金属切削过程基本规律

第三章金属切削过程的基本规律本章主要介绍切削过程中基本规律的四个课题：切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损及刀具耐用度（刀具寿命）。由于切削时产生的变形、力、温度、磨损均会影响加工零件的质量、生产效率、成本，因此本章中较为详细地介绍了它们的成因、对切削过程的作用和影响。由于切削变形是切削过程机理的基础，因此本章重点是：掌握切削变形基础知识，了解切削力、切削温度、刀具磨损对切削的作用，并深入了解切削用量和刀具角度等参数对切削规律的影响及计算方法。本章部分内容简介第一节切削变形和切屑形成过程第二节刀-屑面间摩擦和积屑瘤第三节已加工表面变形和加工硬化第四节切削力第五节切削热与切削温度第六节刀具磨损和刀具耐用度（刀具寿命）3-1切削变形•一、切屑的基本形态1、带状切屑2、节状切屑3、粒状切屑4、崩碎切屑粒状切屑崩碎切屑节状切屑带状切屑切屑形状的分类及卷屑和断屑机理的探讨二．切屑形状的分类前面按形成机理的差异，把切屑分成带状、节状、粒状和崩碎四类。但是，这种分类法还不能满足切屑的处理和运输的要求。影响切屑的处理和运输的主要因素是切屑的形状，因此，还需按照切屑的形状进行分类。随着工件材料、刀具几何形状和切削用量的差异，所生成的切屑的形状也会不同。切屑的形状大体有带状屑、C形屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑等，如图切屑的几种形状高速切削塑性金属材料时，如不采取适当的断屑措施，易形成带状屑。带状屑连绵不断经常会缠绕在工件或刀具上，拉伤工件表面或打坏切削刃，甚至会伤人。所以，通常情况下都希望尽量避免形成带状屑。但也有例外的情况。例如，在立式镗床上镗盲孔时，为了使切屑能顺利地排出孔外甩断，一般都要求形成带状屑或长螺卷屑。车削一般的碳钢和合金钢工件时，采用带卷屑槽的车刀易形成C形屑。C形屑不会缠绕在工件或刀具上也不易伤人，是一种比较好的屑形。但C形屑多数是碰撞在车刀后刀面上折断的，切屑高频率的碰撞和折断会影响切削过程的平稳性，对工件已加工表面的粗糙度有一定的影响。所以，精车时一般多希望形成长螺卷屑，使切削过程比较平稳。长紧卷屑形成过程比较平稳，清理也方便，在普通车床上是一种比较好的屑形。但要求形成长紧卷屑时，必须严格控制刀具的几何参数和切削用量。在重型车床上用大切深、大进给量车削钢件时，切屑宽又厚，若形成C形屑则容易损伤切削刃，甚至会飞崩伤人。所以，通常多将卷屑槽的槽底圆弧半径加大，使切屑卷曲成发条状在工件加工表面上顶断，并靠其自重坠落。在自动机或自动线上，宝塔状卷屑不会缠绕工件或刀具，清理也较方便，是一种比较好的屑形。车削铸铁、脆黄铜等脆性材料时，切屑崩碎成针状或碎片飞溅，可能伤人，并易研损机床滑动面。这时，应设法使切屑莲成卷状。如采用波形刃脆铜卷屑车刀，可以使脆铜和铸铁的切屑连成螺状短卷。2-17•三、切屑与已加工表面的形成图3-1三个变形区域三个变形区金属切削过程大致划分出三个变区第一变形区刀具第一变形区金属的滑移第二变形区的摩擦特性•塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。这是由于受前面的挤压和摩擦进一步加剧变形，在靠近前面处形成第二变形区即摩擦区。•摩擦区的特征：使切屑底层靠近前面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上（实质上就是滞留层）；切屑弯曲，有摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高等。•滞留层的特点：滞留层的变形程度要比上层剧烈，约几倍到几十倍，厚度一般约占切屑厚度的1/8～1/9。图3-5刀——屑面间摩擦区a)内摩擦区应力分布b）内摩擦区内粘结照片积屑瘤或刀瘤•在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在刀具前面处粘着一块剖面常呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2～3倍，在处于比较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。切削速度的影响在v=5m/min时已出现积屑瘤，随切削速度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前角加大，故切削力逐渐减小；约在v=17m/min处积屑瘤最大，切削力最小；当切削速度超过v=17m/min，一直到v=27m/min时，由于积屑瘤减小，使切削力逐步增大。切削速度a27m/min时，积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增大而减小。这主要是因为随着v的增大，切削温度升高，下降，从而使减小。在v27m/min时，切削力是受积屑瘤影响而变化的。切削脆性金属(灰铸铁、铅黄铜等)时，因金属的塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。图3-6滞流层与积屑瘤a)滞流层b）刀刃处积屑瘤c）积屑瘤在切削积屑瘤或刀瘤的大小和形状第三变形区•第三变形区与加工表面的形成关系更为密切。在第三变形区里，后刀面施加法向力FαN和摩接力Fα于工件。法向力FαN使工件产生径向的塑性变形和弹性变形。摩擦力Fα使加工表面产生切向的塑性变形和弹性变形。•残余应力：由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残存的应力。由于外力为零，所以零件内各部分的残余应力，必须彼此保持平衡。•工件表层加工硬化的成因是表层金属在形成已加工表面的过程中经受强烈的塑性变形-不可恢复的变形↑-加工硬化↑。图3-2切屑形成过程a）切削层的剪切滑移过程b）切屑形成时各作用角c）切屑形成金相照片图3-3切屑的类型a）带状切屑b）节状切屑c）粒状切屑d）崩碎切屑剪切角的概念图3-4切削变形程度表示a）切屑与切削层尺寸b）前角剪切角与切削变形关系c）剪切角确定图3-7已加工表面层内晶粒变化在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02-0.2mm，所以可以用剪切面来表示。剪切面和切削速度方向的夹角称为剪切角，以Φ表示。变形程度的表示方法-剪切角剪切角Φ实验证明剪切角Φ的大小和切削力的大小有直接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，如Φ角较大，剪切面积变小，即变形程度较小，切削比较省力。所以Φ角本身就表示变形的程度。3-2切削力一、切削力的来源：变形-摩擦切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。二、切削力的分解222cfpFFFF切削力及其分解图3-8切削力的组成及其分力a）切削力来源b）切削分力在立体图上表示c）切削分力在平面图上表示图3-9单向电阻式测力仪的工作原理三、切削力的实验指数公式9.819.819.81FFFcccccFFFpppppFFFfffffxyncFpcFxynpFpcFxynfFpcFFCafvKFCafvKFCafvK必须注意:如实际切削条件与试验中切削条件有差异时，则应在上式后面乘以相应的修正系数四、单位切削力、切削功率•单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力。