金属切削原理与道具第三章金属切削的变形过程

金属切削原理与刀具——山东理工大学机械工程学院李志永2015年2月研究切削变形的意义和方法第三章金属切削的变形过程本章主要内容切削层的变形前刀面的挤压和摩擦积屑瘤切屑变形规律切屑的类型、卷曲和折断爱国者导弹§3.1研究金属切削变形过程的意义和方法研究金属切削变形过程的意义认识和掌握金属切削的规律，用以提高切削效率、降低成本、保证质量。19世纪以来，大批学者从不同方面进行研究，科学地揭示和解释了金属切削过程的种种现象和规律。各行业对机械产品的需求促使人们不断地探索和研究新问题。研究过程采用了多种方法侧面变形观察法、高速摄影法快速落刀法、扫描电镜显微观察法等切削变形实验设备与录像装置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线以上金属由于母体阻碍，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。金属挤压与切削比较§3.2金属切削层的变形挤压与切削（塑性材料切削为例）第Ⅰ变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。切削部位三个变形区ⅠⅢⅡ第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。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。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。此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。§3.2金属切削层的变形切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角第一变形区的剪切变形§3.2金属切削层的变形大小？第Ⅰ变形区的剪切变形程度分析OMφγ0相对滑移系数)cos(sincos00yS相对滑移系数剪切面与切削速度之间的夹角。剪切角：φ§3.2金属切削层的变形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。LchLD切屑与切削层尺寸◆厚度变形系数chhcaa◆长度变形系数DLchLL变形系数◆自由切削宽度变形可忽略Lh§3.2金属切削层的变形当=0～30°，≥1.5时，与ε相近。ε主要反映第Ⅰ变形区的变形，还包含了第Ⅱ变形区的影响。剪切角与变形系数的关系sin(90)cos()sinsinchoocaOMaOM相对滑移与变形系数的关系22sin1cosooo变形系数求法γ0φ§3.2金属切削层的变形§3.3前刀面的挤压与摩擦及其对切削变形的影响强烈的挤压与摩擦切屑底层纤维化，流动缓慢甚至停滞切屑弯曲第二变形区特点由摩擦而产生的热量使接触区域温度升高本变形区的变形也影响第一区变形切削部位三个变形区§3.3前刀面的挤压与摩擦及其对切削变形的影响作用在切屑上的力取切屑为隔离体，作用在剪切面和底面的力平衡直角自由切削时各力的作用角度如图切削层面积：剪切必需的力：ccwAaasinscFA作用在切屑上的力前刀面切平面§3.3前刀面的挤压与摩擦及其对切削变形的影响作用在切屑上的力两处作用力平衡，汇集于刀刃前方如图由几何关系得：cos()sroFFcos()sincos()rsocoFFA理论切削力（合力）：理论切削力计算§3.3前刀面的挤压与摩擦及其对切削变形的影响()44oLeeandShaffer公式：剪切角与前刀面摩擦角的关系根据材料力学结论：主应力方向（Fr）与最大剪应力方向的夹角为。44o由LeeandShaffer公式知：↑→↑→切削变形↓——应尽量增大↑→↓→切削变形↑——应尽量减小该公式仅是理论分析。只能定性地解释问题，定量上有出入oo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。前刀面的摩擦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粘接，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。lfolfi特点两个摩擦区11fsfsnavfavFAFAs前刀面的摩擦外摩擦特性内摩擦特性外摩擦力与摩擦系数和正压力有关与接触面积无关。内摩擦系数为变值。§3.3前刀面的挤压与摩擦及其对切削变形的影响摩擦系数为定值。影响前刀面摩擦系数的主要因素工件材料、切削厚度ac、切削速度v、刀具前角o切屑与前刀面的摩擦工件材料剪切屈服强度内摩擦部分的平均正应力，与多种因素有关，为变值积屑瘤形成加工塑性材料§3.4积屑瘤的形成及其对切削的影响切屑刀具切屑的分离和积屑瘤积屑瘤形成连续切屑一定的切线速度,温度压力条件积屑瘤特点属于强烈塑性变形的工件材料内摩擦、粘接、高硬度积屑瘤的影响实际前角增大增大切削厚度粗糙度值增大影响刀具耐用度抑制积屑瘤的办法：p45(5种办法)切削速度与积屑瘤和变形系数的关系§3.4积屑瘤的形成及其对切削的影响切削45钢时切削速度与积屑瘤、、粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428变形系数1.52.02.53.0积屑瘤高度h（μm）0200400600hRz工件材料影响切削变形§3.5切削变形的变化规律工件材料硬度HB↑→↓→↑→↓实验结果见图3-23前角影响切削变形↑→↓实验结果见图3-24o切削速度影响切削变形↑→↓（无积屑瘤的速度范围内）实验结果见图3-25v切削厚度影响切削变形↑→↓（无积屑瘤的速度范围内）实验结果见图3-26f有积屑瘤的速度范围内，切削速度通过积屑瘤形成的实际影响。o实际↑→↓o切屑类型带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑切屑形态照片§3.6切屑类型及其变化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切屑类型及形成条件§3.6切屑类型及其变化切屑控制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。切屑的卷曲断屑的产生断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）。§3.7切屑的卷曲与折断关于切屑的希望为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，希望得到C状切屑。有时希望得到发条状或短螺卷状切屑。§3.7切屑的卷曲与折断切屑的折断切削过程中变形程度超过了材料的断裂应变造成折断。多数情况下切屑的卷曲变形不足以使切屑折断。需用断屑台或卷屑槽使切屑产生附加变形撞到工件或后刀面折断。螺卷状切屑甩断。卷屑槽形状（图3-35）3.1.4已加工表面的变形σn切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第Ⅲ变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDΔhDΔhACFE图3-12已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。变形原因变形情况应力分布ττ3.1.5硬脆非金属材料切屑形成机理G＞GC（3-4）式中G——裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能释放率）；GC——裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩展阻力）。K1＞K1C（3-5）式中K1——应力强度因子；K1C——K1临界值。脆性断裂条件对于Ⅰ型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：3.1.5硬脆非金属材料切屑形成机理脆性材料切削过程◆大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13）a）b）c）d）e）图3-13硬脆材料切削过程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）flashflash3.1.6磨削机理★磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为－60～－85°）★磨粒及切削刃随机分布★磨削厚度小（＜几μm），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000℃以上）磨削特点3.1.6磨削机理磨屑形成过程★弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件★塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生★切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有图3-14磨屑形成过程a）平面示意图b）截面示意图