金屬切削原理(基本理論).ppt

1、金屬切削原理與刀具,合肥工業(yè)大學(xué)技師學(xué)院,第三章 金屬切削基本理論,概述： 金屬切削過(guò)程就是用刀具從工件表面上切去多余的金屬，形成已加工表面的過(guò)程，也是工件的切削層在刀具前面擠壓下產(chǎn)生塑性變形，形成切屑而被切下來(lái)的過(guò)程,伴隨著切削過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展，形成了許多物理現(xiàn)象，金屬切削理論總結(jié)了關(guān)于金屬切削過(guò)程中的基本物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律，研究這些物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律對(duì)保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低成本和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐有著十分重要的意義,金屬切削的基本物理現(xiàn)象包括：切削變形、切削力、切削溫度、刀具磨損與刀具耐用度。本章將針對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行闡述,3-1 切削變形,切削過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象，都是以切屑形成過(guò)程為

2、基礎(chǔ)的。 了解切屑形成過(guò)程，對(duì)理解切削規(guī)律及其本質(zhì)是非常重要的，現(xiàn)以塑性金屬材料為例，說(shuō)明切屑的形成及切削過(guò)程中的變形情況,一） 切屑的形成過(guò)程 我們將切屑形成過(guò)程近似地比擬為推擠一疊卡片的形象化模型,工 件,刀 具,切屑形成過(guò)程模擬,金屬被切削層好比一迭卡片1、2 、3 、4 等,當(dāng)?shù)毒咔腥霑r(shí)這迭卡片被摞到1、2、3、4.的位置?？ㄆg發(fā)生滑移，這滑移的方向就是剪切面,當(dāng)然卡片和前刀面接觸這一端應(yīng)該是平整的，外側(cè)是鋸齒的、或呈不明顯的毛茸狀,當(dāng)?shù)毒咦饔糜谇行紝?，切削刃由a相對(duì)運(yùn)動(dòng)至O時(shí)，整個(gè)切削單元OMma就沿著OM面發(fā)生剪切滑移；或者OM面不動(dòng)，平行四邊形OMma受到剪切應(yīng)力的作用，變成

3、了平行四邊形OMm1a1,實(shí)際上切屑單元在刀具前面作用下還受到擠壓，因而底邊膨脹為Oa2，形成近似梯形的切屑單元OMm2a2,許多梯形疊加起來(lái)就迫使切屑向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)而彎曲。因此也可以說(shuō)，金屬切削過(guò)程是切削層受到刀具前面的擠壓后，產(chǎn)生以剪切滑移為主的塑性變形，而形成為切屑的過(guò)程,二） 三個(gè)變形區(qū),根據(jù)切削實(shí)驗(yàn)時(shí)制作的金屬切削層變形圖片，可繪制出如圖所示的金屬切削層的滑移線(xiàn)和流線(xiàn)示意圖。流線(xiàn)表示被切削金屬的某一點(diǎn)在切削過(guò)程中流動(dòng)的軌跡。 由圖可見(jiàn)，切削過(guò)程中切削層金屬的變形可大致劃分為三個(gè)變形區(qū),l 第一變形區(qū),從OA線(xiàn)(稱(chēng)始剪切線(xiàn))開(kāi)始發(fā)生塑性變形，到OM線(xiàn)(稱(chēng)終剪切線(xiàn))晶粒的剪切滑移基本完

4、成。這一區(qū)域(I)稱(chēng)為第一變形區(qū),2 第二變形區(qū),切屑沿前刀面排出時(shí)進(jìn)一步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面處的金屬纖維化，纖維化方向基本上和前刀面平行。這一區(qū)域稱(chēng)為第二變形區(qū)(,3 第三變形區(qū),已加工表面受到刀刃鈍圓部分和后刀面的擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化與加工硬化。這部分稱(chēng)為第三變形區(qū)(,這三個(gè)變形區(qū)匯集在刀刃附近，切削層金屬在此處與工件母體分離，一部分變成切屑，很小一部分留在已加工表面上,第變形區(qū) 近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)剪切滑移變形； 第變形區(qū) 與前刀面接觸的切屑底層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)擠壓變形； 第變形區(qū) 近切削刃處已加工表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)已加工表面變形,三） 第一

