金属切削原理(基本理论)

金属切削原理与刀具,合肥工业大学技师学院,第三章 金属切削基本理论,概述： 金属切削过程就是用刀具从工件表面上切去多余的金属，形成已加工表面的过程，也是工件的切削层在刀具前面挤压下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。,伴随着切削过程的发生和发展，形成了许多物理现象，金属切削理论总结了关于金属切削过程中的基本物理现象及其变化规律，研究这些物理现象及其变化规律对保证加工质量、提高生产率、降低成本和指导生产实践有着十分重要的意义。,金属切削的基本物理现象包括：切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损与刀具耐用度。本章将针对这些现象进行阐述。,§ 3-1 切削变形,切削过程中的各种物理现象，都是以切屑形成过程为基础的。 了解切屑形成过程，对理解切削规律及其本质是非常重要的，现以塑性金属材料为例，说明切屑的形成及切削过程中的变形情况。,一） 切屑的形成过程 我们将切屑形成过程近似地比拟为推挤一叠卡片的形象化模型。,工 件,刀 具,切屑形成过程模拟,金属被切削层好比一迭卡片1´、2 ´ 、3 ´ 、4 ´等,当刀具切入时这迭卡片被摞到1、2、3、4.的位置。卡片之间发生滑移，这滑移的方向就是剪切面。,当然卡片和前刀面接触这一端应该是平整的，外侧是锯齿的、或呈不明显的毛茸状。,当刀具作用于切屑层，切削刃由a相对运动至O时，整个切削单元OMma就沿着OM面发生剪切滑移；或者OM面不动，平行四边形OMma受到剪切应力的作用，变成了平行四边形OMm1a1 。,实际上切屑单元在刀具前面作用下还受到挤压，因而底边膨胀为Oa2，形成近似梯形的切屑单元OMm2a2 。,许多梯形叠加起来就迫使切屑向逆时针方向转动而弯曲。因此也可以说，金属切削过程是切削层受到刀具前面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变形，而形成为切屑的过程。,二） 三个变形区,根据切削实验时制作的金属切削层变形图片，可绘制出如图所示的金属切削层的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。 由图可见，切削过程中切削层金属的变形可大致划分为三个变形区。,l 第一变形区,从OA线(称始剪切线)开始发生塑性变形，到OM线(称终剪切线)晶粒的剪切滑移基本完成。这一区域(I)称为第一变形区。,2 第二变形区,切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，纤维化方向基本上和前刀面平行。这一区域称为第二变形区()。,3 第三变形区,已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。这部分称为第三变形区( )。,这三个变形区汇集在刀刃附近，切削层金属在此处与工件母体分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面上。,第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区剪切滑移变形； 第变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区挤压变形； 第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区已加工表面变形。,三） 第一变形区内金属的剪切变形,追踪切削层上任一点P，可以观察切屑的变形和形成过程。,当切削层中金属某点P向切削刃逼近，到达点1时，此时其剪切应力达到材料的屈服强度s，故点1在向前移动,的同时，也沿OA滑移，其合成运动使点l流动到点2。2- 2 ´为滑移量，当P点依次到达3、4点后，其流动方向与前刀面平行，不再沿OM线滑移。OA称为始剪切滑移线，OM称为终剪切滑移线。,通常第一变形区较窄，宽度仅约为0.20.02mm，可近似用一剪切面来代替该区域。 剪切面OC与切削速度间的夹角剪切角。 OA线上的剪应力s(屈服极限 )； OA、OB、OC、OM线上的剪应力由于变形加工硬化而依次升高，在OM线达最大值max，若 maxb (强度极限 )时，切屑为带状； maxb时，切屑为节壮（挤裂状）。