金属切削过程

切削变形与切削的形成、切削的类型、切削变形程度的表示、积屑瘤、已加工表面的形成过程、影响切削变形的因素。【重点】切削变形、切削力、切削热、刀具磨损第3章金属切削过程3.1金属切削过程3.2切削过程的基本规律切削力、切削热与切削温度、刀具磨损学习目的与要求：1、了解金属切削基本原理，掌握金属切削变形过程规律。2、了解三个切削变形区的变形特点和切屑类型。3、了解影响切削变形的因素。4、掌握切削力、切削热、刀具磨损等概念。3.1.1切削变形与切屑的形成直角切削图3-1直角、斜角自由切削与不自由切削a）直角切削b）斜角切削c）不自由切削自由切削：只有一条直线切削刃参加切削，没有副刃。切削刃与切削速度方向垂直，即刃倾角λs为0。切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。FABOM45°a）正挤压FABOM45°b）偏挤压OMFc）切削正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。图3-2金属挤压与切削比较挤压与切削1、切削变形的本质金属切削过程视频M刀具终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角MOA切屑图3-3切屑根部金相照片金属切削变形过程材料在OA之前只发生弹性变形，从OA线开始产生剪切滑移塑性变形，到OM线剪切滑移基本完成。OM之后的材料已成为切屑，并沿前面流出。1、切削变形的本质：是被切削层金属在刀具切削刃和前刀面作用下，因受挤压而产生剪切滑移变形转变为切屑的过程。ⅠⅢⅡMAO在OA到OM之间的区域为第一变形区，在一般切削速度范围内OA到OM的距离只有0.02~0.2mm，可用一个面表示，称为剪切面，剪切面和切削速度方向之间夹角称为剪切角，以φ表示。剪切角的大小反映切削变形的大小，剪切角越大，切削变形越小。刀具前角越大，剪切角越大。第一变形区是切屑形成的主要区域，是切削抗力和切削热的主要来源。减少切削变形的目的是降低切削抗力和切削温度。第Ⅰ变形区：即剪切变形区，金属在该区剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。ⅠⅢⅡ第Ⅲ变形区：已加工面金属回弹受到后刀面挤压与摩擦，产生变形和加工硬化。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。直接影响已加工表面的质量。三个变形区分析第Ⅱ变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦，在切屑底层产生的变形区。该区又可分为两个区域，前段靠近切削刃为粘结区，由于高温高压作用使切屑底层材料软化粘结在前刀面上形成粘结区。后段切屑即将脱离前刀面时为滑动区，切屑底层与前刀面仅有凸出的点接触。第二变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。2、切屑的三个变形区MAO切屑的形成图3-4金属切削过程中的滑移线和流线3.1.2切屑类型形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低，进给量大加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表3-1切屑类型及形成条件切屑类型视频带状切屑挤裂切屑粒状切屑崩碎切屑图3-5切屑形态照片切屑控制为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图3-6）图3-6切屑的卷曲图3-7断屑的产生断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图3-7）切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。变形系数3.1.3切削变形程度的表示图3-8切屑厚度压缩比ξh的计算chDDchhllhhΛξ（切屑厚度压缩比ξh）当γ0=0～30°，ξh≥1.5时，ξh与ε相近ε主要反映第Ⅰ变形区的变形，ξh还包含了第Ⅱ变形区的影响。OMφγ0图3-9相对滑移系数)cos(sincos00yS（3-3）相对滑移系数粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。图3-10切屑与前刀面的摩擦在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfi两个摩擦区lfo3.1.4积屑瘤摩擦特点积屑瘤的形成（积屑瘤视频）图3-11积屑瘤高度及其实际工作前角由于刀屑接触面很洁净，切削塑性材料时，在黏结摩擦的作用下，当前刀面的温度和压力适宜时，切屑底层金属黏结在前刀面的刃口附近，形成硬度很高的一个楔块，称为积屑瘤。通常是工件硬度的2～3倍。在加工过程中，积屑瘤的高度是逐层积聚的，到一定高度后，受振动或外力作用会脱落，加工时积屑瘤是一个生成、长大、脱落的周期性过程。由于切屑瘤改变了切削层厚度，并且不稳定，脱落时嵌入工件，破坏表面质量和加工精度，精加工要避免积屑瘤的产生。（1）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)积屑瘤脱落嵌入工件，直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。（2）影响积屑瘤的因素：1）工件材料的塑性；塑性大，切削温度高易形成积屑瘤。正火或调质处理可避免积屑瘤的生成。2）切削速度；用低速或较高速切削时，不易产生积屑瘤。3）刀具前角；增大前角，可减少切屑变形，降低切削温度，抑制积屑瘤的产生。