金属切削过程及其变形规律

第三章金属切削过程及其变形规律金属切削原理与刀具目录•3.1切屑的形成过程•3.2切削力和切削功率•3.3切削热和切削温度•3.4刀具磨损和破损•3.5已加工表面的形成•3.6小结退出第一节切屑的形成过程目录•3.1.1切屑形成的力学模型和变形区的划分•3.1.2第一变形区的变形及其简化•3.1.3第二变形区的变形•3.1.4变形程度的表示方法•3.1.5切屑的类型与折断•3.1.6切屑变形的变化规律返回目录1.切屑的形成•金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。ABEGH′F′C′DHFCG′vcE′B′切削层刀具工件切屑前刀面φ3.1.1切屑形成的力学模型和变形区的划分2.切屑形成的力学模型•在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff，在剪切面上也有一个正压力Fns和剪切力Fs，这两对力的合力应该互相平衡。FnsFsF′rFrFnFfγoφββ-γo(a)(b)FsFnsFfFnvc3.1.1切屑形成的力学模型和变形区的划分刀具βFfFnFnsFsFcFpφγoβ-γovc切屑工件Frsrocos()FFγsDroocos()sincos()FAFγγcrocos()FFγprosin()FFγ3.1.1切屑形成的力学模型和变形区的划分3.变形区的划分AMOⅢⅡⅠ3.1.1切屑形成的力学模型和变形区的划分1.第一变形区内金属的剪切变形3.1.2第一变形区的变形及其简化AMψhDhch刀具(a)(b)(c)BAA''B''A'B'2.剪切角的计算•1)麦钱特(M．E．Merchant)公式求微商，并令，可求出Fr为最小值时φ之值。Drosincos()AFrd0dFoπ4223.1.2第一变形区的变形及其简化2)李和谢弗(LeeandShaffer)公式•也称为切削第一定律，是根据主应力方向与最大切应力方向之间的夹角为45°的原理来计算剪切角。oπ43.1.2第一变形区的变形及其简化•(1)当前角γo增大时，φ角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的。•(2)当摩擦角β增大时，φ角随之减小，变形增大。因此在低速切削时，采用切削液以减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。oπ43.1.2第一变形区的变形及其简化1.第二变形区内金属的挤压变形3.1.3第二变形区的变形bmM刀具Aa2.前刀面上的摩擦刀具工件切屑vc12σmaxslflf2lf1nfγγfγγγfγFτAτμFσAσ3.1.3第二变形区的变形1－单位切向力分布曲线2－正应力分布曲线lf－刀具－切屑接触区长度lf1－粘结黏结区长度lf2－滑动区长度3.积屑瘤3.1.3第二变形区的变形•切削钢、球墨铸铁、和铝合金等塑性金属时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊(黏结)并层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，它能够代替刀面和切削刃进行切削，这个楔块称为积屑瘤。积屑瘤的硬度可达工件材料硬度的2～3.5倍。工件切屑刀具积屑瘤ⅠⅡⅢⅢⅣvc/(m/s)Hb/mm3.1.3第二变形区的变形•在Ⅰ区里形成粒状切屑或节状切屑，这时没有积屑瘤出现。•在Ⅱ区里形成带状切屑。有积屑瘤生成；积屑瘤的高度随着切削速度的提高而增大，同时积屑瘤前端越来越象像楔子，越来越深入地楔入切削层与工件之间。当切削速度增大到Ⅱ区的右边界时，积屑瘤的高度达到最大值。3.1.3第二变形区的变形•在Ⅲ区里，积屑瘤的高度随着切削速度的提高而减小，而且积屑瘤的顶部越趋于与前刀面平行。当v增大到Ⅲ区右边界之值时，积屑瘤便消失。•在Ⅳ区里积屑瘤不再生成，此时切屑底层高度纤维化，纤维的方向几乎与前刀面平行。