金属切削过程

第3章金属切削过程§3.1切屑的形成过程§3.2切削过程中的三个变形区§3.3切削变形的表示方法§3.4剪切角§3.5前刀面上的摩擦与积屑瘤现象§3.6影响切屑（削）变形的因素§3.7切削类型及其控制§3.1切屑的形成过程切屑究竟是如何被切下来的呢？根据实验结果发现，切屑是被切材料受到刀具前刀面的推挤，沿着某一斜面剪切滑移形成的。如图3.1所示。图3.1切削过程示意图图中未变形的切削层AGHD可看成是由许多个平行四边形扁块组成的，如ABCD、BEFC、EGHF…当这些平行四边形扁块受到前刀面的推挤时，便沿着BC方向向斜上方滑移，形成另一些扁块，即ABCD→、BEFC→、EGHF→…由此不难看出，切削层是靠前刀面的推挤与滑移而来的。金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面的推挤后产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。这非常类似于材料力学试验中材料的压缩破坏之情况。图3.2给出了压缩变形破坏与切削变形二者的比较。''ABCD''''BEFC''''EGHF图3.2(a)试件受到压缩变形破坏之情况。此时，试件产生剪切变形，其方向约与作用力F方向成45℃。当作用力F增加时，在DA、CB线的两侧还会产生一系列滑移线，但分别交与Ｄ、Ｃ处。图３.２（b）切削时，工件上DB线以下还有基体材料的障碍，故DB线以下的材料将不发生剪切滑移变形，即剪切滑移变形只在DB线以上沿DA方向进行，DA就是切削过程的剪切滑移线。当然，由于刀具有前角及工件间有摩擦作用，切削滑移变形会比较复杂罢了。图3.2压缩变形与切削变形的比较§3.2切削过程中的三个变形区切削过程的实际情况要复杂得多。因为切削层金属受到刀具前刀面的推挤产生剪切滑移变形后，还要继续沿着前刀面流出变成切屑。在这个过程中，切削层底层金属要产生一系列变形，通常将其划分为三个变形区（图3.3）。图3.3切削滑移线与三个变形区示意图图3.3中的Ⅰ区（AOM）为第一变形区。在AOM内将产生剪切滑移变形。在Ⅱ区，切屑沿前刀面流出时将进一步受到前刀面的挤压和摩擦，靠近前刀面的金属纤维化方向基本与前刀面平行，此区称第二变形区。Ⅲ区是已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦与回弹，造成纤维化与加工硬化区，此区称第三变形区。3.2.1第一变形区正如图3.4所示，图中OA、OB、OM均为剪切等应力线，OA线上的应力，OM线的应力达最大。smax图3.4第一变形区金属的滑移当切削层金属的某点P向切削刃逼近到达点1位置时，由于OA线上的剪应力已到达材料屈服强度，故点1在向前移动到点的同时还要沿OA线滑移到点2，即合成运动的结果将使点1流动到点2，则为滑移量。由于塑性变形过程中材料的强化，不同等应力线上的应力将逐渐增大，OM线上的应力已达最大值，故点2流动至点3处，点3再流动至4处，此后流动方向就与前刀面基本平行而不再沿OM线滑移了，即终止了滑移，故开始滑移的OA线称始滑移线，称OM线为终滑移线。OA与OM线所组成的区域即为第一变形区，该区产生的是沿滑移线（面）的剪切滑移变形。s'22max'2•在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02~0.2mm，切削速度越高，其宽度越小，故可看成一个平面，称剪切面。在切削理论研究和实践中应用较广。•剪切面与切削速度间的夹角，称剪切角，以表示。•当切削层金属沿剪切面滑移时，剪切面滑移时间很短，滑移速度很高，切削速度与滑移速度的合成速度即为切屑流动速度。•在观察切屑根部金相照片(图3.5)时，可看到切屑明显呈纤维状，但切削层在进入始滑移线前，晶粒是无方向性的圆形，而纤维状是它在剪切滑移区受到剪切应力作用变形的结果（图3.6）。