機械制造技術(shù)：金屬切削層的變形

機械制造技術(shù)：金屬切削層的變形一、切屑形成過程及變形區(qū)的劃分1、切削變形金屬的切削過程與金屬的擠壓過程很相似。金屬材料受到刀具的作用以后，開始產(chǎn)生彈性變形；雖著刀具繼續(xù)切入，金屬內(nèi)部的應力、應變繼續(xù)加大，當達到材料的屈服點時，開始產(chǎn)生塑性變形，并使金屬晶格產(chǎn)生滑移；刀具再繼續(xù)前進，應力進而達到材料的斷裂強度，便會產(chǎn)生擠裂。2、變形區(qū)的劃分大量的實驗和理論分析證明，塑性金屬切削過程中切屑的形成過程就是切削層金屬的變形過程。切削層的金屬變形大致劃分為三個變形區(qū)：第一變形區(qū)（剪切滑移）、第二變形區(qū)（纖維化）、第三變形區(qū)（纖維化與加工硬化）。3、切屑的形成及變形特點1）第一變形區(qū)（近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)）金屬的剪切滑移變形切削層受刀具的作用，經(jīng)過第一變形區(qū)的塑性變形后形成切屑。切削層受刀具前刀面與切削刃的擠壓作用，使近切削刃處的金屬先產(chǎn)生彈性變形，繼而塑性變形，并同時使金屬晶格產(chǎn)生滑移。在下圖中，切削層上各點移動至AC線均開始滑移、離開AE線終止滑移，在沿切削寬度范圍內(nèi)，稱AC是始滑移面，AE是終滑移面。AC、AE之間為第—變形區(qū)。由于切屑形成時應變速度很快、時間極短，故AC、AE面相距很近，一般約為0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面來表示第—變形區(qū)，AB面亦稱為剪切面。剪切面AB與切削速度Vc之間的夾角稱為剪切角。作用力Fr與切削速度Vc之間的夾角ω稱為作用角。第一變形區(qū)就是形成切屑的變形區(qū)，其變形特點是切削層產(chǎn)生剪切滑移變形。2）第二變形區(qū)（與前刀面接觸的切屑層產(chǎn)生的變形區(qū)）內(nèi)金屬的擠壓磨擦變形經(jīng)過第一變形區(qū)后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，還必須克服刀具前刀面對切屑擠壓而產(chǎn)生的摩擦力。此時將產(chǎn)生擠壓摩擦變形。應該指出，第一變形區(qū)與第二變形區(qū)是相互關聯(lián)的。前刀面上的摩擦力大時，切屑排出不順，擠壓變形加劇，以致第一變形區(qū)的剪切滑移變形增大。3）第三變形區(qū)（近切削刃處已加工表面內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)）金屬的擠壓磨擦變形已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓摩擦，造成纖維化和加工硬化。二、切削變形程度的度量方法1、相對滑移ε相對滑移ε是用來量度第1變形區(qū)滑移變形的程度。如右圖，設切削層中A'B'線沿剪切面滑移至A"B"時的距離為△y，事實上△y很小，故可認為滑移是在剪切面上進行，其滑移量為△s。則相對滑移ε表示為：1、變形系數(shù)∧h變形系數(shù)∧h是表示切屑的外形尺寸變化大小的一個參數(shù)。如右圖所示，切屑經(jīng)過剪切變形、又受到前刀面摩擦后，與切削層比較，它的長度縮短、厚度增加，這種切屑外形尺寸變化的變形現(xiàn)象稱為切屑的收縮。注意：由于切削過程是一個非常復雜的物理過程，切削變形除了產(chǎn)生滑移變形外，還有擠壓、摩擦等作用，而ε值主要從剪切變形考慮；而∧h主要從塑性壓縮方面分析。所以，ε與∧h都只能近似地表示切削變形程度。三、剪切角的確定剪切角是影響切削變形的一個重要因素。若能預測剪切角的值，則對了解與控制切削變形具有重要意義。四、積屑瘤的形成及其對切削過程的影響在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑的情況下，加工一般鋼料或其它塑性材料時，常常在前刀面處粘著一塊剖面有時呈三角狀的硬塊。這塊冷焊在前刀面上的金屬稱為積屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)時，能夠代替刀刃進行切削。1、積屑瘤是如何形成的1）切屑對前刀面接觸處的摩擦，使前刀面十分潔凈。2）當兩者的接觸面達到一定溫度同時壓力又較高時，會產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，即一般所謂的“冷焊”。切屑從粘在刀面的底層上流過，形成“內(nèi)摩擦”。3）如果溫度與壓力適當，底層上面的金屬因內(nèi)摩擦而變形，也會發(fā)生加工硬化，而被阻滯在底層，粘成一體。4）這樣粘結(jié)層就逐步長大，直到該處的溫度與壓力不足以造成粘附為止。2、形成積屑瘤的條件：主要決定于切削溫度。此外，接觸面間的壓力、粗糙程度、粘結(jié)強度等因素都與形成積屑瘤的條件有關。1）一般說來，塑性材料的加工硬化傾向愈強，愈易產(chǎn)生積屑瘤；2）溫度與壓力太低，不會產(chǎn)生積屑瘤；反之，溫度太高，產(chǎn)生弱化作用，也不會產(chǎn)生積屑瘤。3）走刀量保持一定時，積屑瘤高度與切削速度有密切關系。3、積屑瘤對切削過程的影響1）實際前角增大它加大了刀具的實際前角，可使切削力減小，對切削過程起積極的作用。積屑瘤愈高，實際前角愈大。2）使加工表面粗糙度增大積屑瘤的底部則相對穩(wěn)定一些，其頂部很不穩(wěn)定，容易破裂，一部分連附于切屑底部而排出，一部分殘留在加工表面上，積屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工時必須設法避免或減小積屑瘤。3）對刀具壽命的影響積屑瘤粘附在前刀面上，在相對穩(wěn)定時，可代替刀刃切削，有減少刀具磨損、提高壽命的作用。但在積屑瘤比較不穩(wěn)定的情況下使用硬質(zhì)合金刀具時，積屑瘤的破裂有可能使硬質(zhì)合金刀具顆粒剝落，反而使磨損加劇。4、防止積屑瘤的主要方法1）降低切削速度，使溫度較低，粘結(jié)現(xiàn)象不易發(fā)生；2）采用高速切削，使切削溫度高于積屑瘤消失的相應溫度；3）采用潤滑性能好的切削液，減小摩擦；4）增加刀具前角，以減小切屑與前刀面接觸區(qū)的壓力；5）適當提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。五、切削變形變化規(guī)律從相對滑移ε、變形系數(shù)∧h計算式中可知，剪切角與前角γ0是影響切削變形的兩個主要因素。如果增大前角γ0和剪切角，使相對滑移ε、變形系數(shù)∧h減小，則切削變形減小。1、前角：增大前角γ0，使剪切角增大，變形系數(shù)∧h減小，因此，切削變形減小。生產(chǎn)實踐表明：采用大前角刀具切削，刀刃鋒利、切入金屬容易，切屑與前刀面接觸長度減