天津理工大學機械制造基礎教學課件

1、五前面上的擠壓與摩擦及其對切屑變形的影響1. 作用在切屑上的力 刀具與切屑之間的作用力分析如圖3-8所示。在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面對其作用的法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,兩對力的合力分別為Fr 和 Fr。假設這兩個合力相互平衡（嚴格地講，這兩個合力不共線，有一個使切屑彎曲的力矩），Fr稱為切屑形成力，是剪切角；是Fn與Fr之間的夾角，稱為摩擦角；o是刀具前角。 圖38 作用在切屑上的力 a) 切屑受到來自工件和刀具的作用力 b) 切屑作為隔離體的受力分析 如將上述兩對力都畫在切削刃的前方，就得到直角自由切削時力與角度的關系圖。 如用測力儀直

2、接測得作用在刀具上的切削分力 和 ，在忽略被切材料對刀具后刀面作用力的條件下，即可求得前刀面對切屑作用的摩擦角，進而可近似求得前刀面與切屑間的摩擦系數。 切削合力Fr的方向就是主應力的方向。根據材料力學平面應力狀態(tài)理論，主應力方向與最大剪應力方向的夾角應為45，即Fs與Fr的夾角應為45，故有2.剪切角與前刀面摩擦角的關系 分析上式可知： 1）前角增大時，剪切角隨之增大，變形減小。這表明增大刀具前角可減少切削變形，對改善切削過程有利。 2）摩擦角增大時，剪切角隨之減小，變形增大。提高刀具刃磨質量、采用潤滑性能好的切削液可以減小前刀面和切屑之間的摩擦系數，有利于改善切削過程。 粘結區(qū)：高溫高壓使

3、切屑底層軟化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成長度為lfi的粘接區(qū)。切屑的粘接層與上層金屬之間產生相對滑移，其間的摩擦屬于內摩擦。 圖3-11 切屑與前刀面的摩擦 在高溫高壓作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生沾接，切屑與前刀面之間既有外摩擦，也有內摩擦。 滑動區(qū)：切屑在脫離前刀面之前，與前刀面只在一些突出點接觸，切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦。lfolfi特點兩個摩擦區(qū) 3. 前刀面上的摩擦 圖310 切屑和前面摩擦情況示意圖 剪應力的分布 在粘結區(qū)內基本上是不變的，它等于較軟金屬的剪切屈服極限s；在滑動區(qū)剪應力是變化的，離切削刃越遠，越小。 正應力分布 在接觸區(qū)內正應力是變化的，離切削刃越遠，

4、前刀面上正壓力越小，故正應力越小。近切削刃處正應力為最大值 3. 前刀面上的摩擦 在粘結區(qū)，切屑的底層與前面呈現冷焊狀態(tài)，切屑與前面之間不是一般的外摩擦，這時切屑底層的流速要比上層緩慢得多，從而在切屑底部形成一個滯流層 。所謂“內摩擦”就是指滯流層與上層流屑層內部之間的摩擦，這種內摩擦也就是金屬內部的剪切滑移。其摩擦力的大小與材料的流動應力特性及粘結面積的大小有關。切屑離開粘結區(qū)后進入滑動區(qū)。在該區(qū)域內刀屑間的摩擦僅為外摩擦。刀屑接觸面間有二個摩擦區(qū)域：粘結(內摩擦)區(qū)和滑動(外摩擦)區(qū)。金屬的內摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，應著重考慮內摩擦。 令為前刀面上的平均摩擦系數，則 式中，Af1內

5、摩擦部分的接觸面積； av內摩擦部分的平均正應力； s工件材料剪切屈服強度。 由于s隨切削溫度升高略有下降，av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，是一個變數。 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的主要因素。工件材料：實驗表明在相同切削條件下，加工幾種不同工件材料，如銅、10鋼、10Cr鋼、1Cr18Ni9Ti等，隨著工件材料的強度和硬度的依次增大，摩擦系數略有減少。這是 由于當切削速度不變時，材料的硬度強度大時，切削溫度增高，故摩擦系數下降。切削厚度、刀具前角：切削厚度ac增加時，也略為下降，如10鋼的ac從0.1mm增大到0.18mm,從0.

6、74降至0.72。因為ac增加后正應力也隨之增大（參見式3-10）。在一般切削速度范圍內，前角0愈大，則值愈大。因為隨著0增大，正應力減小，故增加。 4.影響前刀面摩擦系數的主要因素 切削速度對摩擦系數的影響見圖3-11。當v60mmin)切削時，產生的切削溫度較高，這兩種情況的摩擦系數均較小，故不易形成積屑瘤。在中速(vc20mmin)，積屑瘤的高度達到最大值。實際前角增大（圖3-13）；增大切削深度（圖3-13） ；使加工表面粗糙度增大；對刀具壽命的影響。 一般積屑瘤對切削加工過程的影響是不利的，在精加工時應盡可能避免積屑瘤的產生，但在粗加工時，有時可充分利用積屑瘤。4）積屑瘤對切削過程的