svchvcvsv图3.6晶粒滑移示意图图3.7:晶粒一旦沿OM线开始滑移，圆形晶粒受到剪切应力变成了椭圆，其长轴与剪切面成角。剪切变形越大，晶粒椭圆长轴方向（纤维方向）与剪切面的夹角就越小，即越接近于剪切面。图3.7晶粒纤维化示意图3.2.2第二变形区切削层金属经过剪切滑移后，切削底层（与前刀面接触层）在沿前刀面流动过程中却受到前刀面的进一步挤压与摩擦，即产生了第二次变形。当然这第二次变形是集中在切削底层极薄一层金属中，且该层金属的纤维化方向与前刀面是平行的。这是由于切削底层金属一方面沿前刀面流动，另一方面还要受到前刀面的挤压摩擦而膨胀，使得切削底层比上层拉长造成的。由图3.8可看出，原来的平行四边形扁块单元的底面就被前刀面的挤压给拉长了，使得平行四边形ABCD变成了梯形ACD。许多这样的梯形叠加起来后，切屑就背向底层卷曲了。由于强烈地挤压摩擦，使得切削底层非常光滑，而上层呈毛茸锯齿状。综前所述可知，第一变形区和第二变形区也是相互关联的，前刀面的挤压会使切削层金属产生剪切滑移变形，挤压就越强烈，变形越大，在流经前刀面时挤压摩擦也越大。３.２.3第三变形区因为此变形区位于后刀面与已加工表面之间，它直接影响着已加工表面的质量，故将在已加工表面的形成过程中讲述。'B§3.3切屑变形的表示方法研究切削过程的目的在于找出切屑的变形规律，要说明这些规律，首先必须给出切削变形程度的表示方法。前已述及，切削层金属变形主要是剪切滑移变形，用相对滑移来表示切削层变形程度。３.３.１相对滑移由材料力学知，剪切变形可用相对滑移来表示，如图3.9（a）所示。假定□OHNM受剪切变形后变成□OGPM，其相对滑移可写成刀具切削时的变形如图表示成图3.9（b）的情况，当工件以切削速度向刀具移动时，若无刀具阻碍，点M将移至点N,但由于有刀具的阻碍，切削层只能由MN流动到PM（OH向OG）。此时的相对滑移应是cv（3.1）图3.9剪切变形用能较准确地表示出切削层的变形程度，但它是根据纯剪切计算的，而实际切削过程除剪切外还有挤压作用，故用表示切削层的变形有一定的近似性，且计算较复杂。３.３.２切屑（削）变形系数因为切削过程也类似于金属的挤压变形过程。实际切削过程中，切削层金属受到挤压变形后，切削厚度比切削层变厚，长度比切削层缩短（图３.10），故可用切屑压缩比或变形系数）来表示。图3.10切削变形系数的计算切屑厚度与切削层厚度之比称厚度压缩比（或厚度变形系数）切削层长度与切屑长度之比称长度压缩比（或长度变形系数）一般情况下，切削层宽度方向变化很小，根据体积不变原理，显然可见此法直观简便，故定性分析问题时用得较多。外文文献中常用切削比表示变形且有=1/。chhDhhDlchl1chl1hcrcrchhDhh（3.2）1Dchll（3.3）1h(3.4)3.3.3相对滑移与变形系数间的关系以上两种表示方法各有其缺点，既然均可用来表示大小，两者必然有内在联系。由图3.10知也可改写为sin(90)cos()sinsinchoohDhOMhOM（3.5）sincotcoshoo（3.6）也可改为22sin1cottan()coshhooho（3.7）则由式（3.6）可知，当前角一定时，剪切角增大，变形系数减小。所以也可用剪切角来表示变形大小。oh图3.11表示了相对滑移与变形系数二者间的关系。当=1时，0。即虽从压缩变形看，切屑无变形，但相对滑移仍存在。故只有当＞1.2时，才与成线性关系。图3.11关系hhhhh§3.4剪切角剪切角是剪切滑移面与切削速度间的夹角，它表示出了剪切滑移面的位置。当前角一定时，如前述，将随的增大而减小。用来表达剪切角的关系式不下十几种，但至今还没有一个能完全符合实际情况的。较准确表达的是前苏联学者佐列夫的经验公式。