金屬切屑根部標(biāo)本制備_變形系數(shù)_剪切角測(cè)定

1、切屑根部金相標(biāo)本制備、變形系數(shù)及剪切角的測(cè)定金屬切削實(shí)驗(yàn)技術(shù)王紅軍2008. 11主要內(nèi)容n變形系數(shù)的測(cè)定n剪切角的測(cè)定n切屑根部金相標(biāo)本制作1.切屑根部金相標(biāo)本制作基本步驟：切屑根部標(biāo)本的嵌裝試樣表面的制備試樣的拋光金相腐蝕1.1切屑根部標(biāo)本的嵌裝l切屑極易斷離和變形，為防止切屑斷離及變形必須對(duì)切屑根部標(biāo)本進(jìn)行嵌裝。l快速落刀裝置取得切屑根部后，需將切屑連同與其毗連的工件仔細(xì)切割(機(jī)械切割、線切割)。l標(biāo)本尺寸一般宜在1015mm范圍內(nèi)。標(biāo)本的嵌裝將切屑根部標(biāo)本鑲嵌在低熔點(diǎn)金屬、硫磺、硬塑料或環(huán)氧樹(shù)脂中。金相根部嵌裝切屑根部標(biāo)本金屬環(huán)平板1.1.1 用低熔點(diǎn)、硫磺或環(huán)氧樹(shù)脂嵌裝常用嵌裝試樣的

2、低熔點(diǎn)合金有鉍、鉛、錫等，不同含量其熔點(diǎn)溫度76124之間。低熔點(diǎn)合金存在不足：u腐蝕劑會(huì)滲入試樣和鑲嵌材料間u灌注的合金對(duì)試樣起電化保護(hù)作用而影響顯現(xiàn)顯微組織的效果用硫磺作為鑲嵌材料硫磺避免了低熔點(diǎn)合金的不足，且價(jià)廉，與大多數(shù)金相化學(xué)腐蝕劑不起化學(xué)反應(yīng)，采用較多。存在的主要缺點(diǎn)：金相顯微鏡觀察時(shí)，背景與標(biāo)本的顏色對(duì)比度不強(qiáng)，影響拍攝效果。用環(huán)氧樹(shù)脂作為鑲嵌材料固化后性能符合要求，鑲嵌工藝簡(jiǎn)單。1.1.2 用硬塑料嵌裝嵌裝用硬塑料為黑色酚醛樹(shù)脂(黑電木粉，熱固性塑料，在130150左右固化)用硬塑料鑲嵌標(biāo)本裝置壓頭壓模標(biāo)本底座加熱板市場(chǎng)銷售的標(biāo)本嵌裝機(jī)采用在壓模外纏繞電熱絲加熱的方法，且溫度可

3、調(diào)。(目前最常用的嵌裝切屑根部的方法)MC004-ZXQ-2全自動(dòng)金相試樣鑲嵌機(jī)鑲嵌設(shè)備1.2 試樣表面的制備銼刀或砂輪平整表面砂布磨光(從粗到細(xì))1.2.1 制備過(guò)程砂輪平整試樣時(shí)，不要使試樣產(chǎn)生燒傷。砂布磨光時(shí)，開(kāi)始用較粗砂布(100#150#)，然后逐漸改用較細(xì)砂布，最終磨制時(shí)用200#240#細(xì)砂布。細(xì) 磨1.2.2 砂布磨光時(shí)注意事項(xiàng)磨制標(biāo)本時(shí)，不能過(guò)分用力將試樣壓在磨盤上，以免被磨表面發(fā)熱過(guò)度。當(dāng)用一種砂布磨光時(shí)，試樣的位置不應(yīng)變動(dòng)。當(dāng)換用下一號(hào)砂布時(shí)，應(yīng)將試樣位置轉(zhuǎn)動(dòng)90，使新的磨痕垂直于前一磨痕，當(dāng)前一磨痕被磨掉后才更換下一號(hào)砂布。在每次更換砂布時(shí)均應(yīng)仔細(xì)清洗標(biāo)本。1.2.3

