金属切削过程中的物理现象

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,*,一、切削的变化,金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的过程。即是金属内部不断滑移变形的过程。,简言之，被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过剪切滑移变形便形成了切削。,金属切削过程中的三个变形区,第,变形区,近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；,第,变形区,与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；,第,变形区,近切削刃处已加工表层内产生的变形区,（后刀面与工件的接触区域）,1,、第一变形区,（,剪切滑移区,）,切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑，下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。,切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下，使近切削刃出的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。左图是取金属内部质点,P,来分析滑移 过程。,2,、第二变形区,经过第一变形区后，形成的切屑沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此，在该区域内金属变形特点就是,切屑在前刀面上发生的摩擦挤压变形，,这个变形主要集中,在与前刀面接触的切屑底部一薄层金属内，,这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长，成纤维化，基本与前刀面平行。另外，由于切屑层底层受前刀面的挤压而膨胀，使切屑背向前刀面卷曲，最后在某一点开始与前刀面脱离接触。,（,挤压摩擦区）,3,、第三变形区,（挤压摩擦回弹区）,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成纤维化和加工硬化及残余应力，严重的甚至出现细微的裂纹。,二、积屑瘤,1,积屑瘤的现象,积屑瘤：,切削塑性金属时，在一定的切削条件下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，能够代替刀刃进行切削，并且以一定频率生长和脱落。这种堆积物称为积屑瘤。,当切削钢、球墨铸铁、铝合金等,塑性材料,时，在,切削速度不高,，而又能,形成带状切屑,的情况下生成积屑瘤。,积屑瘤高度及其实际工作前角,2.,积屑瘤的成因：,1,）工件材料的塑性,主要是加工硬化的缘故，塑性材料切削时形成带状切削，加工硬化现象较强，容易产生积屑瘤；而脆性材料切削时形成崩脆切削，且加工硬化现象很弱，不易产生积屑瘤。,2,）切削温度,切削温度也是形成积屑瘤的重要条件。切削温度过低，粘结现象不易发生；切削温 度过高，加工硬化现象有削弱作用，因而积屑瘤也不易产生。,对于碳钢，,300,C,350C,范围内最容易产生积屑瘤，,500C,以上趋于消失。,3,）积屑瘤与切削速度的关系,区：,切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成。,区：,形成带状切屑，冷焊条件逐渐形成，随着切削速度的提高积屑瘤也增大。,区：,积屑瘤随切削速度的提高而减小，当达到,区右边界时，积屑瘤消失。,区：,切削速度进一步提高，由于切削温度较高而冷焊消失，此,时积屑瘤不再存在了。但切屑底部的纤维化依然存在，切屑的滞留倾向也依然存在。,4,）刀具的前角,因为积屑瘤是在带状切屑的前提下形成的。然而前角越大越容易形成带状切屑，前角越小容易形成崩脆切削，所以积屑瘤的形成与刀具的前角有着紧密的联系。,3.,积屑瘤对切削过程的影响：,1),积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。,2),积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。,3),积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。,4),积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。,三、残余应力和加工硬化,在金属切削过程中，因刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦，使已加工表面层的塑性变形非常强烈，晶格破坏，表层硬度提高，这种现象称为,加工硬化,。,工件表面硬化可提高耐磨性。但加工硬化常伴有裂纹产生，降低零件的抗冲击性能。,刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦，以及切削热的作用，使已加工表面上常有残余应力存在。