第三章 金属切削变形过程题解

第三章金属切削变形过程3．1 必备知识和考试要点3，1。

1 研究金属切削变形过程的意义和方法1．明确研究金属切削变形过程的意义。

2．了解金属切削变形过程的实验方法。

3．1．2 金属切削层的变形1．熟悉金属切削过程中变形区的划分。

2．熟悉各变形区内所发生的变形。

3．掌握相对滑移、变形系数、剪切角的概念。

4．掌握相对滑移与变形系数的关系式。

3．1．3 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响1．了解切削过程中作用在切屑上的力。

2．明确剪切角φ与前刀面摩擦系数μ的关系。

3．理解内摩擦的概念。

4．熟悉影响前刀面摩擦的主要因素。

3．1．4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1．掌握积屑瘤的形成条件。

2．掌握积屑瘤对切削过程影响的要点。

3．掌握积屑瘤的生长高度与切削速度的关系。

4．掌握抑制积屑瘤的方法。

3．1，5 影响切屑变形的变化规律1．掌握工件材料、刀具几何角度对切屑变形影响的要点。

2，掌握切削速度对剪切角影响的要点。

3．掌握切削用量三要素切眉变形影响的要点。

4．正确分析切削速度对变形系数影响的规律。

3．1．6 其他1．了解切屑形状的分类方法及产生的条件。

2．了解切屑卷曲和断屑的机理。

3．2 典型范例和答题技巧[例3．1] 画图表示切削塑性工件材料时，金属变形区是如何划分的?各变形区中的变形情况如何?[分析]1．变形区的划分。

根据教科书中的“金属切削过程中的滑移线和流线示意图”大致画出三个区域。

2．变形区的变形。

由于第一变形区区域宽度很窄，故可看成一个面，被称之为剪切滑移面。

显然第一变形区的变形，也就是在切削过程中，金属通过剪切滑移面时发生的剪切滑移变形。

这一变形决定了切削的进行，使被切削工件的切削层转变成切屑。

第二变形区发生在切屑底层，相对于前刀面的位置。

通过第一变形区变形后的金属在转变成切屑沿前刀面流出前发生的进一步变形。

此时发生的变形是前刀面作用于切屑的摩擦、挤压变形。

第三变形区内的变形是受到刀刃的钝圆部分及后刀面的挤压、摩擦变形。

在切削层经第一变形区剪切滑移变形后，若是理想切削刃(rε=0)的切削层，则全部转变成切屑。

而实际当中rε≠0，即刀尖钝圆的存在，使部分剪切滑移变形后的金属要挤过刀尖钝圆处，而形成已加工表面。

同时，没有发生剪切滑移变形的弹性变形金属在经过钝圆处后，恢复其弹性变形，使部分金属靠紧刀尖处的刀具后刀面。

当切削进行时，该表层部分金属与后刀面发生摩擦、挤压变形。

[答案] 变形区的划分例图3．1所示。

第一变形区的变形为发生在剪切滑移面内的剪切滑移变形；第二变形区的变形为发生在切屑底层的挤压、摩擦变形；第三变形区的变形为发生在靠近切削刃钝圆及后刀面处的挤压、摩擦变形。

[例3，2] 剪切角的概念是什么?通过李和谢弗公式可以定性说明哪些问题?[分析]剪切面的位置是表现切削变形程度的，剪切面的位置与很多因素有关，剪切面与切削速度方向的夹角叫剪切角。

李和谢弗根据直线滑移线场理论推导出的近似剪切角公式φ= π/4－β/2 + γo/2。

通过该公式可定性分析刀具前角γo。

摩擦角β与剪切角φ的关系。

[答案] 剪切角——一般情况下第一变形区的宽度仅约0．02～0．2mm，所以可用一剪切面来表示。

剪切面和切削速度的夹角叫做剪切角，用φ来表示。

李和谢弗公式：由该公式可知：(1)当前角γ0增大时，剪切角φ随之增大，变形减小。

可见在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的。

(2)当摩擦角β增大时，剪切角φ随之减小，变形增大。

所以提高刀具的刃磨质量，施加切削液减小前刀面上的摩擦对切削是有利的。

[例3．3] 有哪些指标可用来衡量切削层的变形程度?它们能否真实反映出切削过程的全部变形实质?它们之间有什么样的关系?[答案] 衡量切削变形的程度可以分别用变形系数ϕ、相对滑移ε和剪切角φ三个指标来衡量。

