金屬切削過(guò)程

1、第二章 金屬切削過(guò)程1金屬切削的變形過(guò)程1）切削過(guò)程的本質(zhì)金屬的切削過(guò)程實(shí)質(zhì)上是工件材料的切削層在刀具的刀刃和前刀面作用下受到擠壓，沿剪切面產(chǎn)生剪切滑移變形，而轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?，同時(shí)形成已加工表面的過(guò)程。剪切滑移變形擠壓刀刃、前刀面工件切削層切屑已加工表面切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力，切削熱直接影響著刀具的磨損和已加工表面質(zhì)量，所以只有深入研究切削過(guò)程才能從根本上理解切削變形機(jī)理、切屑和加工表面的形成，了解切削力、切削溫度的變化規(guī)律，及其對(duì)刀具磨損和加工質(zhì)量的影響；有助于理解加工過(guò)程的優(yōu)化措施，達(dá)到提高加工效率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。2）切削中的三個(gè)變形區(qū)在圖2-7中，工件上劃出一些正交網(wǎng)格，假設(shè)刀具不

2、動(dòng)，工件從左向右運(yùn)動(dòng)，到達(dá)AO線后開始發(fā)生變形，方格扭曲，切削層金屬大部沿前刀面向上運(yùn)動(dòng)成為切屑，通過(guò)OM線后變形大部分完成。在沿前刀面繼續(xù)運(yùn)動(dòng)中，接觸前刀面的一部分與前刀面劇烈摩擦，繼續(xù)變形，切削層下邊緣金屬由刀刃O點(diǎn)下方流過(guò)，成為新切出的工件表層。一般稱AOM區(qū)為第一變形區(qū)，切屑底部與前刀面摩擦而繼續(xù)變形的區(qū)域稱為第二變形區(qū)，從刀刃下面流過(guò)留在工件表面的變形區(qū)稱為第三變形區(qū)。第一變形區(qū)實(shí)際寬度只有0.020.2mm，可用一平面近似代替，稱為剪切面(圖2-8)，其與切削速度夾角稱剪切角f。3）第一變形區(qū)變形程度的表示（1）變形系數(shù)（p37）這一參數(shù)是利用切削層變形前后形狀的差異來(lái)表示變形程度

3、，切削層受到擠壓成為切屑后變得又厚又短，變形前后厚度比值稱為厚度變形系數(shù)： （21）hD為切削厚度（圖1-28）hch為切屑厚度（圖2-8）變形前后的長(zhǎng)度比值為長(zhǎng)度變形系數(shù)： （22）lc為切削層長(zhǎng)度（沿切削速度方向）lch切屑長(zhǎng)度而切削寬度bD基本不變，同時(shí)因?yàn)轶w積不可壓縮，所以： （23）（2）剪應(yīng)變（相對(duì)滑移）e（p37）二平行表面間的剪應(yīng)變等于滑移前后的位移量與二平行表面距離之比。 （25）（3）剪切角f由圖2-8可見，剪切角變小，切屑變厚，變形系數(shù)增大。所以剪切角可以直觀判斷切屑變形程度。2 前刀面的摩擦與變形本節(jié)主要講第二變形區(qū)的變形，這一區(qū)域內(nèi)的塑性變形程度大于第一變形區(qū)，第二變

4、形區(qū)變形=第一變形區(qū)變形+前刀面摩擦產(chǎn)生變形。1）前刀面的摩擦（1）外摩擦物體之間的摩擦一般是外摩擦。兩摩擦表面之間是峰點(diǎn)接觸（圖2-21）：即物體表面只是微觀凸峰接觸，實(shí)際接觸面積Ar遠(yuǎn)小于名義接觸面積Aa。峰點(diǎn)處的變形正應(yīng)力總和與壓力平衡： （2-12）峰點(diǎn)處的變形剪應(yīng)力ts總和等于摩擦力Fg：對(duì)于給定材料，ts、ss是常數(shù)，摩擦系數(shù)m為常數(shù)，即符合古典摩擦定律。（2）內(nèi)摩擦由式2-12見，ArµFgn，當(dāng)Fgn持續(xù)增大直到Ar =Aa時(shí)，接觸表面由峰點(diǎn)接觸變?yōu)榫o密型接觸（圖2-22），由于接觸面積不再增大，ts等于材料屈服極限，基本不變，所以正壓力增大時(shí)摩擦力不再增大，即正壓力