,四、脆性材料的切削机理,脆性被切削材料在外力作用下，先形成裂纹。裂纹尖端附近应力强度达到其临界值时，裂纹就会发生失稳扩展，导致被切削材料的断裂。,五、 切屑力,1.,概念,切削加工时刀具使切削层形成切削需要克服的阻力称为切削力。,切削力影响刀具的磨损和使用寿命。,切削力影响加工精度。,工艺系统的,弹性变形,，所作的功转化工艺系统的,热变形,。,是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。,2.,切屑力的来源,（,1,）来自工件的切削力：工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力。,（,2,）来自切屑的切屑力：切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力。,3.,总切削力的几何分力,F,p,=,F,N,cosK,r,;,F,f,=,F,N,sink,r,一般情况下，,Fc,最大，,Fp,和,Ff,小一些,主切削力,Fc,：,切削合力,F,在主运动方向的分力，又称切向分力。它与切削速度方向一致，在切削过程中做功最多，占总切削功率的,90%,以上。,Fc,是计算机床动力、设备的强度及刚度的基本数据。,进给抗力,Ff,：,切削合力,F,在进给运动方向的合力，车外圆时，,Ff,与工件的轴线相平行，因此又称轴向分力。,Ff,作用在机床的进给机构上，它是设计进给机构必须的数据。,切深抗力,Fp,:,切削合力,F,在切削深度方向的分力。车外圆时，,Fp,与工件的径向重合，因此又称径向分力。,Fp,作用在机床及工件刚性最差的方向，容易引起切削振动和工件的弯曲变形，影响加工精度及工件表面质量。,4.,切削功率,：,是指切削时在切削区域内消耗的功率，通常进给消耗的功率略去不计，只计算主运动消耗的功率：,式中,Fz,主切削力（,N,）,v,主运动切削速度（,m/min,）,机床电动机所需功率,PE:,式中 机床传动效率。,5.,影响切削力的因素,影响切屑力的主要因素有：,工件材料、切削用量、刀具几何参数、其它因素。,总切削力的来源有两个方面：,一是克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力；,二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。,（,1,）工件材料的影响,工件材料的硬度或强度愈高,，材料的剪切屈服强度也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，,故切削力也愈大,。,在材料的强度、硬度相近的情况下，,材料的塑性越大。韧性越大，则切削力越大。,塑性大的材料在切削过程中将产生较大的塑性变形和加 工硬化，且切削与前刀面的接触时间长，故切削力较大；,韧性大的材料，使之发生变形或破坏需消耗较多的能量，故切削力较大。,切削脆性材料时，一般皆为崩脆切削，从而切削与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。,（,2,）切削用量的影响,1),切削深度和进给量的影响,切削深度,ap,进给量,f,A,D,变形抗力,摩擦力,切削力,ap,增大一倍，,F,C,也增大一倍；而,f,增大一倍，,F,C,只能增大,68%,8,6,。,由此可见，,从减小切削力和节省动力消耗的观点出发，在切除相同余量的条件下，增大,f,比增大,ap,更为有利。,2),切削速度的影响,切削塑性材料时,切削塑性材料,，切削速度的影响分为两个阶段：,有积屑瘤,和,无积屑瘤,两个阶段。,切削速度是通过影响切削变形程度来影响切削力，切削变形大，则切削力大。,切削铸铁等脆性材料时,，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。,c,对切削力没有显著影响。,3),刀具几何参数的影响,前角,ro,对切削力的影响,;,刀刃锋利,前角,g,o,切削变形,切削力,对塑性材料,对脆性材料,影响较小,前角对切削力的影响,ap,=4mm,f,=0.25mm/r,主偏角,kr,对切削力的影响,（,a,）当 时，主切削力,F,随着,Kr,增加而减小 。,（,b,）当 时，,kr,大时，主切削力,F,随着,Kr,增加而增大,。,Kr,越大，切削宽度,aw,越小，切削厚度,ac,越大，因此切削力越小。,切削脆性材料时，,切削力始终随着,Kr,的增加而减小。,4,）其它因素的影响,1,）刀具磨损越大，将增加切削力；,2,）,使用切削液，,将减小切削力。,六、 切屑热和切削温度,1,、切削热的产生与传导,切削热产生于三个变形区，,切削热来源于两个方面：,一是,切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量；,二是,切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。,切削过程中消耗的功将绝大部分转化成（约,99%,）转换为热量，即切削热。