4）冷却润滑条件。用切削液可降低切削温度和摩擦，抑制积屑瘤的产生。图3-12切削速度对积屑瘤的影响脆性材料不易产生积屑瘤。提高切削速度是控制切屑瘤的最有效的方法（视频）。第Ⅲ变形区是已加工表面的变形区，经切削产生的变形使得已加工表面的金属晶格产生扭曲、挤紧和碎裂，造成已加工面加工硬化。硬化层表面上出现细微的裂纹，并在表层内产生残余应力，降低了表面加工质量，增加了后续加工的难度，加速刀具磨损。3.1.5已加工表面的形成过程鳞刺是已加工表面上的一种鳞片状行毛刺，它对表面粗糙度有严重的影响。通常在以较低的切削速度对塑性金属进行加工时，可能出现鳞刺。采用高速切削、减少切削厚度、使用润滑性能好的切削液等措施，可抑制鳞刺。脆性材料切削过程◆大规模挤裂与小规模挤裂交替进行a）b）c）d）e）硬脆材料切削过程视频a）大规模挤裂（大块破碎切除）b）空切c）小规模挤裂（小块破碎切除）d）小规模挤裂（次小块破碎切除）e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）3.1.5影响切削变形的因素1、工件材料（工件材料强度、硬度越大，切削变形越小）2、刀具前角和刀尖圆弧半径（前角越大，切削刃越锋利，对切削层的金属的挤压也就越小，剪切角就越大，切削变形也越小。刀尖圆弧半径增大时，切削变形增大。）3、切削速度（切削速度主要是通过积屑瘤和切削温度使剪切角变化而影响切削变形的。切削速度在8～22m/min时，切削速度增加，积屑瘤增大，刀具实际前角增大，切削变形减小。切削速度在22～55m/min时，切削速度增加，积屑瘤减小，刀具实际前角减小，切削变形增大。切削速度在大于55m/min时，切削速度增大，切削层金属变形不充分，切削变形减小。）4、切削厚度（切削厚度增大，摩擦系数减小，剪切角增大，切削变形减小。）3.2切削过程的基本规律3.2.1切削力切削过程中由工件作用在刀具上的切削抗力称为切削力。切削力来源于三个变形区的弹性、塑性变形产生的抗力和刀具与切屑、工件表面的摩擦力。切削力可分解为三个互相垂直的分力：（1）主切削力Fc(切向力，垂直于基面，与主切削速度方向一致的分力。用于计算刀具强度，确定机床功率等。)（2）吃刀抗力Fp（也称背向力、径向力，在基面内，与进给方向垂直，是沿吃刀方向的分力。是产生切削振动的主要作用力。）（3）进给力Ff(轴向力，在基面内，与进给方向平行，是沿进给方向即轴向的分力。用于验算进给机构强度。)3.2切削过程的基本规律κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv图3-14切削力的分解切削力来源★3个变形区产生的弹、塑性变形抗力★切屑、工件与刀具间摩擦力切削力分解F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力总切削力的分解rPDFFcosrDfFFsincfcpFFF.~.F0.6)~(0.10)70150(22222fPCDCFFFFFFpfpfpf为了便于测量、研究和计算，将切削力分解为三个互相垂直的分力。•切削力•背向力•进给FCFCFCFCFCKnnCXCSPvfaFCFpFPFPFPKnXCFPCSPnfaFpvFfFfFfFfFfKnnXCCSPvfaFf切削力经验公式(指数公式)式中CFc,CFp,CFf——与工件、刀具材料有关系数；xFc,xFp,xFf——切削深度ap对切削力影响指数；yFc,yFp,yFf——进给量f对切削力影响指数；nFC,nFP,nFf——考虑切削速度KFc,KFp,KFf——实验条件与计算条件不同时的修正系数。公式中的系数和指数可根据切削条件从工艺手册中查出。ppp式中Fc——主切削力（N）；v——主运动速度（m/s）。310()ccPFvKW切削功率Fc单位切削力切除单位切削层面积的主切削力p===FcAcFcap·fhD·bD机床电机功率单位切削功率式中η——机床传动效率，通常η=0.75～0.8563010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW指单位时间切除单位体积V0材料所消耗的功率3.2.2影响切削力的因素1、工件材料的性能对切削力有显著的影响。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。在强度、硬度相近时，材料的塑性、韧性越大，则摩擦系数越大，切削力也就越大。另外，加工硬化程度大，切削力也增大。2、切削用量对切削力的影响。1）背吃刀量ap和进给量f对切削力的影响;背吃刀量ap进给量fAc↑↑↑↑变形抗力摩擦力切削力↑切削面积◆切削深度与切削力近似成正比；◆进给量增加，切削力增加，但不成正比；◆切削速度对切削力影响复杂。吃刀量和进给量的增加，都使切削面积增加，但进给量的增加使变形程度减小，切削层单位面积切削力减小，故切削力有所增加，但不成正比。而背吃刀量增加时，单位面积切削力不变，切削力成正比增加。实验证明，背吃刀量增大一倍，切削力增大一倍。进给量加大一倍，切削力增加不到一倍。因此生产中常用增大进给量来提高生产率。519283555100130切削速度v（m/min）981784588主切削力Fc（N）图3-15切削速度对切削力的影响2）切削速度对切削力的影响积屑瘤的存在与否，决定着切削速度对切削力的影响情况：在积屑瘤生长阶段，切削速度增加，积屑瘤高度增加，变形程度减小，切削力减小。积屑瘤减小阶段，切削速度增加，积屑瘤减小使切削力增大。在无积屑瘤阶段，切削速度增加，切削温度升高，前刀面的摩擦减小，变形程度减小，切削力减小。生产中常用高速切削来提高生产率。切削脆性材料时，因塑性变形很小，前刀面上的摩擦也很小，所以切削速度对切削力无明显影响。影响切削力的因素刀具几何角度影响◆刃倾