变形系数ϕ——切屑厚度αch与切削层厚度αc之比，或切削层长度l c。

与切屑长度l dl之比，大，变形就愈大。

相对滑移ε——单位长度上的相对滑移量，剪切角φ——剪切面与切削速度方向之间的夹角。

φ角增大，变形减小。

剪切角φ、相对滑移ε和变形系数ϕ是通常用以表示切屑变形程度的三种方法。

它们是根据纯剪切的观点提出的。

但切削过程是复杂的，它既有剪切，又有前刀面对切屑的挤压和摩擦作用(第二变形区)，用这些简单的方式不能反映变形的实质。

例如ϕ=1时，αch=αc，似乎表示切屑没有变形，但实际上有相对滑移存在。

相对滑移与剪切角的关系变形系数与剪切角的关系或变形系数与相对滑移的关系ε[例3．4] 什么是相对滑移和变形系数?它们与剪切角有什么关系?[分析]该题必须严格按定义回答，为了更清楚地表达题意，需要附图说明。

[答案] 1．相对滑移ε也称剪应变。

相对滑移是单位长度上沿剪切面滑移的距离。

相对滑移ε与剪切角的关系如例图3．2所示。

由图可见，剪切面NH滑移到PG的位置，即2．变形系数。

变形系数的概念是基于这样的事实：在切削过程中，刀具切下的切屑厚度αch，通常都要大于工件上切削层的厚度αc(新国标为h D。

)，而切屑长度l ch却小于切削层长度l c，如例图3．3所示。

切屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数ϕa(新国标称此为“切屑厚度压缩比”，A ha)；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数ϕL，即由于工件上切削层的宽度与切屑平均宽度的差异很小，切削前和切削后的体积可以看作不变，故ϕa=ϕL=ϕ变形系数与剪切角的关系或[例3．5] 什么是积屑瘤?什么是积屑瘤形成的条件?如何抑制积屑瘤?[分析]积屑瘤是切削过程中产生的一种物理现象，但是要有一定的条件才能生成。

可以通过分析其生成的条件来提出控制积屑瘤的措施。

注意准确回答积屑瘤的概念。

[答案] 在切削速度不高而又能形成连续带状切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，刀具前角很小或为负值时，工件、切屑的一部分金属冷焊在刀具的刀尖和前刀面上代替刀具进行切削的硬块称积屑瘤。

积屑瘤的形成与切削速度、工件材料及产生粘结现象的条件有关，所以控制积屑瘤的生长可以采用如下措施：(1)降低切削速度，使切削温度降低，粘结现象不易发生。

(2)采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤存在的相应温度。

(3)采用润滑性能好的切削液，可减少摩擦，控制粘结。

(4)增加刀具前角，以减小刀屑接触区的压力。

(5)提高工件材料硬度，可减少加工硬化倾向。

[例3．6] 为什么有时利用积屑瘤，而有时又必须控制积屑瘤?[答案] 积屑瘤对切削过程有积极的影响，也有消极的影响。

1．实际前角增大。

积屑瘤粘附在前刀面上比较典型的情况如例图3．4所示。

它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起到积极的作用。

积屑瘤愈高，实际前角愈大。

2．增大切削厚度。

如例图3．4所示，积屑瘤使切削厚度增加了∆ac.由于积屑瘤的产生、成长与脱落是一个周期性的动态过程(例如每秒钟几十至几百次)，∆ac值是变化的，因而有可能引起振动。

3．加工表面粗糙度增大。

积屑瘤的底部相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排除，一部分留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。

