第三章-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金属切削过程是刀具从工件表面上切除金属余量，获得符合要求的已加工表面的过程。在这个过程中将产生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损等，这些均以切削过程中金属的弹、塑性变形为基础。而生产实践中出现的积屑瘤、鳞刺、振动等问题，又都同切削过程中的变形规律有关。因此，研究和掌握切削过程中的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，对合理选择切削用量，提高生产效率，工件的加工质量和降低生产成本都有重要的意义。•1898年Taylor和White发明高速钢。1930年前后人们又发明了硬质合金。新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速钢的应用为例，Trent在他的名著《MetalCutting》中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构，据估计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而增加了八十亿美元的产值。”与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。•1907年Taylor在整整工作了26年切除了3万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基础上，在他经典的论文“OntheArtofCuttingMetal”中提出了著名的刀具耐用度公式，第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍有重要的指导意义。有些学者认为金属切削理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。•传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰第三章金属切削过程的基本规律第一节切削变形与切屑的形成过程第二节切削力第三节切削热与切削温度第四节刀具磨损与寿命第三章金属切削过程的基本规律第一节切削变形与切屑的形成过程塑性金属受挤压，随外力F的增加，金属内部应力增加，先产生弹性变形继而产生塑性变形，使金属的晶格沿晶面发生滑移，最后产生破裂。研究条件：直角自由切削切削变形的力学本质：切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程。金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45°方向的斜截面内，产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。刀具切削时相当于局部挤压，使金属沿最大剪应力方向产生滑移。CB线以下金属由于母体阻碍，不能沿BC线滑移，而只能沿DA线滑移。以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂一、切削变形区第一变形区：（基本变形区）OA~OM之间的区域，是切削过程中的主要变形区，是切削力和切削热的主要来源。主要特征：剪切面的滑移变形第二变形区：切屑底层与前刀面之间的摩擦变形区。主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。第三变形区第二变形区第一变形区第三变形区：工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。造成工件表面的纤维化与加工硬化。该区域对工件表面的残余应力以及后刀面的磨损有很大的影响。1.第Ⅰ变形区:塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区(Ⅰ)。第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。第一变形区内金属的剪切变形AMψhDhch刀具一般速度范围内Ⅰ区宽度为0.02～.2mm，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面或称滑移面•剪切角φ:剪切面和切削速度方向的夹角。φ值小，反映剪切变形的程度大•实验证明，对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度高时，剪切角ф较大，剪切面积变小切削比较省力，说明切屑变形较小。相反，当剪切角ф较小，则说明切屑变形较大滑移面与作用力方向夹角为45°滑移面与晶格变形伸长方向夹角为ψ2.第Ⅱ变形区切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形，其方向基本上和前面相平行。这部分区域称为第二变形区（Ⅱ）。纤维化金属粘附在前刀面上，使其流动速度非常低，这种切屑底层流动速度较其它部分缓慢的现象称为滞流现象，该金属层叫滞流层。刀屑这种摩擦实质上是切屑底层内的剪切滑移。变形性质为塑性变形。造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。3.第Ⅲ变形区第一变形区的塑性变形扩展到切削层的下方金属，在后刀面的法向力和摩擦力的作用下，使工件继续产生径向的塑性变形和弹性变形。该变形区的变形及应力状态对已加工表面的质量影响最大。会造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、加工硬化和残余应力。引起变形的主要因素：⑴刀刃都有钝圆半径刀刃不可能绝对锋利，不管采用何种方式刃磨，刀刃总会有一钝圆半径rn。一般高速钢刃磨后rn为3～10μm，硬质合金刀具磨后约18～32μm，如采用细粒金刚石砂轮磨削，rn最小可达到3～6μm。另外，刀刃切削后就会产生磨损，增加刀刃钝圆。