,在OA到OM之间的第一变形区内，其变形的主要特征是沿滑移线的剪切滑移变形以及随之产生的加工硬化。,四） 变形程度的表示方法,1、剪切角 实验证明剪切角的大小和切削力的大小有直接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，如角较大，剪切面积变小，即变形程度较小，切削比较省力。所以角本身就表示变形的程度。,2 变形系数 切削时，切屑厚度ach通常都要大于切削深度ac，而切屑宽度lch却小于切削长度lc 。,切削长度与切屑宽度之比或者切屑厚度与切削厚度之比称为厚度变形系 即：,变形系数是大于1的数，可以用剪切角表示,上式也可写成,上式表明： 变形的大小与剪切角和前角有关。一般前角o增大，剪切角增大，减小。 前角o一定时，若剪切角增大，那么切削变形就小。 用剪切角来衡量变形的大小，测量比较麻烦；而变形系数可直观反映切屑的变形程度，并且容易测量。,剪切角随着切削条件不同而变化，根据纯剪切理论：剪应力和主应力方向约呈45°，且主应力fa与作用合力Fr一致，则可确定剪切角为： =45°-（-o） 其中为摩擦角 。,五） 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响,1 前刀面上的摩擦 塑性金属在切削过程中，切屑与前刀面之间压力很大，再加上几百度的高温，实际上切屑底层与前刀面呈粘结状态。故切屑与前刀面之间不是一般的外摩擦，而是切屑和前刀面粘结层与其上层金属之间的内摩擦。,这种内摩擦实际上就是金属内部的滑移剪切，它不同于外摩擦(外摩擦力的大小与摩擦系数以及正压力有关，与接触面积无关)，内摩擦与材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关。,令为前刀面上的平均摩擦系数，则,式中: Af1内摩擦部分的接触面积； av 内摩擦部分的平均正应力； s 工件材料剪切屈服强度。 由于随切削温度升高略有下降，随材料硬度、切削厚度及刀具前角而变化，其变化范围较大，因此， 是一个变数。,刀-屑接触部分可分为两个区域，在粘结部分为内摩擦，滑动部分为外摩擦。图中也表示出了整个刀-屑接触区上正应力r的分布，金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦。,2影响前刀面摩擦系数的主要因素,工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度是影响前刀面摩擦系数的主要因素。,实验表明在相同切削条件下，加工几种不同工件材料，如铜、20钢、40Cr钢、1Crl8Ni9Ti等，随着工件材料的强度和硬度的依次增大，摩擦系数略有减小； 这是由于在切削速度不变的情况下，材料的硬度、强度大时，切削温度增高，故摩擦系数下降。,切削厚度ac增加时， 也略为下降；如20钢的ac从0. lmm增大到0. 18mm， 从0 .74降至0 .72。因为ac增加后正应力也随之增大。,在一般切削速度范围内，前角。愈大，则值愈大。因为随着。增大，正应力减小，故增加。,切削速度对摩擦系数的影响见图,当V30mmin时，切削速度提高，摩擦系数变大。,这是因为在低速区切削温度较低，前刀面与切屑底层不易粘接，粘结的严密程度随速度(温度)增高而发展，从而使上升。 当v超过30mmin后，温度进一步升高，材料塑性增加，而使切屑底层材料的s下降，故随之逐渐下降。,六）积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,定义： 在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工钢料等塑性材料时，常在前刀面切削刃口处粘着一块楔形的金属块，它的硬度较高(通常是工件材料的23倍)，在处于稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤。,切削加工时，切屑与前刀面发生强烈摩擦而形成新鲜表面接触。当接触面具有适当的温度和较高的压力时就会产生粘结(冷焊)。于是，切屑底层金属与前刀面冷焊而滞留在前刀面上。连续流动的切屑从粘在刀面的底层上流过时，在温度、压力适当的情况下，也会被阻滞在底层上。使粘结层逐层在前一层上积聚，最后长成积屑瘤。