,切削热,Q,F,z,v,c,切削热传出,：,(1),通过工件传出,Q,g,，使工件温度升高,(2),通过切屑传出,Q,x,，使切屑温度升高,(3),通过刀具传出,Q,d,，使刀具温度升高,(4),通过周围介质传出,Q,j,对车、铣、刨削加工,，,50,86,由切屑带走，,10,40,传入刀具，,3,9,传入工件，,1,传入空气,;,钻削时,，,28,由切屑带走，,15,左右传给工件，,50,左右传给刀具，其余由周围介质带走,;,磨削时,，大部分热量传给工件（,84,）,传给砂轮,12,，而极小比例的热量传给磨屑，因此会使工件温升很高，甚至烧伤工具表面。,Q=,Q,g,+Q,x,+Q,d,+Q,j,2.,切削温度对切削加工过程的影响,切削温度的升高对去切削加工过程的影响主要有以下几个方面：,（,1,）对工件材料物理性能的影响。,（,2,）对道具材料的影响。,（,3,）对工件尺寸精度的影响。,（,4,）利用切削温度自动控制切削用量。,3.,切削温度的测定方法,切削温度的测定方法很多，有热电偶法、热辐射法、远红外法、热敏涂色发等等。但是目前最常用的是：,测量方法,它包括,自然热电偶法,和,人工热电偶法。,自然热电偶法,：是利用工件材料和刀具材料化学成分的不同而构成热电偶的两极，并分别连接测量仪表，组成测量电路，刀具切削工件的切削区域产生高温形成热端，刀具与工件为热电偶冷端，冷、热端之间热电势由仪表测定。,人工热电偶法,：是将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件需要测定温度的指定点上，冷端通过导线串联在电位差计或毫伏表上。,（,1,）切削用量的影响,切削速度的影响,a.,V,，,摩擦热来不及传导，而是大量集聚在切屑底层，从而使切削温度升高。,b.,V,，,金属切除率成正比例地增加，所消耗的机械功增大，所以切削热也会增大。而,V,，材料的剪切变形减小，因此单位体积的切削中由塑性变形所产生的热量减少，故切削温度与切削速度不成正比例关系。,4,、影响切削温度的因素,进给量的影响,a.,f,金属切除率增多，切削温度升高，,b.,f,，切屑的平均变形减小，因此切除单元体积切削的变形功有所减少，从而使热量又有所减小,。,c.,f,，切削厚度增加，切屑的热容量也增大，由切屑带走的热量增加。,d.,f,，,由于切,屑,与前刀面的接触区长度增长，改善了散热条件。,故切削区的平均温度上升的不显著，当进给量增大一倍时，切削温度约升高,10,。,切削深度的影响,（,1,）,ap,切削层金属的变形功与摩擦功都成正比的增加，切削热也会成正比的增加；,（,2,）,ap,，切削刃参加工作长度也成正比地增长，从而改善了散热条件。,故切削深度对切削温度地影响很小，当切削深度增加时，切削温度的升高并不明显。,（,2,）工件材料的影响,硬度和强度的影响,工件材料的硬度、强度越高，切削时所消耗的功越多，产生的切削热也越多，切削温度就越高。,导热系数的影响,工件材料导热系数越低，切削区热量的传出越少，切削温度就越高。,抗拉强度和延伸率的影响,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，切削呈崩脆切削，与前刀面的摩擦也很小，所以产生的切削力较小，切削温度一般比切削钢料时低。,（,3,）刀具几何参数的影响,前角,0,的影响,0,变形程度,F,q,但,0,18,20,时，因散热体积，,q,随前角的增大而上升。故前角不宜过大。,主偏角,r,的影响,r,，切削刃的工作长度,，,且刀尖角减小，使散热面积,q,反之，减小主偏角，对降低切削温度和提高刀具耐用度是有利的。,由于,加工材料性质,的不同以及,切削条件,的不同，从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态：,切塑性材料,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,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,0,v,a,c,0,v,a,c,0,v,a,c,0,v,a,c,二、切屑的形态,切脆性材料,不平稳，表面粗糙,应,0,v,a,c,2,、挤裂切屑：,又称节状切屑。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：,加工脆性材料（铸铁、青铜），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。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。,（二）、切屑的形状,1,、切屑形状的分类,切屑的形状大体有带状屑、,C,型屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状屑、宝塔状屑等,五,.,切削力的经验公式,计算举例：,用,YT5,硬质合金车刀外圆纵车,b,=630,MPa,的热轧45钢，车刀几何参数为,ro,=10、,kr,=75、,rs,=5，,切削用量为,ap,=2mm、,f,=0.3mm/r、,vc,=100m/min。,试计算切削力,Fc,、,Fp,、,Ff,及切削功率,Pc,。