•切削功率是各切削分力消耗功率的总和。Pc＝Fc·Vc·10-3(kW)•机床电动机的功率PE：根据切削功率选择机床电动机，还要考虑机床的传动效率。ccDFkAccDcpFkAkafcEPP五、影响切削力的因素•工件材料：被加工工件材料的强度、硬度越高，切削力增大。强度相近的材料，如其塑性（伸长率）较大，切削力增大。切削脆性材料时，其切削力一般低于塑性材料。•切削深度ap或进给量f加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。切削速度加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随着切削速度的增大而减小。刀具几何参数•1．前角γ。：前角加大，被切金属的切削力显著下降。•2．负倒棱：在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刀具使用寿命但将使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。•3.主偏角(1)当kr加大时，Fp减小，Ff加大。(2)当加工塑性金属时，随kr加大，Fc减小；约在kr＝60—750之间，Fc减到最小；然后随kr继续加大，Fc又有所增大。Fc的变动范围不大，无论减小或增大，都在10%以内。（3）kr加大时，Fp/Fc减小，Ff/Fc加大。•4．刃倾角：刃倾角变化时，将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。刃倾角λs减小时，Fp增大，Ff减小。•5．刀尖圆弧半径在一般的切削加工中，刀尖圆弧半径rε对Fp、Ff的影响较大，对Fc的影响较小。•刀具磨损：后刀面磨损后，切削力加大。•切削液：以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。而润滑作用强的切削油能够显著的降低切削力。•刀具材料：刀具材料不是硬削切削的主要因素。但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因此对切削力也有一些影响。前角对切削力的影响3-3切削温度一、切削热的来源：在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形，这是切削热的一个来源。同时，切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的摩擦功，也将转化为热能，这是切削热的又一个来源。Q=FcVc切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介质传导出去。影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。图3-13切削热产生与传散区域一、切削热的产生和传出切削热来源于切削层金属发生弹性变形、塑性变形所产生的热和切屑与前刀面、工件与后刀面间的摩擦热。1．切削热的产生切削时所消耗的能量约有98％～99％转换为切削热，故单位时间内产生的切削热为：vFQZ切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质传导出去。影响切削热传导的主要因素是：2．切削热的传出工件材料的导热性能。工件材料的导热系数高，由切屑和工件传导出去的热量较多，切削区温度就较低，刀具耐用度较高；但工件温升快，易引起工件热变形。工件材料的导热系数低，切削热不易从切屑和工件传导出去，切削区温度高，使刀具磨损加剧。图3-14热电偶法测温简图a）自然热电偶法b）人工热电偶法1-顶尖2-铜塞3-主轴4-切屑5-绝缘层6-工件7-刀具图3-15切削温度分布a）刀具、切屑和工作中温度分布b）刀具中温度分布加工条件：刀具材料P20（YT20）、υc=60m/min加工条件：工件材30Mn4，ap=3mm、f=0.25mm/r二、切削温度切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。zyxcpCvfa三、影响切削温度的主要因素•工件材料对切削温度的影响(1)工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也多，切削温度就越高。(2)合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度(3)不锈钢lCrl8Ni9Ti和高温合金GHl3l不但导热系数低，而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度。所以切削这种类型的材料时，切削温度比切削其他材料要高得多。(4)脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面的摩擦也较小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。（1）切削速度对切削温度有显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。（2）进给量f对切削温度也有一定的影响。随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削过程产生的切削热也增多，使切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。（3）切削深度ap对切削温度的影响很小。因为切削深度ap增大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多，但因改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。切削用量对切削温度的影响•刀具几何参数对切削温度的影响1．前角：前角γ。的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦，所以它对切削温度有明显的影响。前角大，产生的切削热少，切削温度低；前角小，切削温度高。2．主偏角：随着主偏角的增大，切削温度将逐渐升高。3．负倒棱：负倒棱宽度bγ1在(0—2)f范围内变化，基本上不影响切削温度。4．刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径rε在0—1.5mm范围内变化，基本上不影响平均切削温度。刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区金属的塑性变形增加；同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与后刀面的摩擦加大，两者均使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。刀具磨损对切削温度的