第三节 金属切削过程的基本规律

第三章金属切削过程的基本规律本章主要内容：介绍切削过程中的切屑形成、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等各种现象的成因、作用与变化规律。重点：各种现象的作用及变化规律。学习本章内容的意义：切削过程基本规律是我们合理使用刀具、夹具、机床，保证加工质量、降低成本、提高生产效率以及促进切削技术的发展等的理论基础。第一节切削变形与切屑形成一、切削变形特点研究切削变形与切屑形成时非常复杂问题，为了便于建立初步概念，下面通过正交自由切削进行简要说明。图3——1所示为切削变形状态图3-1a所示为切削时，切削层的受力及变形情况。切削变形过程：切削层受刀具的正压力Frn摩擦力Fr作用产生塑性变形，当切削层达到切削刃处OA面时，切应力达到材料的屈服强度，切削层产生剪切滑移；切削层移到OM面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形成切屑，然后沿前刀面流出。图3-1b是切削层与切屑根部金相照片，表示了剪切滑移前后的状态。图3-1c剪切变形模型，切削层在OA、OM区域内产生剪切滑移，即晶格在晶面上滑移、晶粒伸长、但滑移与伸长方向并不重合，其夹角为。切屑沿前刀面流出的情况：切屑在前面上也受到挤压和摩擦，进一步加剧了变形，在切屑底部因急剧变形使晶粒拉长呈纤维化。在△hch层内不同高度上的流动速度是变化的，从上往下，流动速度逐渐变小，甚至趋于零，因而称△hch层为“滞留层”。已加工表面的变形：受钝圆弧切削刃的挤压和后刀面的摩擦作用，使已加工表面层△h内，产生严重变形而使晶粒拉长、纤维化、扭曲、甚至碎裂，致使已加工表面产生加工硬化。切削过程存在三个变形区：第一变形区（I）：始滑移面OA与终滑移面OM之间的区域。两面之间的距离为0.02~0.2mm。故将其看作为一个平面，称之为剪切面或滑移面，用psh作为其代号。剪切角：剪切面与切削速度之间的夹角。第二变形区（II）：与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区域。第三变形区（III）：近切削刃处已加工表面层内产生的变形区域。二、切屑形成与切屑类型切屑的形成过程：切屑是在第一变形区内形成的。其形成过程如图3-2所示。(上海科技版P35图3-6、7、9、10、11)变形特征：沿滑移面的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。切屑底面由于受到前刀面的挤压和摩擦，比较平整，而顶面粗糙不平。切屑的类型：按切屑的外形不同分为四种类型1．带状切屑：（图3-3a）外形呈连续的带状，沿前刀面流出。2．节状切屑：(图3-3b)切削层在塑性变形过程中，剪切面上局部位置处剪应力达到材料的屈服极限，使切屑产生局部断裂，当断裂贯穿整个切屑厚度时，发生断裂形成节状。3．粒状切屑：（图3-3c）在剪切面上产生的剪应力超过材料的强度极限，形成的切屑被剪切断裂成颗粒状。4．崩碎切屑：（图3-3d）切削脆性材料时，切削层未经塑性变形，在材料的石墨与铁素体之间疏松界面上产生不规则崩裂，形成崩碎切屑。不同类型切屑的切削过程特点：带状切屑：切削力小，切削过程较稳定，已加工表面粗糙度小；节状、粒状切屑：切削力波动较大，已加工表面粗糙度增大。崩碎切削：切削力小，但有较大的冲击，已加工表面粗糙度较大。注：切削过程中形成不同类型切屑的原因是在切削过程中切削层的变形程度不同。改变切削加工条件，可以改变切削层的变形程度，使之形成较为有利的屑形。例如：切削塑性材料，随着切削速度的提高、进给量的减小和前角的增大，切屑可由粒状或节状转变为带状切屑。切削铸铁时，采用大前角、高的切削速度也可形成长度较短的带状切屑。三、变形程度的表示方法为研究切削变形规律，常用相对滑移、切削厚度压缩比Ah（变形系数）和剪切角的大小来衡量切削变形程度。相对滑移：是指切削层在剪切面上的滑移量。