4、細(xì)磨方法黑色金屬標(biāo)本，細(xì)磨用粒度為240#280#金剛砂為磨料。細(xì)磨方法：將細(xì)麻布箍緊在旋轉(zhuǎn)磨盤，試樣輕壓在磨盤上，工作時(shí)磨盤始終保持一定的濕度。鋼試樣細(xì)磨用鉻鋁研磨膏作為磨光劑。對(duì)鋁及鋁合金試樣，平整鋁試樣表面用銼刀；磨光則在涂有石蠟煤油溶液的140#、180#和240#的砂布上循序進(jìn)行。成 分 粗 磨中 磨細(xì) 磨氧化鉻373532氧化鋁373532石蠟202430脂肪酸333煤油222碳酸鈉111鉻鋁研磨膏的成分(重量百分比)1.3 試樣的拋光黑色金屬用氧化鉻或氧化鐵的細(xì)粉末進(jìn)行拋光。拋光粉與蒸餾水混和。將細(xì)呢絨經(jīng)水泡浸后箍在磨盤上進(jìn)行拋光。試樣輕壓于旋轉(zhuǎn)的磨盤上(n=7001000rpm

5、)。1L水加入5g氧化鋁，或1015g氧化鉻或氧化鐵鋁試樣預(yù)拋光終拋光+細(xì)呢絨，拋光劑用氧化鋁+蒸餾水，混和液濕潤(rùn)細(xì)呢絨，磨盤轉(zhuǎn)速約300rpm絲絨，絲絨用水濕潤(rùn)，細(xì)氧化鎂粉或氧化鋁粉涂在絲絨上，磨盤轉(zhuǎn)速約100rpm純銅試樣用氧化鋁與蒸餾水的混和液在裝有細(xì)繞的磨盤上拋光涂有極細(xì)的氧化鎂粉的絲繞進(jìn)行終拋光切屑根部在流水中清洗干凈無(wú)水酒精清洗熱風(fēng)機(jī)干燥保存于干燥皿或馬上進(jìn)行金相腐蝕。拋光設(shè)備LP-2雙盤立式金相試樣拋光機(jī)1.4 顯微組織的顯現(xiàn)金相腐蝕腐蝕原理：由于金屬內(nèi)各個(gè)晶粒的方向不同、各種組織的物理性能及晶粒邊界和晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不同，腐蝕時(shí)使金屬發(fā)生選擇性溶解，從而顯現(xiàn)出金相組織。選擇性

6、溶解很大程度上取決于相鄰組織單元的電化學(xué)勢(shì)。在腐蝕劑中起陽(yáng)極作用的組織首先溶解；直接與晶粒邊界或相邊界毗連的地方，其合金元素成分不同于金屬的平均成分，通常也是并且是較劇烈地溶解，從而顯露出金相組織。腐蝕前，仔細(xì)清除試樣表面的油漬腐蝕時(shí)所產(chǎn)生的氣泡不能附在試樣表面不同材質(zhì)試樣，使用不同的腐蝕劑材 料腐蝕劑成份碳鋼、低合金鋼、中合金鋼、高速鋼、鑄鐵硝酸25mL，無(wú)水酒精 9895mL1Cr18Ni9Ti不銹鋼硝酸1mL， 鹽酸1mL耐熱鋼硫酸銅4g，鹽酸20mL，水20mL純 銅飽和氨溶液50mL，3%過(guò)氧化氫溶液50mL鑄鋼、黃銅、青銅飽和氨溶液50mL，3%過(guò)氧化氫溶液10mL鋁氫氧化鈉0.5

7、1g，水99.599mL試樣腐蝕后即用水沖洗，并用無(wú)水酒精清洗且用熱風(fēng)機(jī)干燥。若不馬上進(jìn)行觀察，應(yīng)涂上凡士林以防銹。切屑根部金相照片2.變形系數(shù)的測(cè)定2.1變形系數(shù)的定義cchaaachclll厚度變形系數(shù)長(zhǎng)度變形系數(shù)假設(shè)，切屑寬度與切削層寬度相等，且切削前后金屬體積不變1la2.2 變形系數(shù)測(cè)定的方法2.2.1 長(zhǎng)度法用車床或刨床車削金屬，取得一段切屑后，用軟金屬絲沿切屑底面測(cè)出切屑長(zhǎng)度lch，并計(jì)算出該段切屑相對(duì)應(yīng)的切削長(zhǎng)度lc，根據(jù)公式計(jì)算出變形系數(shù)。車削時(shí)控制車削長(zhǎng)度方法V形槽法60apu V形槽法測(cè)量原理：平行于工件軸線銑一角度為60、深度小于切削深度ap的溝槽(一般，槽深為11.5