实验证明如下：当切削层厚度=0.1~0.8mm时，前角=0°~20°，切削速度1~2m/min时，剪切角与作用角间的关系大致如图3.12所示，则有hDhocv（3.8）图3.12剪切角的求法式中——合力与间的夹角，称作用角；C——与材料有关的近似常数（表3.1）。cvrF佐列夫虽未指出C的物理意义，但他的经验公式完全符合材料力学中剪切面与主应力方向约成45℃的理论，因此在一定范围内，可用此式计算的近似值。C(3.9)式中——前刀面上的摩擦角（合力与法向力夹角）。又因摩擦系数，所以o(3.10)而tanoC(3.11)从表3.1和式（3.11）可看出：工件材料硬（强）度越高，C值越大，值就越大，当然变形越小；摩擦角越小，前角越大，都会使值变大，而变形减小。此外，麦钱特（M.E.Merchant）根据切削合力最小的原则，对orFnFsincos()DoAF不难看出，尽管以上三式的结果有些出入，但从定性的角度看结果是一致的：（1）当前角增大时，值随之增大，变形系数减小（因为）。可见，在实际切削中，应在保证进行微分dFd=0，得422o（3.12）李和谢夫（Leeandshaffer）根据主应力与最大剪切应力成45℃滑移线场的理论得出4o（3.13）ohsincotcoshoo刀具刃口强度的前提下，尽量增大前角，以改善切削过程。（2）当摩擦角增大时，值随之减小，则增大。因此在摩擦较大的低速切削使用润滑性能好的切削液来减小前刀面的摩擦系数是很重要的。oh§3.5前刀面上的摩擦与积屑瘤现象3.5.1前刀面上的摩擦前刀面上主要是内摩擦。切削过程中，切削底层是刚刚生成的新鲜表面，前刀面在切屑的高温高压下已是无保护膜的新表面，二者的接触区极有可能粘结在一起，以致接触面上切削底层很薄的一层金属由于被粘结而流动缓慢，而上层金属仍在高速向前流动，这样就在切削底层的各层金属之间产生了剪切应力，层间剪切应力之和称内摩擦力。这种现象称为内摩擦。图3.13给出了切削钢料时，前刀面上的刀-屑接触区摩擦情况。可知，整个接触区分为两部分：为内摩擦区（粘结区），为外摩擦区（滑动区）。法向应力在整个接触区从刃口处最大呈曲线下降至零，剪切应力在区为恒定值，在区呈曲线下降至零。根据摩擦系数概念可写成式（3.14）ffnfFAFA（3.14）nF——前刀面上的法向力；fA——刀-屑接触面积。fF——前刀面上的摩擦力；式中1fl2fl1fl2fl随工件材料的硬（强）度、切削厚度、切削速度及刀具前角的变化，在较大范围内变化，因此是个变数，而可看成是常数。据资料介绍，在一般切削条件下，内摩擦力约占全部摩擦力的85%，即前刀面上的刀-屑接触区是以内摩擦力为主，且是变化的，根本不遵循外摩擦定律。在区内，等于工件材料本身的剪切屈服强度，随切削温度的升高而略有下降，如以平均法向力代替，则av1fls1sav(3.15)12cvDho1av3.5.2积屑瘤现象当前刀面上的摩擦系数较大时，即当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度不高又能形成带状屑的情况下，常常会有一些从切屑和工件上下来的金属粘结（冷焊）聚集在刀具刃口及前刀面上，形成硬度很高的鼻形或楔形硬块，能代替刀具进行切削，这个硬块称为积屑瘤。积屑瘤包围着刃口，并将前刀面与切屑隔开，由于它伸出刃口之外，使得实际切削深度增加；由于它代替刀具刃口切削，从而增加了工作前角，使变形减小。但切屑瘤是不稳定的。对已加工表面质量也有很大的直接影响。hoecv§3.6影响切屑（削）变形的因素影响切屑变形的因素固然很多，但归纳起来有三个方面：工件材料、刀具几何参数及切削用量。其影响规律均可用前述的四个关系式得到解释，即1savarctan4ocotcossinhoo3.6.1工件材料工件材料的强（硬）度越高，变形越小。因为工件材料的强度越高，前刀面上的法向应力越大，摩擦系数越小，摩擦角越小，剪切角越大，变形越小。切削试验也证明：工件材料的强度越高，摩擦系数越小（表3.2）；工件材料的强度越高，变形越小（图3.15）。avh