工作項目二--金屬切削加工中的主要現(xiàn)象及規(guī)律課件

1、工作項目二 金屬切削加工中的主要現(xiàn)象及規(guī)律任務1 切削中的變形 任務2 切屑的種類及斷屑 任務3 積屑瘤、加工硬化任務4 切削力與切削熱 任務5 刀具磨損與刀具耐用度任務1 切削中的變形 一、任務引入 二、任務分析 三、相關知識 金屬切削過程是指從工件表面切除多余金屬形成已加工表面的過程，即切屑的形成過程。伴隨著切屑的形成，產生切削變形、積屑瘤、表面硬化、切削力、切削熱和刀具磨損等現(xiàn)象。 本任務將從加工現(xiàn)象出發(fā)，認識切削加工的本質和規(guī)律，以幫助大家更合理地使用刀具和機床，保證切削加工質量，減小能量消耗，提高生產效率。知識點切削加工中的主要現(xiàn)象。3個變形區(qū)。技能點熟悉3個變形區(qū)。任務1 切削中的

2、變形一、任務引入 如圖所示，在切削加工過程中，隨著切削層在刀具作用下變成切屑的同時將伴隨有各種現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)均源于加工過程中的變形。那么，在切削加工過程中，到底發(fā)生了怎樣的變形？如何去衡量這些變形呢？金屬的切削加工二、任務分析 金屬切削加工過程是在刀具作用下進行的，因為刀具的作用，在刀具切削刃附近必然存在變形和不同的變形區(qū)域。由于被切削材料的性能及刀具幾何參數(shù)的不同，造成了切屑變形的巨大差異，并且在切削加工中出現(xiàn)了多種物理現(xiàn)象，例如形成各種切屑、產生積屑瘤和刀具磨損等。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)對切削加工必然產生相應的影響，例如降低表面質量和加劇刀具磨損等。為了滿足加工要求，必須對加工中的變形進行嚴

3、格的控制，這就要求我們了解切削加工的本質和現(xiàn)象，熟悉加工中的變形規(guī)律。任務1 切削中的變形三、相關知識(一) 切屑的形成 如圖所示是在直角自由切削情況下的切屑形成過程。當切削層金屬接近始滑移面OA時，將產生彈性變形。進入OA以后，內部切應力達到材料的屈服點，此時將產生塑性變形，即產生金屬晶格的一部分與另一部分的相對滑移。如圖中質點P由點1向前移動的同時，將沿OA面滑移，其合成運動使點1流動到點2。22就是該滑移量。還有33、44等滑移量。 隨著滑移量的不斷增加，變形逐漸強化，切應力也逐漸增大。在終滑移面OM上，切應力和切應變達到最大值，滑移變形基本結束。如圖(b)所示是切屑形成的示意圖。將金屬

4、材料的被切層看作一疊卡片，如1、2、3、4、5等，當?shù)毒咔腥霑r，卡片被推移到1、2、3、4、5等位置，卡片之間發(fā)生相對滑移，滑移方向就是最大切應力的剪切面。任務1 切削中的變形切屑形成過程 金屬切削變形過程-紫銅材料錄像 在實用條件下，剪切區(qū)一般很窄，在0.020.2mm之間?！局R鏈接】 由工程力學和金屬材料學知識可以知道，塑性金屬材料在受壓縮或拉伸時，隨著外力增加，金屬將相繼產生彈性變形、塑性變形，并使金屬晶格產生滑移，最終斷裂。任務1 切削中的變形(二) 金屬切削過程中的變形 對塑性金屬進行切削時，切屑的形成過程就是切削層金屬的變形過程。根據(jù)切削過程中整個切削區(qū)域金屬材料的變形特點，可將

5、刀具切削刃附近的切削層劃分為3個變形區(qū)，如圖所示。 第一變形區(qū)是在切削刃前面的切削層內的區(qū)域；第二變形區(qū)是在切屑底層與前刀面的接觸區(qū)域；第三變形區(qū)發(fā)生在后刀面與工件已加工表面接觸的區(qū)域。但這3個變形區(qū)并非絕然分開、互不相關，而是相互關聯(lián)、相互影響、相互滲透。下面將分別介紹3個變形區(qū)的變形特點。任務1 切削中的變形圖 切削時的三個變形區(qū) 1. 第一變形區(qū)1) 變形特點 第一變形區(qū)是指在切削層內產生剪切滑移的塑性變形區(qū)，切削過程中的塑性變形主要發(fā)生在這里，所以它是主要變形區(qū)。 由于此變形區(qū)一般是很窄的，因此在實際中常用一個剪切面OM 來代替。如圖所示的OM 剪切面。根據(jù)材料力學可知，剪切滑移產生在