8、mm)。切削時(shí)，切屑是連續(xù)的帶狀，但從切屑上的溝槽即可判別出兩相鄰溝槽間的切屑長(zhǎng)度即為工件一轉(zhuǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的切屑長(zhǎng)度。u 矩形槽法測(cè)量原理：平行于工件軸線銑出寬度約23mm的矩形槽。為了減小切削時(shí)的沖擊，用澆注的辦法將鉛灌注在矩形槽內(nèi)。切削工件一周時(shí)，切屑自動(dòng)分離，得到切削一圈時(shí)所對(duì)應(yīng)的切屑長(zhǎng)度。此時(shí)，切削長(zhǎng)度為工件圓周長(zhǎng)減去槽的寬度。23鉛矩形槽法u 小孔法測(cè)量原理：用鋼管進(jìn)行直角自由切削時(shí)(車端面)，在鋼管端面平行于工件軸線鉆一小孔，在切下的切屑中根據(jù)兩相鄰小孔辨認(rèn)出切削鋼管一周所對(duì)應(yīng)的切屑長(zhǎng)度。小孔法2.2.2 厚度法u 百分表法測(cè)量原理：將切屑底面放在平臺(tái)，百分表的量頭在切屑頂面進(jìn)行測(cè)量，

9、根據(jù)百分表預(yù)先在標(biāo)準(zhǔn)塊上的校準(zhǔn)值以及表針的讀數(shù)便可測(cè)出切屑厚度。由于切屑頂面非常毛糙，實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)測(cè)量幾處的切屑厚度取平均值，以減小測(cè)量誤差。百分表測(cè)量切屑厚度百分表切屑表座平臺(tái)u 顯微鏡測(cè)定法相同切削條件下取得若干切屑根部標(biāo)本，在工具顯微鏡下測(cè)得切屑厚度，取平均值作為該切削條件下的切屑的厚度。u 測(cè)厚儀測(cè)量法超聲波測(cè)厚儀：測(cè)量范圍 0.65260 分辨率 0.01MINITest400超聲測(cè)厚儀2.2.3 速度法測(cè)量原理：切屑經(jīng)過(guò)切削時(shí)的塑性變形后，其長(zhǎng)度比切削長(zhǎng)度縮短了倍，亦即切屑沿前刀面排出的速度比切削速度減小倍，故變形系數(shù)亦可用hcvv切削速度切屑沿前刀面流出的速度具體方法：用秒表準(zhǔn)確

10、記錄第一條切屑在刀刃上斷裂后開(kāi)始切削至第二條切屑斷裂的時(shí)間t(s)用漆包線或電工保險(xiǎn)絲測(cè)量在t時(shí)間內(nèi)所切下切屑的長(zhǎng)度lch計(jì)算切屑平均速度vchtlvchch)/(smmdnvd工件直徑(mm)n工件轉(zhuǎn)速(rps)chcldntvv方法簡(jiǎn)單，切屑長(zhǎng)時(shí)測(cè)量誤差較大2.2.4 質(zhì)量法質(zhì)量法的假設(shè)前提：材料在切削前后密度不變。測(cè)量原理：當(dāng)切削長(zhǎng)度為lc時(shí)，被切削層材料的質(zhì)量為，cwclaam式中，m切削層材料的質(zhì)量(g)，與相應(yīng)的切屑質(zhì)量相同；被切材料的(g/mm3) ，在切削前后材料密度不變；ac切削厚度(mm)；aw切削寬度(mm)；l切削長(zhǎng)度(mm)。 hcwclaam任取一段切屑，在天平上精

11、確地測(cè)出質(zhì)量m后，再測(cè)量出其長(zhǎng)度lch。切屑長(zhǎng)度的選?。喝羟行歼^(guò)短則測(cè)量時(shí)難以手持；太長(zhǎng)則造成測(cè)量誤差較大。一般選取切屑的長(zhǎng)度25100mm比較合適。3.剪切角的測(cè)定M M刀具切屑O OA A終滑移線始滑移線=s3.1 直接測(cè)量法利用切屑根部磨片在金相顯微鏡下觀察及拍攝3.2 間接測(cè)量法通過(guò)測(cè)力儀測(cè)出切削力Fz和徑向切削力Fy，求出切屑與前刀面的摩擦角，計(jì)算得到剪切角。表達(dá)式依據(jù)理論最小能量原理(Merchant)滑移線場(chǎng)理論(Lee and Shaffer)最小能量原理結(jié)合實(shí)驗(yàn)(修正的Merchant)動(dòng)力學(xué)原理224oo4zyoFF1tan)(21oCoooesincostantan)2(