5、增大時(shí)摩擦系數(shù)減小（2-15），古典摩擦定律不再適用。存在內(nèi)摩擦現(xiàn)象是前刀面摩擦第一大特點(diǎn)。（3）前刀面內(nèi)、外摩擦分布接近切削刃的部位為內(nèi)摩擦區(qū)，又稱為粘結(jié)區(qū)；遠(yuǎn)離切削刃部分為外摩擦區(qū)，又稱為滑動(dòng)區(qū)。內(nèi)摩擦區(qū)：摩擦應(yīng)力材料剪切屈服極限常數(shù)；外摩擦區(qū)：摩擦系數(shù)常數(shù)（圖2-23）。整個(gè)刀屑接觸區(qū)分為粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)前刀面摩擦第二大特點(diǎn)。（4）內(nèi)、外摩擦的物理實(shí)質(zhì)前刀面工況： 刀屑?jí)毫Υ笥诠ぜ牧锨?yīng)力 溫度（數(shù)百、上千）金屬軟化，原子活性 切屑底層是無(wú)氧化，油污的干凈表面，有利于焊合。在上述工作狀況下切屑底層同前刀面要發(fā)生焊合，稱冷焊，此時(shí)切屑還要繼續(xù)流動(dòng)，于是就產(chǎn)生了切屑金屬層之間的相對(duì)滑移，而

6、刀屑界面上無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這就是“內(nèi)摩擦”一詞的來(lái)歷，也是內(nèi)摩擦運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)。切屑沿前面流出粘結(jié)區(qū)范圍后，正壓力減小，刀屑界面上成為峰點(diǎn)接觸，周圍介質(zhì)（冷卻液、空氣）活性元素滲入使界面上迅速生成潤(rùn)滑膜，切屑底層同前刀面間發(fā)生滑動(dòng)，刀屑之間成為外摩擦。2）滯流層和積屑瘤（1）滯流層冷焊在前刀面的切屑層又稱為滯流層。滯流層與切屑本體沒(méi)有明顯的界線，切屑材料沿前刀面的流動(dòng)在整個(gè)切屑厚度方向上形成非線性速度梯度，越接近前刀面，速度越低，刀屑界面上速度為零(舉例：河水)。產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)速度梯度的實(shí)質(zhì)是切屑材料發(fā)生平行于前刀面的剪切流動(dòng)變形，這是第二變形區(qū)塑性變形的特點(diǎn)之一。滯流層特征：晶粒嚴(yán)重纖維化，材料各向異性，

7、剪應(yīng)變極大（至數(shù)百）。（2）積屑瘤a) 形成機(jī)理、條件機(jī)理：在一定的條件下滯流層逐漸堆積，一層層疊起來(lái)就會(huì)在前刀面上堆起一個(gè)瘤狀物（圖2-24），稱為積屑瘤(built-up-edge BUE)。條件：中等切削速度下（圖2-25），前刀面摩擦最大前刀面摩擦的第三大特點(diǎn)。刀具前角小加工塑性合金材料 (加工純金屬不形成BUE)b) 對(duì)切削過(guò)程的影響實(shí)際前角增大（圖2-26）；切削厚度增大（圖2-26）；表面粗糙度及表面精度變差：其高度不穩(wěn)定，經(jīng)常處于脫落一層積的過(guò)程中，所以使已加工表面凸凹不平，脫落后留在已加工表面上，形成鱗刺。對(duì)刀具磨損的影響： 代替刀刃切削，減輕磨損； 全部脫落時(shí)，粘掉刀具材料

