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第一讲刀具材料及切削机理,一、刀具材料 金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量，刀具消耗和加工成本。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一，特别是对某些难加工材料的切削来讲刀具材料的选用显得尤为重要。,（一）刀具材料应具备的基本性能,刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此，刀具材料应具备以下基本性能。,1.硬度高 硬度是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力。刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度，一般高于一倍至几倍，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状。目前，切削性能最差的刀具材料碳素工具钢，其硬度在室温条件下也应在62HRC以上；高速钢的硬度为6370HRC。,刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力。例如，车削45钢时，当ap=4mm，f=0.5mm/r时，刀片要承受约4000N的切削力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的抗弯强度b(单位为PaNm。)表示它的强度大小。用冲击韧度k(单位为Jm。)表示其韧性的大小，它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。,2.足够的强度和韧性,刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系。其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量，或叫热硬性。高温硬度越高，表示耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。耐热性差的刀具材料，由于高温下硬度显著下降而会很快磨损乃至发生塑性变形，丧失其切削能力。,3.耐磨性和耐热性好,刀具材料的导热性用热导率单位为w（mK)来表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。此外，导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热裂的性能增强，这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削，特别在加工导热性能差的工件时尤为重要。,4.导热性好,为了便于制造、要求刀具材料有较好的可加工性，如热塑性（锻压成形）、焊接工艺性、切削加工性和热处理工艺性等。,5.工艺性好,6.经济性好,经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一，也是正确选用刀具材料、降低产品成本的主要依据之一。,（二）刀具材料的分类,刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料五大类。其主要力学物理性能见表2-1。但目前应用最多的是高速钢和硬质合金。据统计，我国目前高速钢用量约占刀具的60以上，硬质合金的用量约占30以上，随着难加工材料应用的增加，陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增长。,返回,1.碳素工具钢,碳素工具钢是含碳量较高的优质钢(含碳量为0.71.2。如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差(表22)。1）常用牌号：T7A、T8AT13A等。2）主要性能：淬火后硬度较高，可达HRC6165；红硬性为200250，不耐高温；价格低廉，切削速度因此而不能提高，允许切削速度 VC10m/min。3）应用：只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。,2.合金工具钢 在碳素工具钢中加入少量的Cr、w、Mn、Si等元素，形成合金工具钢(如9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性(表22)。1）主要牌号：9SiCr CrWMn 2）主要性能：淬火后的硬度可达HRC6165；红硬性为300400；允许切削速度Vc=1015m/min；3）应用：制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。,2-2,3.高速钢,高速钢是一种含钨(w)、钼(Mo)、铬(cr)、钒(V)等合金元素较多的合金工具钢。1）组成：以重量计：碳的质量分数为0.7%15；铬的质量分数约为4%；钨的质量分数和钼的质量分数为1020%；钒的质量分数为15。