6、切應力最大的平面OM 上，它和作用力F方向間的夾角為 。通常把切削速度vc與剪切面OM 間的夾角稱為剪切角。任務1 切削中的變形 剪切角 剪切角可按下式計算：式中 剪切角；摩擦角，即切削合力F與前刀面垂直力FN之間的夾角；ro前角。2) 變形程度的衡量金屬切削過程中的許多物理現(xiàn)象都與切削過程中的變形程度大小直接有關。衡量切削變形程度大小的方法有多種，實用中較常用也較方便的是用變形系數(shù)來衡量變形程度大小。任務1 切削中的變形 如圖所示，切削層經過剪切滑移變形變?yōu)榍行?，其長度lc比切削層長度l短，厚度hch比切削層厚度hD厚，而寬度基本相等(設為bD)。設金屬材料在變形前后體積不變，則于是變形系數(shù)

7、為任務1 切削中的變形 變形系數(shù) 當工件材料相同而切削條件不同時，值越大說明塑性變形大；當切削條件相同而工件材料不同時，值愈大說明材料塑性大。 在應用中，切削層的長度l為已知，只要用細鋼絲量出切屑的長度lc，便可計算出變形系數(shù)。這個方法很簡便，但也很較粗略。變形程度大小的衡量還可由相對滑移或剪切角大小來衡量。 【知識鏈接】 實驗證明，第一變形區(qū)的厚度隨著切削速度增大而變薄。一般情況下，其厚度僅為0.020.2mm，故可用一個平面來表示。任務1 切削中的變形2. 第二變形區(qū) 當切屑沿前刀面流出時，切屑在與前刀面接觸的區(qū)域，與前刀面擠壓摩擦，進一步產生剪切滑移，這就是第二變形區(qū)。在第二變形區(qū)內，沿

8、前刀面流出的切屑，其底層受到刀具的擠壓和接觸面間強烈的摩擦，繼續(xù)進行剪切滑移變形，使切屑底層的晶粒趨向與前刀面平行而成纖維狀，其接近前刀面部分的切屑流動速度降低。這層流速較慢的金屬層稱為滯流層。 在高溫和高壓的作用下，變軟的切屑底層的滯流層會嵌入凹凸不平的前刀面的平面中，形成全面積接觸，阻力增大，滯流層底層的流動速度趨于零，此時產生粘結現(xiàn)象，這個區(qū)域稱為粘結區(qū)(如圖所示的lf1)。任務1 切削中的變形前刀面上的摩擦 當切屑繼續(xù)沿前刀面流動時，粘結區(qū)內的摩擦現(xiàn)象不是發(fā)生在切屑底層與前刀面之間，而是發(fā)生在滯流層內部，滯流層內部金屬材料的剪切滑移(切應力大于或等于金屬材料的屈服強度s)代替了切屑底層

9、與前刀面之間的相對滑移，這種摩擦稱為內摩擦。在粘結區(qū)以外的范圍內，如圖所示的lf2，由于切削溫度降低，切屑底層金屬塑性變形減小，切屑與前刀面接觸面積減少，進入滑動區(qū)。該區(qū)域的摩擦稱為滑動摩擦，即外摩擦。任務1 切削中的變形【知識鏈接】 第二變形區(qū)由粘結區(qū)和滑動區(qū)組成。實驗證明：粘結區(qū)產生的摩擦力遠超過滑動區(qū)的摩擦力，即第二變形區(qū)的摩擦特性應以粘結摩擦(內摩擦)為主。已加工表面變形任務1 切削中的變形3、第三變形區(qū) 工件已加工表面和刀具后刀面的接觸區(qū)域，稱為第三變形區(qū)。 如圖所示，切削刀具刃口并不是非常鋒利的，而存在刃口圓弧半徑rn，切削層在刃口鈍圓部分O 處存在復雜的應力狀態(tài)。 切削層金屬經剪