切削厚度压缩比Ah：是表示切屑外形尺寸相对变化量的一个参数。hhllADchchDh＞1（3—1）其中：lD——切削层长度；hD——切削层厚度；lch——切屑长度；hch——切屑长度。且：lD＞lch；hch＞hD；原因：切削层经过剪切滑移后形成的切屑，在流经前刀面时，受到前刀面的摩擦作用，使切屑长度减小，厚度增大，宽度基本不变。剪切角：是在切屑根部金相组织中表示的晶面滑移方向角。（剪切面与切削速度之间的夹角。）Ah=hhDch=sin)cos(OMOMo=sin)cos(o(3-2)由式（3-2）可知，影响切削变形的主要因素是前角o和剪切角。剪切角是随着切削条件不同而变化。纯剪切理论：剪应力与主应力方向约呈45°，且主应力fa方向与作用合力Fr的方向一致。由纯剪切理论可得：=45°－+o（3-3）——由切屑与前面上摩擦系数所决定的摩擦角，tan=。由式（3-2）、（3-3）可得出如下结论：增大刀具前角，并减小刀、屑之间的摩擦，可使剪切角增大，从而使切削变形减小。也就是增大前角、减小摩擦是减小切削变形的重要途径。用Ah值来表示切削变形程度的局限性：1．Ah的计算公式是根据纯剪切理论推出的，忽略了摩擦、挤压和温度等作用。2．在某些切削条件下，会出现Ah＜1的情况，这不能正确反映切削变形的实际情况。如当o为负值时，实验证明值很大，即相对滑移量很大，但Ah却较小，即此时Ah不能正确反映变形的实际情况。一般情况下，当前角为负值或Ah＜1.5时，不能用Ah表示变形程度，此时一般用来表示变形程度比较合理。3．因为切屑、切削层的尺寸容易测定和计算，故常用Ah来表示切削变形的大小。四、前面上的摩擦特点：前刀面上的内、外摩擦区：1．内摩擦区及内摩擦特点：内摩擦区：切屑沿前刀面流出时，与前刀面有一定的接触长度，在这个接触长度内，切屑与前刀面存在着摩擦。在整个接触长度内的不同部分，摩擦性质是不同的。在靠近切削刃的lfi长度内，由于摩擦与挤压作用产生了高温、高压，使切屑底面与前刀面产生粘结，亦称冷焊。这一区域叫做粘结区或冷焊区，也称作内摩擦区，是前刀面的主要摩擦区域。内摩擦的特点：内摩擦不同于金属接触面间的滑动摩擦。在内摩擦区域内，实际上是切屑金属内部的滑移剪切，这部分的剪切力同粘结面积的大小有关，粘结面积越大，剪切力越大，即内摩擦力越大。这一特点与外摩擦是不同的（外摩擦的摩擦力只与摩擦系数和正压力有关，而与接触面积无关）。内摩擦力：Ffi=f·Afif——内摩擦区内的剪应力，为常数；Afi——内摩擦区的面积。2．外摩擦区：外摩擦区是指lfo长度内的摩擦区域。该区域内的摩擦是切屑底面与前刀面之间的滑动摩擦，是普通的滑动摩擦，遵循一般滑动摩擦的规律。3．前刀面上摩擦区域内正应力与剪应力的分布：正应力f的分布：在整个刀——屑接触长度内，正应力分布是不均匀的，在靠近切削刃的区域内，正应力较大，离切削刃越远，正应力越小。在切削刃上，正应力最大；在刀——屑分离处，正应力为零。也就是说，由正压力Fni作用而产生的正应力f是变化的。在计算时用其平均值作为正应力的计算值，用av表示。剪应力f的分布：在内摩擦区内，剪应力即为切屑金属的剪切应力，为恒定值。在外摩擦区，由摩擦力产生的剪应力是变化的，越向外越小，最终趋于零。5．摩擦区内的平均摩擦系数：=tan=FFnifi=AAfifiavf=avf(3-4)6.减小摩擦的措施：由于摩擦对切削变形、刀具寿命和加工表面质量具有重要影响。因此，在加工过程中应尽量减小摩擦。由（3-4）式分析可知，减小摩擦的措施有：减小切削力；缩短刀——屑接触长度；降低被加工材料的屈服强度；选用摩擦系数小的刀具；提高刀面的刃磨质量；使用切削液。五、积屑瘤积屑瘤是由切屑堆积在前刀面近切削刃处的一个硬楔块。如图3-7所示。它是在第二变形区内，由于摩擦和变形而产生的。在对钢、铝合金和铜等塑性材料进行中速车、钻、铰、拉削和螺纹加工中常会出现积屑瘤。1．积屑瘤的成因：有许多解释，一般认为是由于切屑在前刀面上粘结（冷焊）造成的。在切削过程中，由于存在着切削力和切削热，使切屑和前刀面在一定的温度和力的条件下相互作用。