7、影響 采用低速或高速切削，由于切削速度是通過切削溫度影響積屑瘤的，以切削45鋼為例，在低速vc3m/min和較高速度vc60m/min范圍內，摩擦系數都較小，故不易形成積屑瘤；采用高潤滑性的切削液，使摩擦和粘結減少；適當減少進給量、增大刀具前角；適當提高工件材料的硬度；提高刀具的刃磨質量；合理調節(jié)各切削參數間關系，以防止形成中溫區(qū)域。5）抑制或消除積屑瘤的措施七、影響切屑變形的主要因素1. 工件材料的力學性能 材料強度越高，塑性越小，則變形系數越小，切削變形減?。▓D）。2.切削用量（1）切削速度 切削速度是通過積屑瘤的生長消失過程影響切削變形大小的。在積屑瘤增長的速度范圍內 , 因積屑瘤導致實

8、際工作前角增加、剪切角增大、變形系數減小。在積屑瘤消失的速度范圍內，實際工作前角不斷減小、變形系數不斷上升至最大值，此時積屑瘤完全消失。 （圖）在無積屑瘤的切削速度范圍，切削速度愈高，變形系數愈小。切削鑄鐵等脆性金屬時, 一般不產生積屑瘤。隨著切削速度增大，變形系數逐漸地減小。七、影響切屑變形的主要因素 1工件材料 工件材料強度越高，切屑和前刀面的接觸長度越短，導致切屑和鋼刀面的接觸面積減小，前刀面上的平均正應力 增大，前刀面與切屑間的摩擦系數減小，摩擦角減小，剪切角增大，變形系數 將隨之減小。=/4-+0=cos（-0）/sin 增大刀具前角o，剪切角將隨之增大，變形系數 將隨之減?。坏玱增

9、大后，前刀面傾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正應力av減小，使摩擦角和摩擦系數增大而導致減小。由于后一方面影響較小， 還是隨的o增加而減小。 2刀具前角0=/4-（-0） 3切削速度Vc 在無積屑瘤產生的切削速度范圍內，切削速度 越大，變形系數 越小。主要是因為塑性變形的傳播速度較彈性變形慢，切削速度 越高，切削變形越不充分，導致變形系數 下降。此外，提高切削速度 還會使切削溫度增高，切屑底層材料的剪切屈服強度s因溫度的增高而略有下降，導致前刀面摩擦系數減小，使變形系數 下降。4.切屑厚度對切屑變形的影響當切削厚度增加時，摩擦系數減小，增大，變形變小。可見，在無積屑瘤情況下，f愈大（ac

10、愈大），則愈小。 從另一方面來看，切屑中的底層變形最大，離前面愈遠的切屑層變形愈小。因此，f愈大（ac愈大），切屑中平均變形則愈?。环粗?，切屑愈薄，變形量愈大。 圖 工件材料強度對變形系數的影響圖 切削速度對變形系數的影響（2）進給量 當進給量f增大時，切削層厚度hD增大，切屑的平均變形減小，變形系數減小(圖)。3.刀具幾何參數（1）前角0前角增大，剪切角增大，而剪切角越大，則變形系數減小。變形系數與前角之間的關系如圖所示。圖 切削厚度與變形系數的關系圖 前角對變形系數的影響形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未

11、達到斷裂程度局部剪切應力達到斷裂強度剪切應力完全達到斷裂強度未經塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小， 刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大， 刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料， 刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小， 妨礙切削工作，應設法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑切屑類型及形成條件八、切屑的類型帶狀切屑 最常見的屑型之一（圖3-15a）。外形特征：它的內表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。形成條件： 一

12、般加工塑性金屬材料，當切削厚度較小、切削速 度較高、刀具前角較大時，會得到此類切屑。優(yōu) 點：切削過程平穩(wěn)，切削力波動較小，已加工表面粗糙 度較小。缺 點：紊亂狀切屑纏繞在刀具或工件上影響加工過程。八、切屑的類型擠裂(節(jié)狀)切屑 外形特征：刀屑接觸面有裂紋，外表面是鋸齒形。形成條件：這類切屑之所以呈鋸齒形，是由于它的第一變形區(qū)較寬，在剪切滑移過程中滑移量較大。大多在低速、大進給、切削厚度較大、刀具前角較小時產生(圖3-15b)。單元(粒狀)切屑 在擠裂(節(jié)狀)切屑產生的前提下, 當進一步降低切削速度，增大進給量，減小前角時則出現單元(粒狀)切屑(圖3-15c)。崩碎切屑 切削脆性金屬(鑄鐵)時，常見的呈不規(guī)則細粒狀的切屑。產生這種切屑會使切削過程不平穩(wěn)，易損壞刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、進給量越大則越容易產生這種切屑(圖3-15d) 。 圖315 切屑類型 a) 帶狀切屑 b) 擠裂切屑 圖315 切屑類型 C）單元切屑 d ) 崩碎切屑已加工表面的形成與第三變形區(qū)的關系密切； 刀具刃口鈍圓半徑及刃口磨損形成的磨損棱面，會使