华南理工大学机械制造技术基础第二章 金属切削过程的基本规律及其应用 - 图文

第二章金属切削过程的基本规律及其应用

本章提要

2.1 金属切削过程的基本规律2.2 金属切削过程基本规律的应用

本章提要

本章主要介绍了金属切削过程四个方面的基本规律及其生产上五个方面的应用。

在切削过程中，产生了切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化等各种现象，严重影响了生产的进行。针对上述现象，本章分析了产生诸现象的原因及对切削过程的影响，并在此基础上总结出切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化四大规律。应用这些规律，很好地解决了生产上出现的各种问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀具几何参数与切削用量等，并对促进机械加工技术的发展起着很重要的作用。

2.1 金属切削过程的基本规律

2.1.1 切削变形

2.1.2 切削力

2.1.3 切削热与切削温度

2.1.4 刀具磨损与刀具耐用度

2.1.1 切削变形金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：(a)压缩（b）切削图2.1 金属的压缩与切削塑性金属受压缩时，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。通常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变型区，如图2.1（c）所示：第Ⅰ变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；第Ⅱ变形区与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；（c）三个变形区第Ⅲ变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区。图2.1 金属的压缩与切削

2.1.1 切削变形2.1.1.1 切屑的形成及变形特点2.1.1.2 切屑的类型2.1.1.3 变形程度的量度方法2.1.1.4 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤2.1.1.5 切削变形的变化规律2.1.1.1 切屑的形成及变形特点

(1)第一变形区金属的剪切滑移变形

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。图2.2（a）是取金属内部质点P来分析滑移过程：

（a）质点滑移过程图2.2 切屑形成过程

如图2.2(b)所示，对于切削层mn来说，mn移至剪切面AB时，产生滑移后形成切屑m?n?上。这个过程连续进行，切削层便连续地通过前刀面转变为切屑。此图与形成切屑时的实际变形较接近，故称之为切屑形成模型。剪切面AB与切削速度vc之间的夹角?称为剪切角。作用力Fr与切削速度vc之间的夹角成为作用角。?由此可知，第?变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。（b）切屑形成模型图2.2 切屑形成过程(2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形

经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形（第二变形区的变形）这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里，表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。

(3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形

已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化与加工硬化。

2.1.1.2 切屑的类型由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也不同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类：(3)单元切屑切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。（1）带状切屑：外形呈带状。（2）挤裂切屑：切屑上与前刀面接触的一面较光洁，其背面局部开裂成节状。（4）崩碎切屑切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，得到的切屑呈不规则的细粒状。切屑的类型是由材料的应力—应变特性和塑性变形程度决定的。

2.1.1.3 变形程度的量度方法(1)相对滑移ε相对滑移ε是用来量度第Ⅰ变形区滑移变形的程度。如图2.4，设切削层中A’B’线沿剪切面滑移至A”B”时的距离为△y，事实上△y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为△S。相对滑移ε表示为：?sB'C?CB''????cot??tan(???0)?y?y(2.1)图2.4 相对滑移（2）变形系数Λh变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸变化大小。如图2.5所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短lchhD(宽度不变)，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。变形系数Λh表示切屑收缩的程度，即：lchch?h???1lchhD(2.2)式中lc、hD—切削层长度和厚度；lch、hch－切屑长度和厚度。图2.5 切屑的收缩由图2.5可知剪切角θ变化对切屑收缩的影响，θ增大剪切面AB减短，切屑厚度hD减小，故且Λh变小，它们之间的关系如下：hchABcos(???0)?h???cot?cos?0?sin?0(2.3)hDABsin?公式(2.1)、(2.3)表明，剪切角θ与前角γ0变化是影响切削变形的两个主要因素。因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角γ0和剪切角θ，使ε、Λh减小，则切削变形减小。Λh主要从塑性压缩方面分析；而ε值主要从剪切变形考虑。所以，ε与Λh只能近似地表示切削变形等程度。2.1.1.4 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤(1)作用力分析如图2.6所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的正压力Fn与摩擦力Ff组成的合力Fr与剪切面上反作用力共线，并处于平衡。将合力F’r分解成二组分力：在运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。分力Fz、Fy可利用测力仪测得。由于剪切力Fs的作用，使切削层在剪切面上产生剪切变形。正压力Fn摩擦力Ff剪切力Fs法向力Fns合力F’r合力Fr图2.6 切屑上受力分析Fs按下列公式计算：Fs?F'rcos???(???0)??F'rcos(???0)cos??F'rsin(???0)sin??Fs?Fzcos??Fysin?剪切面上产生的剪应力η应为：(2.4)Fzcos??Fysin?Fs??sin??sin?ADhD.bD上两式中β——摩擦角；AD——切削层面积。(2.5)

前刀面上摩擦力Ff与正压力Fn之比，即为前刀面与切屑接触面间摩擦系数μ：μ＝tanβ＝Ff/Fn （2.6）摩擦系数μ或摩擦角β亦可根据已测得的分力Fz、Fy值求得：tan（β－γ0）＝Fy/Fz（2.7）(2)剪切角θ确定下面简要介绍M.E.Merchant提出的按最少能量原则来确定剪切角θ的原理。由图2.6可知，切削力Fz为：Fzcos(???0)?ADcos(???0)Fz?F'rcos(???0)??cos(?????0)sin?cos(?????0)(2.8)?FZ?0，然后求解欲求最小切削力或耗能最少时的剪切角θ，则取??出θ为：θ＝45°+γ0/2－β/2 （2.9）此外，也可按最大剪应力的理论，求出剪切角φ为：φ＝п/4＋γ0－β。从式（2.9）中也可看出第Ⅱ变形区产生的摩擦对第Ⅰ变形区剪切变形的影响规律。（3）切屑与前刀面间的摩擦切屑与前刀面间的摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图2．7所示有粘结区和滑动区。经测定切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图2．7所示。剪应力η的分布在粘结区内η基本上是不变的，它等于较软金属的剪切屈服极限ηs；在滑动区剪应力η是变化的，离切削刃越远，η越小。正应力ζ分布在接触区内正应力ζ是变·化的，离切削刃越远，前刀面上正压力越小，故正应力ζ越小。近切削刃处正应力ζ为最大值图2.7 应力分布粘结区内的摩擦系数μ计算方法如下：Ari?s?s??tan????FniAri?av?av式中Ffi(2.10)Ffi、Fni—分别指粘结区内的摩擦力和正压力；Ari—粘结面积；σav——粘结区内平均正应力。(4)积屑瘤

如图2.8所示，积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，图2．8为积屑瘤替代切削刃参加切削情况。当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时(图中R0．134mm)，会产生较大的挤压作用。此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生。

图2.8 积屑瘤

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