5、變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形,追蹤切削層上任一點(diǎn)P，可以觀(guān)察切屑的變形和形成過(guò)程,當(dāng)切削層中金屬某點(diǎn)P向切削刃逼近，到達(dá)點(diǎn)1時(shí)，此時(shí)其剪切應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度s，故點(diǎn)1在向前移動(dòng),的同時(shí)，也沿OA滑移，其合成運(yùn)動(dòng)使點(diǎn)l流動(dòng)到點(diǎn)2。2- 2 為滑移量，當(dāng)P點(diǎn)依次到達(dá)3、4點(diǎn)后，其流動(dòng)方向與前刀面平行，不再沿OM線(xiàn)滑移。OA稱(chēng)為始剪切滑移線(xiàn)，OM稱(chēng)為終剪切滑移線(xiàn),通常第一變形區(qū)較窄，寬度僅約為0.20.02mm，可近似用一剪切面來(lái)代替該區(qū)域。 剪切面OC與切削速度間的夾角剪切角。 OA線(xiàn)上的剪應(yīng)力s(屈服極限 )； OA、OB、OC、OM線(xiàn)上的剪應(yīng)力由于變形加工硬化而依次升高，在OM線(xiàn)達(dá)最大值max，

6、若 maxb (強(qiáng)度極限 )時(shí)，切屑為帶狀； maxb時(shí)，切屑為節(jié)壯（擠裂狀,在OA到OM之間的第一變形區(qū)內(nèi)，其變形的主要特征是沿滑移線(xiàn)的剪切滑移變形以及隨之產(chǎn)生的加工硬化,四） 變形程度的表示方法,1、剪切角 實(shí)驗(yàn)證明剪切角的大小和切削力的大小有直接聯(lián)系。對(duì)于同一工件材料，用同樣的刀具，切削同樣大小的切削層，如角較大，剪切面積變小，即變形程度較小，切削比較省力。所以角本身就表示變形的程度,2 變形系數(shù) 切削時(shí)，切屑厚度ach通常都要大于切削深度ac，而切屑寬度lch卻小于切削長(zhǎng)度lc,切削長(zhǎng)度與切屑寬度之比或者切屑厚度與切削厚度之比稱(chēng)為厚度變形系 即,變形系數(shù)是大于1的數(shù)，可以用剪切角表示,

7、上式也可寫(xiě)成,上式表明： 變形的大小與剪切角和前角有關(guān)。一般前角o增大，剪切角增大，減小。 前角o一定時(shí)，若剪切角增大，那么切削變形就小。 用剪切角來(lái)衡量變形的大小，測(cè)量比較麻煩；而變形系數(shù)可直觀(guān)反映切屑的變形程度，并且容易測(cè)量,剪切角隨著切削條件不同而變化，根據(jù)純剪切理論：剪應(yīng)力和主應(yīng)力方向約呈45，且主應(yīng)力fa與作用合力Fr一致，則可確定剪切角為： =45-（-o） 其中為摩擦角,五） 前刀面的擠壓與摩擦及其對(duì)切屑變形的影響,1 前刀面上的摩擦 塑性金屬在切削過(guò)程中，切屑與前刀面之間壓力很大，再加上幾百度的高溫，實(shí)際上切屑底層與前刀面呈粘結(jié)狀態(tài)。故切屑與前刀面之間不是一般的外摩擦，而是切屑

8、和前刀面粘結(jié)層與其上層金屬之間的內(nèi)摩擦,這種內(nèi)摩擦實(shí)際上就是金屬內(nèi)部的滑移剪切，它不同于外摩擦(外摩擦力的大小與摩擦系數(shù)以及正壓力有關(guān)，與接觸面積無(wú)關(guān))，內(nèi)摩擦與材料的流動(dòng)應(yīng)力特性以及粘結(jié)面積大小有關(guān),令為前刀面上的平均摩擦系數(shù)，則,式中: Af1內(nèi)摩擦部分的接觸面積； av 內(nèi)摩擦部分的平均正應(yīng)力； s 工件材料剪切屈服強(qiáng)度。 由于隨切削溫度升高略有下降，隨材料硬度、切削厚度及刀具前角而變化，其變化范圍較大，因此， 是一個(gè)變數(shù),刀-屑接觸部分可分為兩個(gè)區(qū)域，在粘結(jié)部分為內(nèi)摩擦，滑動(dòng)部分為外摩擦。圖中也表示出了整個(gè)刀-屑接觸區(qū)上正應(yīng)力r的分布，金屬的內(nèi)摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，應(yīng)著重考慮

