金属切削原理(基本理论)
48页1、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
2、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
3、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
4、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,
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