这样的切屑底层称为滞流层。γbHbΔhDhD刀具工件积屑瘤vcⅠⅡⅢⅢⅣvc/(m/s)Hb/mm•积屑瘤对加工的影响有以下几个方面：•(1)稳性的积屑瘤可以代替切削刃和前刀面进行切削，从而保护切削刃和前刀面，减少刀具的磨损；•(2)积屑瘤的存在使刀具在切削时具有更大的实际前角，减小了切屑的变形，切削力下降；•(3)积屑瘤具有一定的高度，其前端伸出切削刃之外，使实际的切削厚度增大；•(4)在切削过程中积屑瘤是不断的生长和破碎的，所以积屑瘤的高度也在不断变化，导致了实际切削厚度的地不断变化，引起局部过切，使零件的表面粗糙度增大。同时部分积屑瘤的碎片会嵌入已加工表面，影响零件表面质量；•(5)不稳定的积屑瘤不断地生长、破碎和脱落，积屑瘤脱落时会剥离前刀面上的刀具材料，造成刀具的磨损加剧。3.1.3第二变形区的变形•避免积屑瘤产生的常用的方法有：•(1)选择低速或高速加工，避开容易产生积屑瘤的切削速度区间。例如，高速钢刀具采用低速宽刀加工，硬质合金刀具采用高速精加工；•(2)采用冷却性和润滑性好的切削液，减小刀具前刀面的粗糙度等；•(3)增大刀具前角，减小前刀面上的正压力；•(4)采用预先热处理，适当提高工件材料硬度、降低塑性，减小工件材料的加工硬化倾向。3.1.3第二变形区的变形1.相对滑移•当平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，在切削过程中，这个相对滑移，可以近似地看成是发生在剪切面NH上。剪切面NH被推移到PG的位置，故有3.1.4变形程度的表示方法vcMKPNGHOγoφ-γoφΔyΔs刀具工件切屑ΔsNPNKKPεΔyMKMKocottan()•可知在刀具的前角一定的情况下，相对滑移仅与剪切角φ有关。2.变形系数•切屑厚度hch与切削层厚度hD之比，称为厚度变形系数•切削层长度lD与切屑长度lch之比，称为长度变形系数3.1.4变形程度的表示方法φMOhchγohDlDlch刀具工件切屑DchllΛlchDhhΛh•切削层变成切屑后宽度的变化很小，根据体积不变原理•变形系数是大于1的数，它直观地反映了切屑变形程度，并且比较容易测量。3.1.4变形程度的表示方法1hΛΛΛ3.相对滑移与变形系数的关系•(1)变形系数并不等于相对滑移。•(2)当Λ≥1.5时，对于某一固定的前角，相对滑移与变形系数成正比。•(3)当Λ=1时，即hD=hch，相对滑移并不等于零，因此，切屑还是有变形的。•(4)当γo=15°～30°，变形系数即使具有同一的数值，倘若前角不相同，相对滑移仍然不相等，前角愈小，ε就愈大。•(5)当Λ＜1.2时，不能用Λ表示变形程度。原因是：当Λ在1～1.2之间，Λ虽减小，但ε却变化不大。3.1.4变形程度的表示方法2oo2sin1cosΛΛΛ1.切屑的基本类型3.1.5切屑的类型与折断带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑•前三种切屑是切削塑性金属时得到的。最常见到的是带状切屑，当切削厚度大时得到节状切屑，单元切屑比较少见。在形成节状切屑的情况下，进一步减小前角，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。切屑的形态是可以随切削条件而转化的。2.切屑的控制3.1.5切屑的类型与折断•1)切屑的形状带状屑C形屑崩碎屑宝塔状卷屑长紧卷屑发条状卷屑螺卷屑3.1.5切屑的类型与折断•2)卷屑和断屑(a)圆弧形卷屑槽工件OB刀具AERcRnWnγbγoγb刀具工件ABOEClfαα/2WnRc(b)直线型卷屑槽3.1.5切屑的类型与折断(a)碰到后刀面折断(b)发条状切屑碰到工件折断(c)C形切屑碰到工件折断F工件刀具F工件刀具F工件刀具后刀面RcRc’•影响断屑的因素还有工件材料、刀具角度、切削用量等。