9、內(nèi)摩擦,2影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素,工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度是影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素,實(shí)驗(yàn)表明在相同切削條件下，加工幾種不同工件材料，如銅、20鋼、40Cr鋼、1Crl8Ni9Ti等，隨著工件材料的強(qiáng)度和硬度的依次增大，摩擦系數(shù)略有減?。?這是由于在切削速度不變的情況下，材料的硬度、強(qiáng)度大時(shí)，切削溫度增高，故摩擦系數(shù)下降,切削厚度ac增加時(shí)， 也略為下降；如20鋼的ac從0. lmm增大到0. 18mm， 從0 .74降至0 .72。因?yàn)閍c增加后正應(yīng)力也隨之增大,在一般切削速度范圍內(nèi)，前角。愈大，則值愈大。因?yàn)殡S著。增大，正應(yīng)力減小，故增加,切削速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響見(jiàn)

10、圖,當(dāng)V30mmin時(shí)，切削速度提高，摩擦系數(shù)變大,這是因?yàn)樵诘退賲^(qū)切削溫度較低，前刀面與切屑底層不易粘接，粘結(jié)的嚴(yán)密程度隨速度(溫度)增高而發(fā)展，從而使上升。 當(dāng)v超過(guò)30mmin后，溫度進(jìn)一步升高，材料塑性增加，而使切屑底層材料的s下降，故隨之逐漸下降,六）積屑瘤的形成及其對(duì)切削過(guò)程的影響,定義： 在切削速度不高而又能形成連續(xù)性切屑的情況下，加工鋼料等塑性材料時(shí)，常在前刀面切削刃口處粘著一塊楔形的金屬塊，它的硬度較高(通常是工件材料的23倍)，在處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，能夠代替刀刃進(jìn)行切削。這塊冷焊在前刀面上的金屬稱(chēng)為積屑瘤,切削加工時(shí)，切屑與前刀面發(fā)生強(qiáng)烈摩擦而形成新鮮表面接觸。當(dāng)接觸面具有適當(dāng)

11、的溫度和較高的壓力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)(冷焊)。于是，切屑底層金屬與前刀面冷焊而滯留在前刀面上。連續(xù)流動(dòng)的切屑從粘在刀面的底層上流過(guò)時(shí)，在溫度、壓力適當(dāng)?shù)那闆r下，也會(huì)被阻滯在底層上。使粘結(jié)層逐層在前一層上積聚，最后長(zhǎng)成積屑瘤,形成機(jī)理,影響積屑瘤產(chǎn)生的因素,工件材料的影響：塑性高的材料，由于切削時(shí)塑性變形較大，加工硬化趨勢(shì)較強(qiáng)，積屑瘤容易形成；而脆性材料一般沒(méi)有塑性變形，并且切屑不在前刀面流過(guò)，因此無(wú)積屑瘤產(chǎn)生,切削速度主要通過(guò)切削溫度影響積屑瘤,低速(Vc35mmin)時(shí)，切削溫度較低（低于300），切屑流動(dòng)速度較慢，摩擦力未超過(guò)切屑分子的結(jié)合力，不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。 高速(Vc6070mmin)時(shí)，

12、溫度很高（500600以上） ，切屑底層金屬變軟。摩擦系數(shù)明顯降低，積屑瘤也不會(huì)產(chǎn)生。 中等速度(535mmin)時(shí)，切削溫度約為300左右，摩擦系數(shù)最大，最容易產(chǎn)生積屑瘤。 約20mmin 時(shí)最大,刀具前角的影響：采用小前角比用大前角時(shí)容易產(chǎn)生積屑瘤,前角小切屑變形劇烈，前面的摩擦力也較大，同時(shí)溫度也較高，因此容易產(chǎn)生積屑瘤,反之前角較大時(shí)，切屑對(duì)刀具前刀面的正壓力減小，切削力和切屑變形也隨之減小，不容易產(chǎn)生積屑瘤，當(dāng)前角大到4050時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤,刀具表面粗糙度的影響。 減小刀具前刀面的表面粗糙度值，可減小積屑瘤的產(chǎn)生,切削液的影響。 切削液中含有活性物質(zhì)，能迅速滲入加工表面和刀具之