被切金属与基体的分离点在该圆弧段上是随机的。使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除(△a)，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量⑵刀具由于磨损，在后刀面上会产生一无后角的磨损平面(BC)。⑶由于工件材料的弹性恢复(△h)，使已加工表面与后刀面接触变长。纵上所述，金属切削过程的本质就是：被切削金属层在刀具的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形的过程。以上对金属切削层在切削过程中三个变形区域变形的特点进行了介绍，如果将这三个区域综合起来，可以看作如图所示过程。当金属切削层进入第一变形区时，金属发生剪切滑移，并且金属纤维化，该切削层接近刀刃时，金属纤维更长并包裹在切削刃周围，最后在O点断裂成两部分，一部分沿前刀面流出成为切屑，另一部分受到刀刃钝圆部分的挤压和摩擦成为已加工表面，表面金属纤维方向平行已加工表面，这层金属具有与基体组织不同的性质。第Ⅰ变形区:剪切滑移变形区物理现象：产生切屑第Ⅱ变形区:前刀面挤压摩擦变形区(与前刀面接触的切屑层内产生的变形区)；物理现象：产生积屑瘤第Ⅲ变形区:后刀面挤压摩擦回弹区变形区（近切削刃处已加工表层内产生的变形区。)物理现象：产生加工硬化二、切屑的基本类型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）节状切屑又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。（1）带状切屑它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。一、切屑的类型（4）崩碎切屑切削脆性金属时，金属层在弹性变形后一般不经过塑性变形突然崩裂形成不规则的碎块状切屑切削厚度越大越易得到这类切屑。（3）粒状切屑又称单元切屑。大小较均匀的颗粒状切屑.在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。切削条件：一般采用小前角或负前角，以极低的切削速度和大的切削厚度切削塑性金属时易产生此种切屑。实际生产中很少见。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切削塑性材料，速度高，切削厚度小前角大加工塑性材料，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3.7切屑的类型与控制•3.7.1切屑的类型（按切屑的形成机理）节状切屑带状切屑带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑切塑性材料：带状切屑节状切屑粒状切屑切削平稳，力波动小滑移量较大，局部切削不平稳，力波动大加工面光洁，断屑难剪应力达断裂强度加工表面粗糙少见↑γ0↑v↓ap↓γ0↓v↑ap↓γ0↓v↑ap↑γ0↑v↓ap三、变形程度的表示方法切削过程中，切削层金属变形主要表现在剪切面上的剪切滑移，其次表现在切屑的收缩、卷曲和加工过程中的硬化。变形程度的度量方法一般用：切削厚度压缩比Λh相对滑移ε剪切角φ表示。)tan(cot0MKPKNKMKNPyS1.相对滑移ε（纯剪切）滑移距离Δs与单元厚度Δy之比。用来度量第Ⅰ变形区的滑移变形程度。能比较真实地反映出切削变形的程度。2.切削厚度压缩比Λh切削层金属受到挤压而形成的切屑切削层厚度增加，长度缩小，这种现象称为切屑收缩。另外：宽度不变，体积不变。厚度变形系数：切屑厚度hch/切削层厚度hD长度变形系数：切削层长度LD/切屑长度Lch由体积相等可推出两变形系数相等Λh越大，表示切屑越厚越短，标志着切屑变形越大。变形系数在一定条件下反映金属的平均挤压程度。1DchchDhhhll切削厚度压缩比Λhsin)cos(sin)cos(ooDchhOMOMhhΛh是一个大于1的数，Λh值越大，表示切下的切屑厚度越大，长度越短，其变形也就越大。由于切屑厚度压缩比Λh直观地反映了切屑的变形程度，并且容易测量，故一般常用它来度量切屑的变形。γ0↑，φ↑→Λh↓ε↓故切削时塑性变形是很大的3.剪切角前刀面摩擦角β：剪切角φ↑→剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓φ=45°-(β-γ0)结论：1.γo和φ是影响切削变形的两个主要因素。当γo增大时，φ角随之增大，变形减小。即在保证切削刃强度的条件下，增大前角对改善切削过程是有利的。2.当β增大时，φ角随之减小，变形增大。故仔细研磨刀面、加入切削液以减小前刀面上的摩擦对改善切削过程是有利的。切屑厚度压缩比Λh可直观地反映出切屑变形的程度和状况，且容易测量。但由于它表示的是切削层平均挤压程度，而金属切削过程的实质是切削层的剪切滑移。因此Λh只能粗略地反映出剪切变形的真实情况。四、前刀面上的摩擦特点在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外摩擦)区。在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层。内摩擦就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦。经研究,在切削塑性金属的过程中,刀一屑间只有在很低的切削速度时才存在峰点型接触；产生的摩擦为外摩擦。而在一般切削速度或切削速度较高时,由于刀屑的压力很大,可达1.96~2.94GPa(2000~3000N/mm2),再加上摄氏几百度的高温,使得切屑底层金属软化，粘嵌在前刀面上成为粘结区,所以刀一屑之间的摩擦主要是内摩擦。当切屑快离开前面时,才由于压力的减小使刀一屑的界面回到峰点型接触的状态。据估计,在一般切削条件下,刀一屑间内摩擦占全部摩擦力的85%.内摩擦力等于金属塑性剪切力，外摩擦力用库伦定律计算。刀-屑接触区可分两部分：粘接区lf1:剪切滑移，内摩