10、切滑移后沿前刀面流出成為切屑，O點之下的一層薄金屬hD不能沿OM方向剪切滑移，被刃口向前推擠或被壓向已加工表面，這部分金屬首先受到壓應力。此外，由于刃口磨損產生后角為零的小棱面BE及已加工表面的彈性恢復EF(h)，被擠壓的hD層再次受到后刀面的拉伸摩擦作用，進一步產生塑性變形。 【知識鏈接】 已加工表面是經過多次復雜的變形而形成的。它存在著表面加工硬化和表面殘余應力。練習與思考1. 金屬切削過程中的主要現(xiàn)象有哪些？2. 怎樣劃分金屬切削變形區(qū)？3. 在第一變形區(qū)里發(fā)生什么樣的變形？任務1 切削中的變形任務2 切屑的種類及斷屑 一、任務引入 二、任務分析 三、相關知識 知識點各種切屑的特征及產生

11、條件。切屑斷裂的原因及斷屑措施。技能點熟練應用斷屑方法。任務2 切屑的種類及斷屑一、任務引入 在車床上以0.20mm/r的進給量，100m/min的切削速度，一刀粗車(加工余量為6mm)某中碳鋼工件時，出現(xiàn)了不易折斷的帶狀切屑，嚴重影響了加工的進行。針對這種情況，如何才能有效地斷屑呢？任務2切屑的種類及斷屑二、任務分析 通過前面的學習已經知道，切削過程中的金屬切削層材料，在經過第一變形區(qū)的塑性變形后轉變成切屑，從前刀面上流出。當加工時產生連綿不斷的帶狀切屑時，不僅容易劃傷工件加工表面和損壞刀刃，嚴重時還會威脅到操作者的安全。所以，采取必要的工藝措施，控制屑型和斷屑一直是機械加工中極為重要的工藝

12、問題。由于切屑是切削層變形的產物，所以，改變切削加工條件是改變切屑種類、實現(xiàn)斷屑的有效途徑，而影響切削加工條件的因素主要包括工件材料、刀具幾何角度及切削用量等。任務2 切屑的種類及斷屑通過本任務的學習，一是要掌握決定切屑種類及形狀的因素；二是要掌握在實際加工中行之有效的斷屑措施，并加以靈活使用。任務2 切屑的種類及斷屑三、相關知識(一) 切屑的種類及形狀1. 帶狀切屑 切屑的外形呈帶狀，與前刀面接觸的底面光滑，外表面為毛茸狀。通常加工塑性金屬材料，切削厚度較小，切削速度較高，刀具前角較大時得到帶狀切屑。形成這種切屑時，切削過程平穩(wěn)、切削力波動較小、已加工表面粗糙度較小，但帶狀切屑會纏繞工件和刀

13、具等，需采取斷屑措施。任務2切屑的種類及斷屑帶狀切屑金屬切削變形過程-紫銅材料帶壯切屑錄像擠裂切屑 2 .擠裂切屑 又稱節(jié)狀切屑，外形與帶狀切屑相似，外表面呈鋸齒形，內表面有時有裂紋，但變形程度比帶狀切屑大。這種切屑是在加工塑性金屬材料，切削厚度較大，切削速度較低，刀具前角較小時得到的。此時切削力波動較大，切削過程中產生一定的振動，已加工表面較粗糙。 3. 單元切屑又稱粒狀切屑，加工塑性較差的金屬材料時，在擠裂切屑基礎上將切削厚度進一步增大，切削速度和前角進一步減小，使剪切裂紋進一步擴展而斷裂成梯形狀的單元切屑。任務2 切屑的種類及斷屑單元切屑球墨鑄鐵的切削變形過程-形成典型的單元切屑錄像鈦合

14、金的切削變形過程-形成典型的單元切屑錄像 以上3種切屑只有在加工塑性材料時才可能得到。其中，帶狀切屑的切削過程最平穩(wěn)，單元切屑的切削力波動最大。在生產中最常見的是帶狀切屑，有時得到擠裂切屑，單元切屑則很少見。切屑的形態(tài)是可以隨切削條件而轉化的，掌握了它的變化規(guī)律，就可以控制切屑的變形、形態(tài)和尺寸，以達到卷屑和斷屑的目的。任務2 切屑的種類及斷屑崩碎切屑4. 崩碎切屑 切削鑄鐵等脆性金屬材料時，由于材料的塑性差、抗拉強度低，切削層往往未經塑性變形就產生了脆性崩裂，形成不規(guī)則的崩碎狀的切屑。此時切削力波動很大，有沖擊載荷，已加工表面凹凸不平。由于它的切削過程很不平穩(wěn)，容易破壞刀具，也有損于機床，已