13、間，減小切屑與刀具前刀面的摩擦，并能降低切削溫度，所以不易產(chǎn)生積屑瘤,積屑瘤對(duì)切削過(guò)程的影響,1. 影響刀具耐用度： 積屑瘤包圍著切削刃，同時(shí)覆蓋著一部分前刀面。積屑瘤相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可代替切削刃進(jìn)行切削。切削刃和前刀面都得到積屑瘤的保護(hù)，減少了刀具的磨損，提高刀具耐用度；但在不穩(wěn)定時(shí)，積屑瘤的破裂有可能導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具的剝落磨損,2. 增大實(shí)際前角： 有積屑瘤的車(chē)刀，實(shí)際前角可增大至3050之間，因而減少了切屑的變形，降低了切削力,積屑瘤的前端伸出切削刃之外，改變了背吃刀量，有積屑瘤的切入深度比沒(méi)有積屑瘤時(shí)增大了ac ，因而影響了工件的加工尺寸精度。 另外由于屑瘤的產(chǎn)生、成長(zhǎng)與脫落是一個(gè)周期性過(guò)

14、程，ac的變化有可能引起振動(dòng),3. 增大切入深度,4. 增大已加工表面粗糙度值,積屑瘤的底部較上部穩(wěn)定，但在通常條件下，積屑瘤總是不穩(wěn)定的。它時(shí)大時(shí)小，時(shí)生時(shí)滅。在切削過(guò)程中，一部分積屑瘤被切屑帶走，另一部分嵌人工件已加工表面內(nèi)，使工件表面產(chǎn)生硬點(diǎn)和毛刺，增大了已加工表而的粗糙度值，影響工件表面質(zhì)量,精加工時(shí)：一定要設(shè)法避免積屑瘤的產(chǎn)生； 粗加工時(shí)： 1) 采用硬質(zhì)合金刀具時(shí)，一般也不希望產(chǎn)生積屑瘤； 2) 采用高速鋼刀具時(shí)，積屑瘤粘附在刀具前面上，在相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可代替刀刃切削，有減小刀具磨損，提高耐用度的作用,在精加工時(shí)應(yīng)避免或減小積屑瘤，其措施有： 1) 控制切削速度，盡量采用很低或很高的

15、速度，避開(kāi)中速區(qū)(尤其是1020mmin) ； 2) 增大刀具前角，以減小刀屑接觸區(qū)壓力； 3) 減小進(jìn)給量； 4) 減小刀面的表面粗糙度； 5) 使用潤(rùn)滑性能好的切削液，以減小摩擦； 6) 提高工件材料硬度，減少加工硬化傾向,七）加工硬化,加工硬化亦稱(chēng)冷作硬化，它是在第變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的物理現(xiàn)象,任何刀具的切削刃口都很難磨得絕對(duì)鋒利，當(dāng)在鈍圓弧切削刃和其鄰近的狹小后面的切削、擠壓和摩擦作用下，使已加工表面層的金屬晶粒產(chǎn)生扭曲、擠緊和破碎。這種經(jīng)過(guò)嚴(yán)重塑性交形而使表面層硬度增高的現(xiàn)象稱(chēng)為加工硬化,加工硬化有如下特點(diǎn),1） 硬化程度愈高，硬化層深度也愈深； 2） 加工硬化給下一道工序造成困難，刀具易

16、被磨損； 3） 硬化層表面常會(huì)出現(xiàn)細(xì)微裂紋，增大表面粗糙度和降低材料的疲勞強(qiáng)度，金屬材料經(jīng)硬化后提高了屈服強(qiáng)度,影響因素,1) 刀具方面：增大前角、增大后角、在刃磨時(shí)減小切削刃鈍圓弧半徑，硬化程度隨之減小。 2) 切削用量方面：增大切削速度、減小背吃刀量及進(jìn)給量，使切削變形小，故冷硬程度減輕。 3）工件材料方面：材料塑性越大，金屬晶格滑移越容易，硬化越嚴(yán)重，例如不銹鋼1Cr18Ni9Ti的硬化深度1/3ap。 4) 合理選用切削液：澆注切削液能減小刀具后面與加工表面摩擦，冷硬程度減輕,八）殘余應(yīng)力,指切削過(guò)程結(jié)束后，在已加工表面表層中殘存的內(nèi)應(yīng)力。有時(shí)為殘余拉應(yīng)力，有時(shí)也為殘余壓應(yīng)力,最外層應(yīng)