•(1)被切削材料的屈服极限愈小，则弹性恢复少，愈容易折断；•(2)被切削材料的弹性模量大时，也容易折断；•(3)被切削材料塑性愈低，愈容易折断；•(4)切削厚度hD愈大，则应变增大，容易断屑，而薄切屑则难断；•(5)背吃刀量ap增加，则断屑困难增大；•(6)切削速度v提高时，断屑效果降低；•(7)刀具前角γo愈小，切屑变形愈大，容易折断。3.1.5切屑的类型与折断3.1.6切屑变形的变化规律1.工件材料1－002－103－154－20Cr5－206－9Cr7－T8-18－309－2Cr1310－40CrWSi11－35Cr3MoNi12－4013－6014－5015－18CrNi316－1Cr18Ni9Ti17－T818－T1219－35CrNi316543212345678910111213141516171819Λh300400500600700800900σb/MPa3.1.6切屑变形的变化规律表3-1不同材料的摩擦系数μ工件材料σb/MPaHBShD/mm0.10.140.180.22铜213550.780.760.750.7410钢3621020.740.730.720.7210Cr4801250.730.720.720.711Cr18Ni9Ti6341700.710.700.680.67工件材料的强度和硬度增大，变形系数减小。这是由于工件材料的强度和硬度增大，使前刀面上的法向应力σav增大，摩擦系数μ减小，摩擦系数μ减小，摩擦角β减小，剪切角φ增大，所以变形系数减小。3.1.6切屑变形的变化规律2.刀具•刀具几何参数中影响变形系数最大的是前角γo。实验结果表明：•(1)刀具前角γo越大，变形系数越小。020406080100120140v/(m/min)654321hγo=0°γo=15°γo=30°3.1.6切屑变形的变化规律•(2)刀具前角γo越大，摩擦系数μ越大。•一方面由于前角γo增大，剪切角φ增大，变形系数减小，这是前角γo对变形的直接影响。•另一方面前角γo还通过摩擦角β间接的影响变形程度。即前角γo增大，作用在前刀面上的法向应力σav减小，摩擦角β增大，剪切角φ越小，变形增大。但是这种间接影响小于直接影响，所以前角γo增大时，变形系数还是减小。3.1.6切屑变形的变化规律3.1.6切屑变形的变化规律3.切削用量•1)切削速度v的影响ap=2mmap=4mmap=12mm04080120160200240280v/(m/min)2.42.01.6Λh无积屑瘤区有积屑瘤区消退生长3.1.6切屑变形的变化规律•2)进给量f的影响•当v比较低时，曲线有驼峰。这是由于积屑瘤的消长和切削温度的影响导致的。3.1.6切屑变形的变化规律•3)背吃刀量ap的影响•ap对变形系数的影响很微小。ap=2mmap=4mmap=12mm04080120160200240280vc/(m/min)2.42.01.6Λh无积屑瘤区有积屑瘤区消退生长第二节切削力和切削功率目录•3.2.1切削力的来源•3.2.2切削合力、分力及功率•3.2.3切削力的测量•3.2.4切削力经验公式的建立•3.2.5影响切削力的因素返回目录3.2.1切削力的来源刀具塑性抗力弹性抗力工件塑性抗力切屑弹性抗力apFfαFfγvc•切削力来源于三个方面•(1)克服被加工材料弹性变形的抗力；•(2)克服被加工材料塑性变形的抗力；•(3)克服切屑对刀具前刀面、工件过渡表面和已加工表面对刀具后刀面的摩擦力。1.切削合力和分力•F可以分解为相互垂直的三个分力，即进给力Ff、背向力Fp和切削力Fc3.2.2切削合力、分力及功率FcFFDFpFfvcvfve22222cpcDfFFFFFF2.切削功率•单位时间消耗在切削过程中的功称为切削功率Pc3.2.2切削合力、分力及功率3wccc101000fnfPFvF•进给运动相对于主运动消耗的功很少(小于1%～2%)，可以忽略不计3ccc10PFv1.间接测量法•在没有专用测力仪器的情况下，可以使用功率表测出机床电动机在切削过程中所消耗的功率PE后，按公式PE≥•计算出Pc。在切削速度已知的情况下，利用公式•计算出Fc。这种方法只能粗略的估算出切削力的大小。3.2.3切削力的测量3ccc10PFvccP2.直接测量法•测力仪是测