金属切削过程中的物理现象

金属切削过程中的三个变形区第Ⅰ变形区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变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区（后刀面与工件的接触区域）1、第一变形区（剪切滑移区）切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑，下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下，使近切削刃出的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。左图是取金属内部质点P来分析滑移过程。2、第二变形区经过第一变形区后，形成的切屑沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此，在该区域内金属变形特点就是切屑在前刀面上发生的摩擦挤压变形，这个变形主要集中在与前刀面接触的切屑底部一薄层金属内，这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长，成纤维化，基本与前刀面平行。另外，由于切屑层底层受前刀面的挤压而膨胀，使切屑背向前刀面卷曲，最后在某一点开始与前刀面脱离接触。（挤压摩擦区）3、第三变形区（挤压摩擦回弹区）已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成纤维化和加工硬化及残余应力，严重的甚至出现细微的裂纹。二、积屑瘤1．积屑瘤的现象积屑瘤：切削塑性金属时，在一定的切削条件下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，能够代替刀刃进行切削，并且以一定频率生长和脱落。这种堆积物称为积屑瘤。当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。积屑瘤高度及其实际工作前角2.积屑瘤的成因：1）工件材料的塑性主要是加工硬化的缘故，塑性材料切削时形成带状切削，加工硬化现象较强，容易产生积屑瘤；而脆性材料切削时形成崩脆切削，且加工硬化现象很弱，不易产生积屑瘤。2）切削温度切削温度也是形成积屑瘤的重要条件。切削温度过低，粘结现象不易发生；切削温度过高，加工硬化现象有削弱作用，因而积屑瘤也不易产生。对于碳钢，300ºC～350ºC范围内最容易产生积屑瘤，500ºC以上趋于消失。3）积屑瘤与切削速度的关系Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成。Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件逐渐形成，随着切削速度的提高积屑瘤也增大。Ⅲ区：积屑瘤随切削速度的提高而减小，当达到Ⅲ区右边界时，积屑瘤消失。Ⅳ区：切削速度进一步提高，由于切削温度较高而冷焊消失，此时积屑瘤不再存在了。但切屑底部的纤维化依然存在，切屑的滞留倾向也依然存在。4）刀具的前角因为积屑瘤是在带状切屑的前提下形成的。然而前角越大越容易形成带状切屑，前角越小容易形成崩脆切削，所以积屑瘤的形成与刀具的前角有着紧密的联系。3.积屑瘤对切削过程的影响：1)积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。2)积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。3)积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。4)积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。三、残余应力和加工硬化在金属切削过程中，因刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦，使已加工表面层的塑性变形非常强烈，晶格破坏，表层硬度提高，这种现象称为加工硬化。工件表面硬化可提高耐磨性。但加工硬化常伴有裂纹产生，降低零件的抗冲击性能。刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦，以及切削热的作用，使已加工表面上常有残余应力存在。四、脆性材料的切削机理脆性被切削材料在外力作用下，先形成裂纹。裂纹尖端附近应力强度达到其临界值时，裂纹就会发生失稳扩展，导致被切削材料的断裂。五、切屑力1.概念切削加工时刀具使切削层形成切削需要克服的阻力称为切削力。◆切削力影响刀具的磨损和使用寿命。◆切削力影响加工精度。工艺系统的弹性变形，所作的功转化工艺系统的热变形。◆是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。2.切屑力的来源（1）来自工件的切削力：工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力。（2）来自切屑的切屑力：切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力。3.总切削力的几何分力22222NCPfFcFFFFFFp=FNcosKr;Ff=FNsinkr一般情况下，Fc最大，Fp和Ff小一些主切削力Fc：切削合力F在主运动方向的分力，又称切向分力。它与切削速度方向一致，在切削过程中做功最多，占总切削功率的90%以上。Fc是计算机床动力、设备的强度及刚度的基本数据。进给抗力Ff：切削合力F在进给运动方向的合力，车外圆时，Ff与工件的轴线相平行，因此又称轴向分力。Ff作用在机床的进给机构上，它是设计进给机构必须的数据。切深抗力Fp:切削合力F在切削深度方向的分力。车外圆时，Fp与工件的径向重合，因此又称径向分力。Fp作用在机床及工件刚性最差的方向，容易引起切削振动和工件的弯曲变形，影响加工精度及工件表面质量。4.切削功率：是指切削时在切削区域内消耗的功率，通常进给消耗的功率略去不计，只计算主运动消耗的功率：31060zmFvPkWmEPP式中Fz－主切削力（N）v－主运动切削速度（m/min）机床电动机所需功率PE:式中－机床传动效率。mEPP5.影响切削力的因素影响切屑力的主要因素有：工件材料、切削用量、刀具几何参数、其它因素。总切削力的来源有两个方面：一是克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力；二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。