可近似看成一个平面, 称剪切面。 剪切面与切削速度vc间的夹角称剪切角,以φ表示。
第一节 金属切削过程的基本规律
第一节 金属切削过程的基本规律
当切削速度进一步提高时,积屑瘤高度逐渐减小,一直到切削区温 度越过500℃时,积屑瘤因高温而软化,切屑底层金属呈微熔状态,不 易形成积屑瘤。
此外,积屑瘤的形成还与接触面间压力,粗糙程度、粘结强度等因 素有关。
③抑制或避免积屑瘤产生的措施:
由于av随材料硬度、切削厚度、刀具前角等而变化,故是一个变数。
规律:lf↓,s↓→↓→变形↓
第一节 金属切削过程的基本规律
(4)积屑瘤
①形成:当前刀面上的 摩擦系数较大、切削速度不 很高、切削铸铁、钢等塑性 材料时,常常会有一些从切 屑和工件上下来的金属屑粘 结、聚积在刀具刃口及前刀 面上,形成硬度很高的楔形 硬块,以代替刀具进行切削, 这个硬块则称为积屑瘤(如 右图)。
第二章 金属切削过程的基本规律及其应用
金属切削过程是指通过切削运动,使刀具从工件上切下 多余的金属层,形成切屑和已加工表面的过程。 金属在切削过程中,由于受到刀具的推挤,通常会产生 受形。这种变形直接影响切削力、切削热、刀具磨损、已加 工表面质量和生产效率等。 主要内容: 1、切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损 和刀具耐用度四大规律。 2、应用。
在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。
剪切力Fs可按下式计算:
Fs F cos[ υ (β -γ o)]=Fz cosυ Fy sinυ
' r
剪切面上产生的剪切应力τ为:
FZ cos Fy sin FS Fs sin sin AS AD hD bD
结论:减小FZ、增大AD、减小φ,均可减小τ。
第一节 金属切削过程的基本规律
第一节 金属切削过程的基本规律
第一节 金属切削过程的基本规律
3. 切削变形的表示方法
(1)相对滑移ε 由材料力学知,剪切变形可用 相对滑移来表示。假定四边形OHNM 剪切变形后变成OGPM,其相对滑移 ε可写成:
Δ s ε Δ y
则对于切削层来说,其相对滑 移ε为: Δ s B ' C CB" ε cotυ tan( γ o ) υ Δy Δy 用来衡量第一变形区滑移变形的程度。
从图可以看出,原来的平行四边形单元的底面被前刀面 的挤压给拉长了,使得平行四边形变成了梯形。许多这样的 梯形叠加起来后,切屑就背向底层卷曲了。由于强烈地挤压 摩擦,使得切屑底层非常光滑,而上层呈锯齿状的毛茸。
第一节 金属切削过程的基本规律
第二变形区的特点是 变形集中在切屑底层极 薄一层金属中,且该层 金属的晶粒纤维化方向 与前刀面是平行的。 第一变形区和第二 变形区是相互关联的, 前刀面的挤压会使切削 层金属产生剪切滑移变 形,挤压越强烈,变形 越大,在流经前刀面时 挤压摩擦也越大。
剪切角φ是剪切滑移面与切削速度间的夹角,它表示出了剪切滑移 面的位置。当前角一定时,切削变形系数Λh将随φ的增大而减小,说明 此时剪切滑移面上变形消耗能量少。 麦钱特(M.E. Merchant)根据切削合力最小的原则,对下式进行微 分求极值,dF/dφ=0,
Fs cos( 0 ) τ AD cos( o ) FZ F cos( 0 ) cos( 0 ) sinυ cos( β γ o ) υ
第一节 金属切削过程的基本规律
(3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩 擦,产生变形与回弹,形成纤维化与加工硬化。它直接 影响着已加工表面的质量。
第一节 金属切削过程的基本规律
2. 切屑的种类 由于工件材料不同,切削条件不同,所形成的切屑多种 多样。通常将切屑分为四类:
' r
得到:
υ =450
γo β 2 2
第一节 金属切削过程的基本规律
另外,李和谢夫(Lee and Shaffer)根据主应力与最大 剪应力成45°的理论得出:
υ =45 γ 0 β
0
规律: ①当前角γo增大时,φ值随之增大,变形系数Λh减小。 ②当摩擦角β增大时,φ值随之减小,变形系数Λh增大。
第一节 金属切削过程的基本规律
一、切削变形
下图给出了压缩变形破坏与切削变形二者的比较。
第一节 金属切削过程的基本规律
由于存在摩擦力,剪切滑移变形会更加复杂一些。 金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面的推挤后 而产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。切削层受挤压 后,先后产生弹性变形、塑性变形,并使金属晶格产生滑 移,而后断裂。
a、合理控制切削条件,调节切削参数,尽量不形成中温区域。
b、在切削硬度和强度高的材料时,由于剪切屈服强度高,通常选中等 以上切削速度加工。 c、切削塑性高的材料,需选用高的切削速度。
第一节 金属切削过程的基本规律
5. 影响切屑变形的因素
影响切屑变形的因素归纳起来有三个方面:工件材料、刀具几何参数 及切削用量。 (1)刀具前角γo 前角γo越大, ↓,剪切角φ就越大,变形系数Λh越小。但前角过 大时,刀具切削刃的强度降低。
积屑瘤
第一节 金属切削过程的基本规律
积屑瘤包围着刃口,并将前刀 面与切屑隔开,由于它伸出刀口之 外,使得实际切削深度增加,且增 加了实际工作前角,使变形减小。 但积屑瘤是不稳定的,当它增 大到一定程度时,会脱落嵌入到工 件的已加工表面内,或在已加工表 面上形成划痕。不仅影响加工精度 和加工表面质量,同时也会影响到 刀具的耐用度。在加工过程中应尽 量避免积屑瘤的产生。 产生、成长、脱落,周期变化。
第一节 金属切削过程的基本规律
(1)带状切屑(图a) 使用较大前角的刀具并选用较高切速,较小的进给量和切 深,切削硬度较低的塑性材料时,切削层金属经过终滑移面, 虽然产生了最大的塑性变形,但尚未达到破裂程度即被切离母 体,从而形成连绵不断的带状切屑。
带状切屑的顶面呈毛茸状,底面光滑。形成带状切屑的切 削过程比较平稳,切削力波动也较小,加工的表面较光洁。但 它会缠绕在刀具或工件上,损坏刀刃,刮伤工件,且清除和运 输也不方便,影响正常切削加工。所以需要在刀具前刀面上磨 出各种不同形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽,以促使切屑成卷或 折断。