金属切削的基本规律

金属切削的基本规律

金属切削理论是在生产实践与切削实验中，总结出的关于金属切削过程中基本物理现象变化规律的理论。这些基本物理现象包括：切削变形、切削力、切削温度和刀具磨损等。学习并掌握这些规律，以提高切削加工的生产率、加工质量和降低生产成本。

一、切削变形

金属切削过程，从实质讲，就是产生切屑和形成已加工表面的过程。产生切屑和形成已加王表面是金属切削时密切相关的两个方面。切削变形就是从这两个方面讨论切削过程。因而学习切削变形是学习其它物理现象的基础。

一、切削方式

切削时，当工件材料一定，所产生切屑的形态和形成已加工表面的特性，在很大程度上决定于切削方式。切削方式是由刀具切削刃和工件间的运动所决定，可分为：直角切削、斜角切削和普通切削三种方式。

二、切削变形概述

(一)切屑的基本形态：

金属切削时，由于工件材料、刀具几何形状和切削用量不同，会出现各种不同形态的切屑。但从变形观点出发，可归纳为四种基本形态(如图3—2)。

1.带状切屑切屑呈连续状、与前刀面接触的底层光滑、背面呈毛葺状。

2.挤裂状切屑切屑背面呈锯齿形、内表面有时有裂纹。

3.单元状切屑切削塑性很大的材料，如铅、退火铝、纯铜时，切屑容易在前刀面上形成粘结不易流出，产生很大变形，使材料达到断裂极限，形成很大的变形单元，而成为此类切屑。

4.崩碎状切屑切削脆性材料，如铸铁、黄铜等时，形成片状或粒状切屑。

切削时，在产生带状切屑的过程中，切削力变化较小，切削过程稳定，已加工表面质量好。但切屑成为很长的带状，影响机床正常工作和工人安全，因而要采取断屑措施;在产生挤裂状和单元状切屑的过程中，切削力有较大的波动，尤其是单元状切屑，在其形成过程中可能产生振动影响加工质量;在切削铸铁时，由于所形成的崩碎状切屑是经石墨边界处崩裂的，因而已加工表面的粗糙度值变大。

(二)积屑瘤

在某一定切削速度范围内，切削钢、4～6黄铜、铝合金等材料时，切削刃附近的前刀面上会出现一块堆积物，代替切削刃工作，把这个堆积物称为积屑瘤。由于积屑瘤会改变刀具工作时的实际前角，当其变化与脱落时，又会影响已加工表面粗糙度、刀具磨损等。因而积屑瘤也常作为切削时一个重要物理现象进

行研究。根据实验，积屑瘤具有以下特点：化学性质与工件材料相同;硬度增加约为母体材料的2～4倍;与前刀面粘结牢固;消失或脱落具有一定的临界切削温度;不稳定，成长、脱落反复进行。

1.积屑瘤的产生与成长由电子扫描得出的积屑瘤产生与成长模型。当切屑经前刀面流出时，第Ⅱ变形区滞流层中的一部分金属，在适当的温度与压力条件下与母体分离，牢固地粘结在前刀面上，成为形成积屑瘤的核。粘结是金属原子问在其作用力的范围内，相互吸引而结合的状态，其条件大体为：两金属的可溶性;结合是金属结合以及必要的温度和充分的接触时间等。温度对粘结起着决定性的作用。因为组织，由于加工硬化其硬度与切屑相比增加很多。由此可见，形成粘结和加工硬化是积屑瘤成长的必要条件。

2.积屑瘤的脱落与消失当切削温度升高到某一临界值时，积屑瘤就消失，这个值约为.500～600℃与金属材料的再结晶温度560℃相当。这时，由于温度高，金属的延展性增加，加工硬化消失，堆积物变软被切屑带走，积屑瘤就脱落或消失。因而引起积屑瘤脱落和消失的主要原因也是切削温度。