（1）工件材料的影响工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。在材料的强度、硬度相近的情况下，材料的塑性越大。韧性越大，则切削力越大。◆塑性大的材料在切削过程中将产生较大的塑性变形和加工硬化，且切削与前刀面的接触时间长，故切削力较大；◆韧性大的材料，使之发生变形或破坏需消耗较多的能量，故切削力较大。切削脆性材料时，一般皆为崩脆切削，从而切削与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。（2）切削用量的影响1)切削深度和进给量的影响切削深度ap进给量fAD↑↑↑↑变形抗力摩擦力切削力↑ap增大一倍，FC也增大一倍；而f增大一倍，FC只能增大68%～86％。由此可见，从减小切削力和节省动力消耗的观点出发，在切除相同余量的条件下，增大f比增大ap更为有利。2)切削速度的影响切削塑性材料时切削塑性材料，切削速度的影响分为两个阶段：有积屑瘤和无积屑瘤两个阶段。切削速度是通过影响切削变形程度来影响切削力，切削变形大，则切削力大。切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。υc对切削力没有显著影响。3)刀具几何参数的影响①前角ro对切削力的影响;↑刀刃锋利↑↓前角go切削变形切削力对塑性材料对脆性材料影响较小前角对切削力的影响ap=4mmf=0.25mm/r②主偏角kr对切削力的影响rFFDPcosrFFDfsin（a）当时，主切削力F随着Kr增加而减小。0r（b）当时，kr大时，主切削力F随着Kr增加而增大。0rKr越大，切削宽度aw越小，切削厚度ac越大，因此切削力越小。切削脆性材料时，切削力始终随着Kr的增加而减小。4）其它因素的影响1）刀具磨损越大，将增加切削力；2）使用切削液，将减小切削力。六、切屑热和切削温度1、切削热的产生与传导切削热产生于三个变形区，切削热来源于两个方面：一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量；二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。切削过程中消耗的功将绝大部分转化成（约99%）转换为热量，即切削热。切削热Q≈Fzvc切削热传出：(1)通过工件传出Qg，使工件温度升高(2)通过切屑传出Qx，使切屑温度升高(3)通过刀具传出Qd，使刀具温度升高(4)通过周围介质传出Qj对车、铣、刨削加工，50～86％由切屑带走，10～40％传入刀具，3～9％传入工件，1％传入空气;钻削时，28％由切屑带走，15％左右传给工件，50％左右传给刀具，其余由周围介质带走;磨削时，大部分热量传给工件（84％）,传给砂轮12％，而极小比例的热量传给磨屑，因此会使工件温升很高，甚至烧伤工具表面。Q=Qg+Qx+Qd+Qj2.切削温度对切削加工过程的影响切削温度的升高对去切削加工过程的影响主要有以下几个方面：（1）对工件材料物理性能的影响。（2）对道具材料的影响。（3）对工件尺寸精度的影响。（4）利用切削温度自动控制切削用量。3.切削温度的测定方法切削温度的测定方法很多，有热电偶法、热辐射法、远红外法、热敏涂色发等等。但是目前最常用的是：测量方法它包括自然热电偶法和人工热电偶法。自然热电偶法：是利用工件材料和刀具材料化学成分的不同而构成热电偶的两极，并分别连接测量仪表，组成测量电路，刀具切削工件的切削区域产生高温形成热端，刀具与工件为热电偶冷端，冷、热端之间热电势由仪表测定。人工热电偶法：是将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件需要测定温度的指定点上，冷端通过导线串联在电位差计或毫伏表上。（1）切削用量的影响①切削速度的影响a.V↑，摩擦热来不及传导，而是大量集聚在切屑底层，从而使切削温度升高。b.V↑，金属切除率成正比例地增加，所消耗的机械功增大，所以切削热也会增大。而V↑，材料的剪切变形减小，因此单位体积的切削中由塑性变形所产生的热量减少，故切削温度与切削速度不成正比例关系。4、影响切削温度的因素②进给量的影响a.f↑,金属切除率增多，切削温度升高，b.f↑，切屑的平均变形减小，因此切除单元体积切削的变形功有所减少，从而使热量又有所减小。c.f↑，切削厚度增加，切屑的热容量也增大，由切屑带走的热量增加。d.f↑，由于切屑与前刀面的接触区长度增长，改善了散热条件。故切削区的平均温度上升的不显著，当进给量增大一倍时，切削温度约升高10％。③切削深度的影响（1）ap↑,切削层金属的变形功与摩擦功都成正比的增加，切削热也会成正比的增加；（2）ap↑，切削刃参加工作长度也成正比地增长，从而改善了散热条件。故切削深度对切削温度地影响很小，当切削深度增加时，切削温度的升高并不明显。（2）工件材料的影响①硬度和强度的影响工件材料的硬度、强度越高，切削时所消耗的功越多，产生的切削热也越多，切削温度就越高。②导热系数的影响工件材料导热系数越低，切削区热量的传出越少，切削温度就越高。③抗拉强度和延伸率的影响脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切削呈崩脆切削，与前刀面的摩擦也很小，所以产生的切削力较小，切削温度一般比切削钢料时低。（3）刀具几何参数的影响①前角γ0的影响γ0↑→变形程度↓→F↓→q↓但γ0＞18°～20°时，因散热体积↓，q随前角的增大而上升。故前角不宜过大。②主偏角κr的影响κr↑，切削刃的工作长度↓，且刀尖角减小，使散热面积↓→q↑反之，减小主偏角，对降低切削温度和提高刀具耐用度是有利的。由于加工材料性质的不同以及切削条件的不同，从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态：切塑性材料带状切屑挤裂切屑单元切屑切削平稳，力波动小滑移量较大，局部切削不平稳，力波动大加工面光洁，断屑难剪应力达断裂强度加工表面粗糙少见↑γ0↑v↓ac↓γ0↓v↑ac↓γ0↓v↑ac↑γ0↑v↓ac二、切屑的形态切脆性材料不平稳，表面粗糙应↑γ0↑v↓ac2、挤裂切屑：又称节状切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。1、带状切屑：它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。（一）、切屑的类型4、崩碎切屑：加工脆性材料（铸铁、青铜），切削厚度越大越易得到这类切屑。3、粒状切屑：又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。（二）、切屑的形状1、切屑形状的分类切屑的形状大体有带状屑、C型屑