8、，加劇磨損； 脫落后工件表面的碎片很硬，加劇磨損。3 加工表面形成與加工表面質(zhì)量（包含第五章內(nèi)容）1）加工表面的形成(1) 加工表面形成過(guò)程一般為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)： 刀刃絕對(duì)鋒利 后刀面與工件表面相離(圖2-3，2-4，2-8，2-9等)， 切削層hD全部被切去變?yōu)榍行紝?shí)際上從微觀上看， 刀刃總有一個(gè)鈍圓，其半徑為rn， 刀具的鋒利狀態(tài)維持很短時(shí)間，后刀面很快形成磨損帶VB， 切削中，切削層hD不是全部沿前刀面流出變?yōu)榍行迹凶钕旅鍰a厚的一層，是從O點(diǎn)下方經(jīng)過(guò)，留在加工表面。這樣后刀面同工件表面不可能完全分離。Da厚的一層受到ob段擠壓bc段摩擦cd段彈性恢復(fù)。由于壓力很大，產(chǎn)生了塑性變形，

9、所以壓下層不可能完全恢復(fù)，必然Da >Dh。(2) 加工表面特點(diǎn)在加工表面形成過(guò)程中，第三變形區(qū)內(nèi)工件材料受到擠壓和摩擦，同前刀面上相似，所以晶粒也產(chǎn)生纖維化，纖維化方向與切削速度平行，越接近表面，變形和纖維化越嚴(yán)重，使表層材質(zhì)發(fā)生變化。已加工表面要留下刀尖切削痕跡，留下一些積屑瘤碎片（圖5-7，p247），在某些加工條件下，已加工表面會(huì)出現(xiàn)鱗刺：鱗片狀毛刺。其形成條件與BUE的形成條件相似：中等切削速度下、小前角、加工塑性材料。2）加工表面質(zhì)量加工后表層材質(zhì)發(fā)生變化，表面的微觀不平整也影響表面質(zhì)量，所以影響表面質(zhì)量的因素有：（1）加工表面粗糙度表面粗糙度是表面微觀不平整的程度，最常用的

10、指標(biāo)是Ra：表面輪廓的算術(shù)平均偏差(絕對(duì)值的積分中值)。影響粗糙度的因素主要有： 加工殘留面積進(jìn)給運(yùn)動(dòng)所留的痕跡(圖5-5，p247) 加工殘留面積與刀具的主偏角、副偏角、刀尖及過(guò)渡刃形式、尺寸，進(jìn)給量有關(guān)，是根據(jù)上述參數(shù)可以算出的粗糙度，稱為理論粗糙度。尖刀圓弧刃實(shí)際粗糙度一般大于理論粗糙度（圖5-6，p247），這是由于積屑瘤、鱗刺、塑性變形（圖5-10，p249）、刀刃磨損、加工顫振等原因。因此影響粗糙度的因素還有： 切削速度：中等切削速度下容易產(chǎn)生積屑瘤、鱗刺； 工件材質(zhì)：塑性、韌性高，易于產(chǎn)生積屑瘤、鱗刺，產(chǎn)生側(cè)向流動(dòng)； 刀具前角：小前角、負(fù)前角容易產(chǎn)生積屑瘤、鱗刺； 刀具材料：刀具

11、-工件摩擦系數(shù)影響積屑瘤、鱗刺的產(chǎn)生； 切削液：切削液潤(rùn)滑性能影響積屑瘤、鱗刺的產(chǎn)生。（2）加工硬化塑性金屬經(jīng)塑性變形后屈服極限提高的現(xiàn)象稱為加工硬化。（舉例：折斷鐵絲）由于第三變形區(qū)經(jīng)歷了劇烈的塑性變形，故已加工表面產(chǎn)生加工硬化。由于加工硬化由塑性變形引起，所以凡是影響切削變形的因素都會(huì)影響加工硬化，例如rn硬化。此外，工件材料的“強(qiáng)度極限”/“屈服極限”，強(qiáng)化程度，例如不銹鋼、高錳鋼。（畫拉伸曲線）（3）殘余應(yīng)力物體在無(wú)外力作用時(shí)，其內(nèi)部為保持平衡而存留的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。在刀具切過(guò)工件表面時(shí)，表層塑變，里層彈變，經(jīng)過(guò)刀具熨壓后（o-b-c-d），里層彈性變形要恢復(fù)，而表層的塑變不能恢復(fù)，約束了里層彈性恢復(fù)，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。工件表面為殘余拉應(yīng)力時(shí)影響工件的疲勞強(qiáng)度。（4）加工振動(dòng) 對(duì)加工效果的影響：影響表面質(zhì)量，粗糙度、波紋