4．对刀具耐用度的影响。

积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高刀具耐用度的作用。

但在积屑瘤较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而加大了刀具的磨损。

[例3．7] 切屑形成时为什么在长度方向上会产生收缩现象和卷曲现象?[答案] 当切削层通过剪切面转变成切屑的瞬间，垂直于剪切面流出的切屑，始终受到法向力的压缩作用以及前刀面的摩擦作用，因而使切屑的长度缩短、厚度膨胀。

当切屑沿前刀面流出时，从力学观点来看，前刀面对切削层金属所作用的压力对切屑产生—个弯曲力矩，从而使切屑产生卷曲。

近期研究指出，前刀面上的切削合力与剪切面上的抵抗合力并不共线，从而使切屑产生卷曲。

[例3．8] 影响切屑卷曲、折断的因素有哪些?[答案] 在切削过程中金属材料会变形，如变形超过了材料的断裂应变，则切屑将自行折断。

影响切屑卷曲折断的因素是：(1)被切削材料的屈服极限数值愈小，则弹性恢复少，愈容易折断。

(2)被切削材料的弹性模量数值愈大时，愈容易折断。

(3)被切削材料塑性愈低，愈容易折断。

(4)切削厚度愈大，则应变增大，容易断屑，而薄切屑则难断。

(5)背吃刀量增加，则断屑困难增大。

(6)切削速度提高时，断屑效果降低。

(7)刀具前角愈小，切屑变形愈大，容易折断。

[例3．9] 对于加工塑性材料影响切屑变形的因素有哪些?如何影响?[分析]在切削原理中，研究切削过程的现象的目的是要控制这些现象，提高工件表面加工质量、提高加工效率、提高刀具的耐用度，以降低工件的加工成本。

哪些是影响切削力、切削温度、表面质量的因素，应着眼于切削过程的相关因素，如刀具材料及几何参数、工件材料的性能及可加工性、切削用量等。

切屑变形是产生切削力及切削温度的主要原因，所以影响切削变形的因素也应着眼于切削区内相关因素的分析。

[答案] 对于加工塑性材料，影响切屑变形的因素有：(1)工件材料。

工件材料强度愈高，切屑变形愈小。

这是因为工件材料强度愈高，摩擦系数愈小。

由公式知，μ减小时(β减小，μ=tanβ)，剪切角φ将增大，变形系数ϕ(A h)将减小。

实验结果也证明了这一点。

(2)刀具前角。

刀具前角愈大，切屑变形愈小。

前角影响切屑流向，也影响切削合力F r的方向，也就是影响F r与切削速度v的夹角，即ϖ=β—γ0.当前角增大时，作用角ϖ减小。

由公式φ=π/4－β+γ0可知，前角γ0增大，剪切角φ增大；剪切角φ增大，变形系数ϕ(A h)减小，所以切屑变形减小。

(简答：γ0↑一φ↑一ϕ(A h)↓一变形↓)(3)切削速度。

切削速度对切屑变形的影响如例图3．5(可只用一条曲线)所示。

在有积屑瘤的切削速度范围内，切削速度的影响主要是通过积屑瘤所形成的实际前角来影响切屑变形。

在积屑瘤增长阶段中，积屑瘤随v的增加而增大，积屑瘤愈大，其实际前角愈大，因而v增加时ϕ减小。

在积屑瘤消退阶段中，积屑瘤随v的增加而减小，积屑瘤愈小，实际前角也愈小，变形随之增大，所以v愈大，则ϕ愈大。

积屑瘤消失时ϕ达最高值。

积屑瘤最大时ϕ达最小值。

在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度愈大，则变形系数愈小。

这有两方面的原因：一方面是因为塑性变形的传播速度较弹性变形的慢。

即当切削速度低时，金属初始剪切面为OA，但当切削速度增高时，金属流动速度大于塑性变形速度，亦即在OA线尚未显著变形就已流到OA’线上，使第一变形区后移，剪切角4增大(见例图3．6)。

另一方面是，因为v对摩擦系数μ有影响，除低速情况外，v愈大，则摩擦系数愈小，因此变形系数减小。