当温度和力增达到一定程度时，切屑底层金属就被粘结在前刀面上，不断堆积而形成积屑瘤。2．影响积屑瘤产生和大小的因素：影响因素：压力的大小、温度的高低、前刀面的表面质量。压力越大，越易产生积屑瘤；温度过高、过低均不易产生积屑瘤，一般在中温区易产生积屑瘤，且积屑瘤尺寸较大。前刀面的表面质量：粗糙度越大，越易产生积屑瘤；刀面有氧化膜不易产生积屑瘤。由于切削力、切削温度和刀——屑之间的摩擦与切削用量有直接关系，因而对积屑瘤的影响因素由可归结为：切削速度、进给量。切削速度越高，摩擦越严重，切削热越多，切削温度越高；进给量越大，切削力越大，摩擦越严重，切削温度越高。在切削速度和进给量较小时，即压力和温度较低时，切屑底层塑形变形较小，摩擦系数较小（此时刀具前面上存在氧化膜），故不易产生粘结，不易产生积屑瘤；当切削速度较高时，切削温度高，切屑底层金属软化，剪切强度下降，摩擦系数减小（高温下刀具前面被氧化形成氧化膜），积屑瘤也不易产生。（注：是否产生积屑瘤与前刀面上的氧化膜是否被破坏有直接关系。原因：新鲜的金属表面的原子之间较易发生亲和而形成粘结。）在中速切削时，当温度、压力达到一定程度时，切屑底层材料中剪应力超过材料的剪切屈服强度，时“滞留层”中流速为零的切削层被剪切断裂粘结在前刀面上；粘结层金属，由于受到剧烈的塑性变形，硬度很高（是切削层金属硬度的2~3倍），故它能代替切削刃切削，继续剪切较软的金属层，依次粘结，层层堆积，高度逐渐增大而形成积屑瘤。结论：在低速或高速切削时，不易产生积屑瘤。在中速（3～60m/min）切削时，容易产生积屑瘤，当切削速度约为20m/min时，积屑瘤尺寸最大。例如：切削中碳钢时，温度在300～380℃，积屑瘤的高度最大，温度超过500～600℃时积屑瘤消失。3．抑制或消除积屑瘤的措施a.采用低速切削或高速切削；b.减少进给量、增大刀具前角、提高刀具刃磨质量和合理选用切削液，使摩擦和粘结减少，均可达到抑制积屑瘤的作用；c.合理调节各切削参数间的关系，以防止形成中温切削。（图3-8b）d.注：在粗加工时可利用积屑瘤保护切削刃，以减少到局磨损，延长刀具寿命。六、已加工表面变形和加工硬化加工硬化（冷作硬化）——金属材料经过严重塑性变形而使表面层硬度增高的现象。已加工表面的加工硬化是在第三变形区内产生的现象。是由于圆弧切削刃和其邻近的狭小后刀面的切削、挤压和摩擦作用下，使已加工表面层的金属晶粒产生扭曲、挤紧和破碎。图3-9所示是已加工表面层内晶粒的变化情况。加工硬化对加工表面质量的影响：使其硬度、屈服强度提高，表面上出现显微裂纹和残余应力，疲劳强度降低。表面质量差、使零件使用性能、寿命下降。加工硬化加剧对刀具的磨损，在切削时使刀具寿命下降。特别是高锰钢、高温合金等冷硬严重，使刀具寿命显著下降。衡量加工硬化程度的指标：加工硬化程度N——是表示已加工表面显微硬度H1与金属材料基体显微硬度H之间的相对变化量。即：N=HHH1×100%N的值越大，硬化程度越高。一般情况下，材料的塑性越大，金属晶格滑移越容易；滑移面越多，硬化越严重。例如：不锈钢1Cr18Ni9Ti的硬化程度为140%～200%；高锰钢的硬化程度为200%。降低硬化程度的措施：加工硬化的直接原因为：后刀面和刀刃钝圆半径对已加工表面的挤压和摩擦，因而硬化程度与摩擦力和正压力有关，要想降低加工硬化，就必须减小切削力和摩擦程度。1．磨出锋利切削刃；2．增大前角或后角；3．减小背吃刀量ap；切入深度减小，使切削力减小，切削变形减小，故冷硬程度减轻。4．合理选用切削液。七、影响切削变形的因素1．工件材料图3-10加工材料对Ah的影响。材料的强度、硬度越高，切削变形越小。2．前角前角增大，切削流出阻力减小，使摩擦系数减小，剪切角增大，故变形减小。图3-11前角对剪切角的影响。3．切削速度切削速度是通过切削温度和积屑瘤影响切削变形的。当不存在积屑瘤时，切削速度对切削变形的影响如图3-12a所示：速度较低时，切削变形小；随着速度的提高，变形逐渐增大，当速度增大到30m/min时，变形最大；速度继续提高，变形