金属切削的变形过程

,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2.4,金属切削的变形过程,前面研究切削加工，仅是从几何运动角度分析切削过程。（主运动、进给运动、刀具角度等）,金,属切削过程：,刀具与工件作用使材料变形破坏形成切屑,。,金属切削过程的物理变化非常复杂包括：,切,削,力、切削热、积屑瘤、刀具磨损、加工硬化,等。,导言,要掌握金属切削的规律，以提高切除效率，降低成本和保证质量，如果不懂得切屑怎样被切下来，则对金属切削加工中各种物理现象，如切削力、刀具磨损和加工表面质量等就无从研究起，更不用说解决生产实践中的实践问题了。,难加工材料的应用愈来愈多，对零件的质量要求亦不断提高；同时切削加工自动化和微电子技术等的应用渐趋广泛。,这些都要求我们更加深入地掌握金属切削过程的规律，以便创造出更加先进的切削方法和高效率的刀具，适应生产发展需要。,金属切削变形过程的研究，是金属切削基础理论研究的一个根本问题。,（,1,）图像,塑性法,（,2,）高速摄影法,（,3,）快速落刀法,（,4,）扫描电镜显微观察法,（,5,）光弹性、光塑性试验法,研究金属切削变形过程的实验方法主要有：,2.4.1,金属切削层的变形,以塑性材料的切屑形成为例，来说明金属切削层的变形。金属切削变形金相显微照片如图所示：,根据金属切削变形金相显微照片，可绘制如图所示的金属切削过程中的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。,1,）变形区的划分,大致划分为三个变形区。这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，切屑与工件本体在此处分离，大部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面。,从,OA,（始滑移线 ）开始发生塑性变形，到,OM,（终滑移线）晶粒的剪切滑,移基本完,成。,特征：沿滑移线剪切变形，并产生加工硬化。切削速度越高，第一变形区越窄。,第一变形区的塑性变形行为决定了所形成的切屑类型，对切屑的控制具有一定影响。,第一变形区（主剪切区）,切,屑与前刀面摩擦的区域。切屑沿前刀面流出时进一步受到挤压和摩擦，,使切,屑底层再次发生塑性变形。,特征：切屑底层材料纤维化，流速减慢，滞留粘结前刀面；切屑与前刀面接触区温度升高；切屑弯曲。,第二变形区直接影响到前刀面的磨损。,第二变形区（摩擦变形区）,已,加工表面与后刀面的接触区域。已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形和回弹。,特征：表面层材料加工硬化，应力集中。,第三变形区影响到工件的表面粗糙度和表面完整性。,第三变形区（加工表面变形区）,当被切削层中金属某点,P,向切削刃逼近，达到点,1,的位置时，此时其剪切应力达到材料的屈服强度,，点,1,在向前移动的同时，也沿着,OA,滑移。随着滑移的产生，剪切应力将逐渐增加。,2,）第一变形区内金属的剪切变形,在,OA,到,OM,之间整个第一变形区内，其变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。,当切削速度提高，这一变形区较窄。,沿滑移线的剪切变形，从金属晶体结构的角度来看，就是沿晶格中晶面的滑移。晶粒伸长的方向即纤维化的方向，是与滑移方向即剪切面方向不重合的。,在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约,0.2-0.02mm,，所以可用剪切面来表示。,剪切面和切削速度方向的夹角叫做剪切角,。,实验证明剪切角,的大小和切削力有直接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度高时，剪切角较大，剪切面积变小。切削比较省力，说明剪切角的大小可以作为衡量切削过程变形情况的一个标志。,3,）变形程度的表示方法,剪切角,第,一变形区平均剪应变。,相对滑移越大，第一变形区,变形越大。,相对滑移,（,剪应变）,变形系数,切屑厚度与切削厚度之比。,剪切角,、,相对滑移,、,变形系数,三者之间的关系,2.4.2,前刀面的挤压与摩擦,第一变形区：剪切,第二变形区：摩擦，剪切。特征：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上；切屑弯曲；由摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高。,第二变形区第一变形区,1,）作用在切屑上的力,直角自由切削：,前刀面上的法向力,F,n,和摩擦力,F,f,剪切面上的正压力,F,ns,和剪切力,F,s,切削合力（切屑形成力）,F,r,和,F,r,平衡,剪切角,，,摩擦角,（,F,n,和,F,r,的夹角），刀具前角,0,，,作用角（切削,合力与切削速度方向的夹角）,=,-,0,切削合力分解：,切削速度方向的,切削分力,F,z,；,切削速度方向垂直的,切削分力,F,y,。,切削厚度,a,c,，,切削宽度,a,w,，,切削面积,A,c,=a,c,a,w,，,剪切面面积,A,s,=A,c,/sin,，,剪切面上的剪应力,，则,2,）剪切角与前刀面摩擦角的关系,根据材料力学，主应力方向与最大剪应力方向夹角应为,/4,。,设切削合力,F,r,方向为主应力方向，剪切面剪切力,F,s,在最大剪应力方向，故有,+,-,0,=,/4,或,=,/4 -,（,-,0,）,当前角增大时，剪切角随之,增大，变形减小。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。,当摩擦角增大时，剪切角随,之减小，变形增大。提高刀具,的刃磨质量，施加切削液以减小前刀面上的摩擦对切,削是有利的。,3,）前刀面上的摩擦,第二变形区刀屑接触面分两个区域：,粘结部分为内摩擦，其剪应力,r,等于材料的剪切屈服强度,s,。,滑动部分为外摩擦，即滑动摩擦，其剪应力,r,由剪切屈服强度,s,逐渐减小到零。,在整个接触区域上的正应力,r,的分布，在刀尖处最大（假定刀具绝对锋利，切削厚度较小），逐渐减小到零。,由此可见，如果以剪应力与正应力之比,r,/,r,表示摩擦系数，则前刀面上各点的摩擦系数是变化的，而且内摩擦的概念与外摩擦也有所不同。采用,=tg,来描述前刀面的摩擦情况过于简单。金属的内摩擦力显然要比外摩擦大得多，因此要着重考虑内摩擦。,4,）影响前刀面摩擦系数的主要因素,工件材料：工件材料的强度和硬度愈大，摩擦系数略有减小。这是由于材料的硬度和强度大时，当切削速度不变时，切削温度增高，故摩擦系数下降。,切削厚度：切削厚度增加时，正压力随之增大，摩擦系数也略有下降。,切削速度：当切削速度在某一数值以下时,切削速度愈高，摩擦系数愈大。这是因为切削速度低时，切削温度较低，前刀面与切屑底层不易粘结，粘结随速度或温度提高而增强，使摩擦系数上升。当切削速度超过上述数值后，温度进一步升高，使材料塑性增加，剪应力减小，摩擦系数下降。,刀具前角：在一般切削速度范围内，前角愈大，则,摩擦系数,愈大，这是因为增大前角使正应力减小，材料剪切屈服强度与正应力之比增加。,