12、1四種計(jì)算剪切角比較摩擦系數(shù)剪切角NO.1MerchantNO.2Lee and ShafferNO.3修正的MerchantNO.4動(dòng)力學(xué)公式四種公式計(jì)算剪切角，相差較大；用金相磨片直接測(cè)量剪切角辦法最為可靠。附：剪切角的理論公式根據(jù)剪切面的切削模型理論，可以建立變形的幾何關(guān)系，用剪切角即可衡量切屑變形程度的大??；若知道被切削材料的剪切屈服極限s、剪切角與刀具前刀面上的摩擦角及前角o之間的關(guān)系，有可能求得理論切削力的大小。建立剪切角的理論公式 ，則對(duì)預(yù)測(cè)切屑變形程度和切削力大小均有十分重要的實(shí)際意義。 ),(ofMerchant (麥錢特)的理論公式Merchant理論公式的假設(shè)：l切削時(shí)形

13、成帶狀切屑，且不產(chǎn)生屑瘤。l刃口力忽略不計(jì)。l當(dāng)剪切角改變時(shí)，摩擦角和剪切面上的剪應(yīng)力是獨(dú)立的不變量。l滿足最小能量原理。Merchant認(rèn)為，剪切角應(yīng)根據(jù)最小切削功原理確定，亦即剪切面在切削所需功率為最小的方向。22o切削功率為)cos(sin)cos(oocwzmvaavFP令0/ddPm硬質(zhì)合金刀具，o=-10+10，干切削，ac=0.0280.2mm,v=60360m/min實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算結(jié)果K0式中，0=0時(shí)的s； K比例常數(shù)。)tan(o)tan(10oK代入Pm公式，令0/ddPmCo2C切削常數(shù)。若令K=0，則C=/2與前一方程式結(jié)果一致。有些研究者得到的許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上式計(jì)算的

14、理論值仍不一致。切削常數(shù)C的物理意義l遒井和高田根據(jù)工藤有關(guān)滑移線場(chǎng)理論所進(jìn)行的研究表明，Merchant剪切角理論公式實(shí)際上給出的是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍的上限。 Merchant切削方程式具有如下特點(diǎn):l實(shí)際的切削數(shù)據(jù)往往分布在很寬的范圍內(nèi)。lK是從切削實(shí)驗(yàn)求得的，有較大的布里奇曼效應(yīng)。l假設(shè)中認(rèn)為與無(wú)關(guān)，可是求得的切削方程式表明與之間有函數(shù)關(guān)系，與假設(shè)矛盾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明是隨變化的。Lee and Shaffer(李和謝弗)的理論公式Lee and Shaffer認(rèn)為，Merchant只對(duì)單一剪切面處于塑性狀態(tài)的切削模型進(jìn)行了討論，實(shí)際上，在剪切面以外的部分變形雖然小，但也處于塑性變形狀態(tài)中。采用

15、滑移線理論對(duì)此進(jìn)行了分析。Lee and Shaffer的剪切角公式假設(shè)條件剛性-完全塑性體Lee and Shaffer的滑移線場(chǎng)切削模型oLee and Shaffer假設(shè)，剪切面AC為第二滑移線，是塑性區(qū)ABC與剛性區(qū)的邊界，在此面上剪應(yīng)力最大值。AB是塑性區(qū)與切屑的邊界，為主應(yīng)力面，與AC成45角，并與切削合力F方向平行，其主應(yīng)力和剪應(yīng)力均為零。均勻應(yīng)力場(chǎng)ABC的應(yīng)力圓2224oMerchant、Lee和Shaffer理論公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較由理論公式計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致，試驗(yàn)點(diǎn)位于理論值的上方。Lee和Shaffer認(rèn)為是由于在高速切削時(shí)刀尖處常出現(xiàn)小積屑瘤的緣故，因而提出了前刀面上有積屑瘤的滑移線場(chǎng)切削模