17、力和里層的應(yīng)力符號(hào)相反，保持平衡,1）產(chǎn)生原因,1） 彈性、塑性變形已加工表面層塑性變形，里層處于彈性變形； 2） 切削熱的作用表層與里層溫度差異，故收縮比里層大，最終表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生壓應(yīng)力； 3） 相變引起的體積變化高溫造成表層晶相組織變化，導(dǎo)致體積變化，受到里層金屬的限制產(chǎn)生應(yīng)力,2) 產(chǎn)生后果,1）均會(huì)使已加工表面發(fā)生裂紋； 2）降低零件的疲勞強(qiáng)度； 3）影響零件的尺寸和形狀，甚至?xí)l(fā)生彎曲、凸起變形,1) 刀具方面：減小前角；后刀面和切削刃鈍圓弧半徑磨損小時(shí)，拉內(nèi)應(yīng)力隨之減小。 2) 切削用量方面：增大切削速度、減小進(jìn)給量，拉內(nèi)應(yīng)力隨之減小。 3）工件材料塑性大，易產(chǎn)生拉內(nèi)

18、應(yīng)力。 4) 選用切削液能減小減小表面殘余內(nèi)應(yīng)力。 5）粗加工后進(jìn)行時(shí)效退火處理是最有效的方法,影響因素,九） 切屑變形的變化規(guī)律 在分析了切削過(guò)程中第一變形區(qū)、第二變形區(qū)的變形和摩擦之后，我們來(lái)歸納一下影響切屑變形的主要因素，以便利用這些規(guī)律優(yōu)化切削過(guò)程,1 工件材料對(duì)切屑變形的影響,工件材料強(qiáng)度、硬度愈高，切屑變形愈小。 這是因?yàn)楣ぜ牧蠌?qiáng)度愈高，摩擦系數(shù)愈小。根據(jù)=90-（0 ） 及=cos（-0）/sin（） 兩式可知， 減小時(shí)(=tg)，剪切角將增大，于是變形系數(shù)將減小。 工件材料的塑性愈大，切屑變形就愈大,2 刀具前角對(duì)切屑變形的影響,刀具前角0愈大，切屑變形愈小。 這是因?yàn)楫?dāng)0增

19、加時(shí)，剪切角增大，因而變形系數(shù)減小。 =90-（0 ） 另一方面0增大使摩擦角增加，導(dǎo)致減小，但其影響比0增加的影響小，從而使增加， 變小,3 切削速度對(duì)切屑變形的影響,在無(wú)積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，切削速度愈高，則變形系數(shù)愈小。這有兩方面原因： 其一 是因?yàn)樗苄宰冃蔚膫鞑ニ俣容^彈性變形的慢。當(dāng)切削速度低時(shí)，金屬始剪切面為OA，但當(dāng)切削速度高時(shí)，金屬流動(dòng)速度大于塑性變形速度，亦即在OA線(xiàn)上尚未顯著變形就已流動(dòng)到0A線(xiàn)上，這意味著此時(shí)的第一變形區(qū)后移，使增大 其二 是v對(duì)有影響。除低速區(qū)外，v增大，則減小，因此減小,4 切削厚度對(duì)切屑變形的影響,當(dāng)切削厚度增加時(shí)，摩擦系數(shù)減小， 增大，變形變小?？?/p>

20、見(jiàn)，在無(wú)積屑瘤情況下，f愈大，則愈小,從另一方面來(lái)看，切屑中的底層變形最大，離前面愈遠(yuǎn)的切屑層變形愈小。因此，f愈大，切屑中平均變形則愈??；反之，切屑愈薄，變形量愈大,十） 切屑的類(lèi)型,根據(jù)切削層變形特點(diǎn)和變形后形成切屑的外形不同通常將切屑分為以下四類(lèi),1） 帶狀切屑,外形連續(xù)不斷呈帶狀。它的內(nèi)表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金屬材料，當(dāng)切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時(shí)，一般常得到這類(lèi)切屑。它的切削過(guò)程平衡，切削力波動(dòng)較小，已加工表面粗糙度較小。例如切削碳素鋼、合金鋼、銅和鋁合金時(shí)常出現(xiàn)這類(lèi)切屑。易切鋼易得到這類(lèi)切屑,2）節(jié)狀切屑（擠裂切屑,這類(lèi)切屑與帶狀切屑不同之處在外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時(shí)有裂紋。這種切屑大多在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時(shí)產(chǎn)生,3）粒狀切屑（單元切屑,如果在擠裂切屑的剪切面上，裂紋擴(kuò)展到整個(gè)面上，則整個(gè)單元被切離，成為梯形的單元切屑,假如改變擠裂切屑的條件，如進(jìn)一步減小刀具前角，減低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到單