,解：,查表,2-1,得：,CFC=2795,xFC,=1.0,yFC,=0.75,zFC,=-0.15,（三）刀具磨损的影响,刀具磨损后，切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区的塑性变形增加；,同时磨损后的刀具后角基本为零，与工件的摩擦增大，两者均使切削热增多。刀具磨损对,Q,影响越显著。,（四）切削液的影响,浇切削液对切削温度刀具磨损加工质量有明显效果。,热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著,刀具失效形式：,磨损,（正常工作时逐渐产生的损耗）,破损,（突发的破坏，随机的）,（一）前刀面磨损,切塑性材料，,v,和,ac,（,0.1mm),较大时，在前刀面上形成月牙洼磨损，以最大深度,KT,表示。这是由于切削塑性材料时产生的连续切削与前刀面发生的剧烈摩擦而引起的。,第四节 刀具磨损及耐用度,一、刀具磨损形式,切屑脆性材料时，前刀面不形成月牙洼。,（二）后刀面磨损,切削脆性材料或,v,和,a,p,（,0.1mm),较小切塑性,材料时，主要发生这种磨损。使实际的切削刃有一定的圆弧和塌刃，因此形成显著的负后角部分，与已加工表面有剧烈的摩擦。,（三）前后刀面同时磨损,这是一种兼有前两种磨损形式。切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。,1.,初期磨损阶段,在这一阶段，刀具磨削很快。,2.,正常磨损阶段,在这一阶段，刀具磨削较慢，,VB,与切削时间近似正比，斜率表示磨损强度。,3.,急剧磨损阶段,在进入这一阶段时，刀具的磨损量速度突然加快，刀具已经钝化。此时若继续切削，则切削力、温度急升，刀具磨损扩展极其迅速，刀具的切削能力很快就会完全丧失。,二、刀具磨损过程,（一）磨料磨损,切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对,刀具表面刻划作用造成的机械磨损。,低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。,（二）粘结磨损,刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原,子间结合而产生粘结现象，又称为,冷焊,。相对运动使粘,接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。,中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀具刃磨质量差，磨损严重。,三、刀具磨损原因,（三）扩散磨损,刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素,在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。,切削温度越高扩散越快；加工材料亲合力越大扩散越快；,高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,（四）化学磨损,一定温度下，刀具材料材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起 化学作用，生成硬度较低的化合物，造成刀具磨损。,（五）相变磨损,用工具钢切削时，当切削温度超过相变温度时，刀具材料中的金相组织发生变化，硬度明显下降而引起的磨损。,四、刀具的磨钝标准,刀具磨损达到一定限度就不能继续工作，而应进行重磨，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。一般以,后刀面,磨损值,VB,达到一定数值作为磨钝标准。,确定磨钝标准需根据被加工现象的特点和加工条件的具体情况。,（一）根据加工的精度来定,（,1,）粗加工时，一般将磨钝标准定在正常磨损阶段的后期临近剧烈磨损阶段以前。,（,2,）半精加工和精加工的磨钝标准一般低于粗加工；加工精度及表面质量较高时，应当减小磨钝标准，以确保加工质量。,（二）根据加工的材料来定,加工不同的工件材料，切削温度的升高也不相同。,在相同的切削条件下，加工合金的切削温度高于碳钢，加工高温合金及不锈钢的切削温度高于合金钢。,因此在切削难加工材料时，一般应选用较小的磨钝标准，加工一般材料时，磨钝标准可以大一些。,（一）刀具耐用度与使用寿命,刀具耐用度,:,刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间。,刀具总使用寿命：,刀具从开始使用经多次重磨到报废为止的总切削时间。,刀具总使用寿命刀具使用寿命,刃磨次数,（二）刀具使用寿命与切削速度的关系,工件、刀具材料和刀具几何形状确定后，,v,c,对,T,影响最大。,通过实验得经验公式：,v,T,m,=,A,或,lgv+mlgT,=,lgA,式中,A,与实验条件有关的系数，是曲线中截距。它相当于,T,1min,时的切削速度；,m,对,T,影响程度指数，在曲线中表示斜率。,五、刀具耐用度,m,值越小，表示,V,对,T,的影响越大。,总的来说，切削速度对耐用度的影响是很大的。,