15、加工表面又粗糙，因此在生產中應力求避免。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到這類切屑。切削厚度變化對各種材料切削形態(tài)的影響錄像灰鑄鐵切削時的切屑類型-崩碎切屑錄像低碳鋼切削時刀具前角變化對切屑類型的影響錄像【知識鏈接】 以上4種切屑中，帶狀切屑的切削過程最平穩(wěn)，單元切屑和崩碎切屑的切削力波動最大。在生產中，最常見的是帶狀切屑，有時得到擠裂切屑，單元切屑則很少見，崩碎切屑只出現(xiàn)在脆性材料切削過程中。 (二) 斷屑方法 切屑斷與不斷的根本原因在于切屑的形成過程中的變形和應力，當切屑處于不穩(wěn)定的狀態(tài)或切削應力達到其強度極限時，就會斷屑，通常切屑是卷曲后折斷的。 任務引入實例中帶狀切屑不易折斷的原因就在

16、于其彎曲變形不足、應力過小。 工件材料、刀具角度和切削用量等都是影響斷屑的因素。合理選擇刀具幾何角度、切削用量、磨斷屑槽則是常用的斷屑方法。任務2 切屑的種類及斷屑 針對任務引入的實例，可以有多種措施解決斷屑問題，其中最簡單易行的措施就是增大進給量。本例中，當將進給量提高到0.4mm/r時，就實現(xiàn)了斷屑。1. 減小前角、增大主偏角 前角和主偏角是對斷屑影響較大的刀具幾何角度。增大前角，切削變形小，不易斷屑；減小前角，加劇切屑變形，易于斷屑。由于將前角磨小會增大切削力，限制切削用量的提高，嚴重時會損壞刀具，甚至“悶車”，所以一般不單純采用減小前角來斷屑。任務2 切屑的種類及斷屑 增大主偏角可增大

17、切削厚度，易于斷屑。例如，同樣條件下90刀就比45刀容易斷屑。另外，增大主偏角有利于減小加工中的振動。所以，增大主偏角是一種行之有效的斷屑方法。2. 減小切削速度、增大進給量 改變切削用量是斷屑的另一措施。增大切削速度，切屑底層金屬變軟且切屑變形不充分，不利于斷屑；減小切削速度，反而容易斷屑。因此，在車削時，可通過降低主軸轉速，減小切削速度來斷屑。任務2 切屑的種類及斷屑 增大進給量可增大切屑厚度，易于斷屑。這是加工中經常采用的一種斷屑手段，不過應當注意，隨著進給量的增大，工件表面粗糙度值將會明顯增大。 車削加工時，往往有這樣的情況，有時吃刀深了不斷屑，吃刀稍淺一點就能斷屑。這是因為當背吃刀量

18、增大時，切削寬度隨之增大，薄而寬的切削變形和應力小，不易折斷。當背吃刀量淺時，切屑變得短而厚、變形和應力大，容易折斷。但是如果背吃刀量過小，切屑的截面積減小、應力小，也不容易斷屑。任務2切屑的種類及斷屑 不難發(fā)現(xiàn)，適當調整切削用量或改變刀具幾何角度確實能解決斷屑問題，但這樣做有時會影響到切削用量和刀具幾何角度的合理性，從而造成加工效率和刀具壽命的明顯降低。目前，普遍采用在刀具上磨制斷屑槽的方法強制斷屑。3. 開設斷屑槽 斷屑槽是指在刀具前刀面上做出的槽，有折線形、直線圓弧形、全圓弧形3種槽型，如圖所示。任務2 切屑的種類及斷屑圖 斷屑槽的類型 任務2 切屑的種類及斷屑 切削碳素鋼、合金鋼、工具鋼時，可選用折線形、直線圓弧形斷屑槽；切削高塑性材料工件時，如純銅和不銹鋼工件等，可選用全圓弧形斷屑槽。 斷屑槽的寬度LBn、反屑角Bn、斜角是影響斷屑的主要參數(shù)。不難理解，寬度LBn減小，反屑角Bn增大，均易于斷屑。但應注意，如果寬度LBn過小，反屑角Bn增大，容易堵屑。 通常寬度LBn按下式初選： 任務2 切屑的種類及斷屑反屑角Bn按槽型選擇：折線槽6