在实际切削过程中，由于各种因素的影响，会导致切削温度的不断变化，因而即使在相同切削条件下，积屑瘤也处于不稳定状态，时而成长，时而脱落的反复变化。

3.控制积屑瘤的措施积屑瘤代替切削刃工作，能起到保护切削刃的作用，并使刀具实际前角增大，是其有利方面;但由于积屑瘤形状不规则和不稳定，直接影响已加工表面粗糙度，以及使用硬质合金刀具切削时，积屑瘤的脱落，可能会剥落硬质合金颗粒，加剧刀具磨损，是其不利方面。可以说积屑瘤对切削弊多利少。因而，精加工时，一定要避免产生积屑瘤;即使在粗加工，如采用硬质合金刀具，也不希望产生积屑瘤。但如能掌握其规律，进行控制与利用，也可化弊为利，如银白切屑车刀就是一例。通常主要采用以下措施进行控制：

1)降低材料的延展性，提高硬度，减少滞流层的形成;

2)控制切削速度u，，以控制切削温度：

低速时(速度10m/rain以下)，由于温度低(低于300℃)，不会引起粘结，不会形成积屑瘤核，因而不会形成积屑瘤。通常用高速钢刀具低速精车螺纹或用铰刀低速精铰孔可得到较小的表面粗糙度值。

高速时(速度100m/min以上)，由于温度高(在500～600℃以上)，积屑瘤的加工硬化消失积屑瘤就消失。采用高速切削，也能获得小的表面粗糙度值。

中速时(切削中碳钢速度20～30m/min)，温度适宜(约300～400℃)，积屑瘤最大，表面粗糙度值也最大。

也可通过采用切削液、增大前角(y。>35度)、减小切削厚度等方法，减少以至消除积屑瘤。

5.焊接元件应尽量选用型材

在焊接结构中，常常是将各个焊接元件组焊在一起。如果能合理选用型材，就可以简化焊接工艺过程，有效地防止焊件变形。图3—24a所示的焊件是用三块钢板组焊而成的，它有四道焊缝。而图3—24b则表示同一焊件由两个槽钢组焊而成，只需在接合处采用分段法焊接，既可简化焊接工艺，又可减小焊接变形。如果能选用合适的工字钢，就可完全省掉焊接工序。

二、焊接件的选用原则

1.试制产品的机座、支架等承受静载荷的零件，应优先采用焊接结构

2.尺寸较大的构件应优先选用焊接结构

3.应注意采用铸焊、锻焊组合结构

三、焊缝位置的确定及焊缝代号

1.焊缝位置的确定

(1)焊缝位置应处于受力最小的部位

(2)焊缝应尽量分布在焊件的薄壁片

(3)焊缝应尽量远离机械加工表面

2.焊缝符号的标注

焊缝的基本符号+焊缝的辅助符号与补充符号+焊缝的尺寸的符号=焊缝符号的标记

四、焊接接头形式和尺寸的确定

在焊条电弧焊时，由于焊件厚度、结构形状和使用条件的不同，焊件的接头形式和坡口形式也不同。常用的接头形式有4种：对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头。

为了使接头处能焊透，并减少焊条熔化量在焊缝金属中所占的比例，确保焊缝金属的化学成分和力学性能，对中、厚板件，应在焊件接头处开设坡口。如焊条电弧焊时，焊件厚度大于6mm就应开设坡口。常见的坡口形式有四种：V形、带钝边U形、双Y形和K形，如图所示。坡口的形式与焊件厚度有关。

五、焊条的选用

1.选用焊条的一般原则

(1)根据焊件力学性能要求

(2)根据焊件的工作条件和结构特点

(3)根据焊接设备和施工条件

2.适于常用焊接材料的焊条

3.焊条直径的选择

六、举例

有一压力管道，其结构形状和尺寸如下图所示，已知管道和连接法兰的材料均为Q345，车间卷板机卷筒最长度为2000mm，试进行工艺设计。