,形成机理：,影响积屑瘤产生的因素：,工件材料的影响：塑性高的材料，由于切削时塑性变形较大，加工硬化趋势较强，积屑瘤容易形成；而脆性材料一般没有塑性变形，并且切屑不在前刀面流过，因此无积屑瘤产生。,切削速度主要通过切削温度影响积屑瘤。,低速(Vc35mmin)时，切削温度较低（低于300），切屑流动速度较慢，摩擦力未超过切屑分子的结合力，不会产生积屑瘤。 高速(Vc6070mmin)时，温度很高（500600以上） ，切屑底层金属变软。摩擦系数明显降低，积屑瘤也不会产生。 中等速度(535mmin)时，切削温度约为300°左右，摩擦系数最大，最容易产生积屑瘤。 约20mmin 时最大。,刀具前角的影响：采用小前角比用大前角时容易产生积屑瘤。,前角小切屑变形剧烈，前面的摩擦力也较大，同时温度也较高，因此容易产生积屑瘤；,反之前角较大时，切屑对刀具前刀面的正压力减小，切削力和切屑变形也随之减小，不容易产生积屑瘤，当前角大到40°50°时一般不会产生积屑瘤。,刀具表面粗糙度的影响。 减小刀具前刀面的表面粗糙度值，可减小积屑瘤的产生。,切削液的影响。 切削液中含有活性物质，能迅速渗入加工表面和刀具之间，减小切屑与刀具前刀面的摩擦，并能降低切削温度，所以不易产生积屑瘤。,积屑瘤对切削过程的影响,1. 影响刀具耐用度： 积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面。积屑瘤相对稳定时，可代替切削刃进行切削。切削刃和前刀面都得到积屑瘤的保护，减少了刀具的磨损，提高刀具耐用度；但在不稳定时，积屑瘤的破裂有可能导致硬质合金刀具的剥落磨损。,2. 增大实际前角： 有积屑瘤的车刀，实际前角可增大至30°50°之间，因而减少了切屑的变形，降低了切削力。,积屑瘤的前端伸出切削刃之外，改变了背吃刀量，有积屑瘤的切入深度比没有积屑瘤时增大了ac ，因而影响了工件的加工尺寸精度。 另外由于屑瘤的产生、成长与脱落是一个周期性过程，ac的变化有可能引起振动。,3. 增大切入深度：,4. 增大已加工表面粗糙度值：,积屑瘤的底部较上部稳定，但在通常条件下，积屑瘤总是不稳定的。它时大时小，时生时灭。在切削过程中，一部分积屑瘤被切屑带走，另一部分嵌人工件已加工表面内，使工件表面产生硬点和毛刺，增大了已加工表而的粗糙度值，影响工件表面质量。,精加工时：一定要设法避免积屑瘤的产生； 粗加工时： 1) 采用硬质合金刀具时，一般也不希望产生积屑瘤； 2) 采用高速钢刀具时，积屑瘤粘附在刀具前面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减小刀具磨损，提高耐用度的作用。,在精加工时应避免或减小积屑瘤，其措施有： 1) 控制切削速度，尽量采用很低或很高的速度，避开中速区(尤其是1020mmin) ； 2) 增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力； 3) 减小进给量； 4) 减小刀面的表面粗糙度； 5) 使用润滑性能好的切削液，以减小摩擦； 6) 提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向。,七）加工硬化,加工硬化亦称冷作硬化，它是在第变形区内产生的物理现象。,任何刀具的切削刃口都很难磨得绝对锋利，当在钝圆弧切削刃和其邻近的狭小后面的切削、挤压和摩擦作用下，使已加工表面层的金属晶粒产生扭曲、挤紧和破碎。这种经过严重塑性交形而使表面层硬度增高的现象称为加工硬化。,加工硬化有如下特点,1） 硬化程度愈高，硬化层深度也愈深； 2） 加工硬化给下一道工序造成困难，刀具易被磨损； 3） 硬化层表面常会出现细微裂纹，增大表面粗糙度和降低材料的疲劳强度，金属材料经硬化后提高了屈服强度。,影响因素：,1) 刀具方面：增大前角、增大后角、在刃磨时减小切削刃钝圆弧半径，硬化程度随之减小。 2) 切削用量方面：增大切削速度、减小背吃刀量及进给量，使切削变形小，故冷硬程度减轻。 3）工件材料方面：材料塑性越大，金属晶格滑移越容易，硬化越严重，例如不锈钢1Cr18Ni9Ti的硬化深度1/3ap。 4) 合理选用切削液：浇注切削液能减小刀具后面与加工表面摩擦，冷硬程度减轻。,八）残余应力,指切削过程结束后，在已加工表面表层中残存的内应力。有时为残余拉应力，有