由于合金元素与碳化合形成较多的高硬度碳化物，如碳化钒，硬度高达2800HV，且晶粒细小，分布均匀。而且合金元素和碳原子结合力很强，提高了马氏体受热时的稳定性。,2）高速钢的特点（1）高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达HRC62 67）和耐热性（切削温度可达550600C），与碳素工具钢和合金工具钢相比切削速度可提高1 3倍，故得名“高速钢”，提高耐用度10 40倍。铬在钢中提高了淬透性，使小型刀具在空气中冷却就能淬硬，且能刃磨得锋利，故高速钢又有“风钢”或“锋钢”之称。可加工包括有色金属、高温合金在内的范围广泛的材料。,(2)高速钢具有高的强度(抗弯强度为一般硬质合金的23倍，为陶瓷的56倍)和韧性，抗冲击振动的能力较强，适宜制造各类刀具。,(3)高速钢刀具制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，因此在复杂刀具(钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)的制造中，高速钢占有重要的地位。,3)高速钢分类：(1）按用途不同，可分为通用型高速钢和高性能高速钢；(2）按制造工艺方法不同，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,通用型高速钢,钨系高速钢,钨钼系高速钢,4)钨系高速钢,其代表是W18Cr4V(简称w18)是我国最常用的一种高速钢。由于含钒量较少，磨削性能好，其刃口容易磨得锋利平直，综合性能好，通用性强。常温硬度可达6366HRC，在600高温时能保持的硬度48.5HRC左右。特别是热处理工艺性好，淬火时过热倾向小，抵抗塑性变形能力强。可用于精加工的复杂刀具，如螺纹车刀，成形车刀，宽刃精刨刀、拉刀、齿轮刀具等。,键槽铣刀 立铣刀,三面刃铣刀 角度铣刀 锯片铣刀,圆柱铣刀 端铣刀 硬质合金铣刀,盘形齿轮铣刀几何参数,齿轮滚刀的工作原理,阿基米德齿轮滚刀的几何参数,套装式,端面键式,带柄式,插齿刀工作原理,盘形剃齿刀工作原理,W18钢的缺点是碳化物分布常不均匀，剩余碳化物颗粒较大。如锻造不均，则会影响薄刃刀具的寿命、制造较大截面刀具时，强度显得不够(抗弯强度仅为22.3GPa)，只有在制造小截面刀具时，才获得满意的强度(33.4GPa)。此外，W18钢热塑性较差，不适合作热轧刀具。,5)钨钼系高速钢,W6M05Cr4V2(简称M2)是我国常用的典型钨钼系高速钢种。用1%的钼可代替2的钨，钼的加入使钢中合金元素减少，从而减小了碳化物数量及其分布的不均匀性，细化了晶粒。与W18钢相比，M2钢抗弯强度提高约17，冲击韧度提高约40%以上，而且大截面刀具也具有同样的强度和韧性，可用于制造截面较大的刀具，或承受较大冲击力的刀具(如插齿刀)以及结构较薄弱的刀具(如麻花钻、丝锥等)。,M2钢的热塑性很好，磨削加工性能好，特别适用于制造轧制或扭制钻头等热成形刀具，是目前各国使用较多的一种高速钢。M2钢的缺点是热硬性和高温硬度略低于W18钢，故高温切削性能稍逊。此外，热处理时脱碳倾向大，较易氧化，淬火温度范围较窄。,高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，用调整其基本化学成分和添加一些其他合金元素(如钒、钴、铅、硅、铌等)的办法，着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的。主要用来加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料，这类高速钢的不同牌号只有在各自的规定切削条件下使用才能达到良好的切削性能。,6)高性能高速钢,(1)常用牌号:高碳高速钢:9W18Cr4V(9W18),9W6Mo5Cr4V2(CM2)。其碳的质量分数从普通高速钢的0.70.8增加到0.9l.0%，使常温硬度提高到6668HRC，600c时高温硬度提高到5152HRC。适用于耐磨性要求高的铰刀、锪钻，丝锥以及加工较硬材料(220250HBS)的刀具。,(2)含铝高速钢 铝高速钢W6M05cr4V2A1(简称501)和W10M04Cr4V3Al(简称5F一6)是我国独创的新钢种，这种钢常温硬度为6769HRC，600C高温时硬度为5455HRc，切削性能相当于钴高速钢M42，刀具寿命比W18cr4V显著提高(至少12倍)，而价格却相差不多，用这种钢做的齿轮滚刀允许l 67ms的切削速度。,(3)钴高速钢M42(W2MO9Cr4VCO8)和W10MO4Cr4V3CO10 高速钢中加入钴可提高钢的热稳定性，促进回火时碳化物的析出，增加弥散硬化效果，提高回火硬度。从而提高常温和高温硬度及抗氧化能力。由于钴的热导率较高，加入钴可以改善高速钢的导热性，并降低摩擦因数，从而提高切削速度。,（4）高钒高速钢 W6Mo5Cr4V3、W12Cr4V4Mo 高钒高速钢质量分数在35，由于形成大量高硬度耐磨的碳化钒弥散在钢中，提高了高速钢的耐磨性，且能细化晶粒和降低钢的过热敏感性。,7）粉末冶金高速钢,是20世纪70年代开发的新型刀具材料，其工艺方法是用高压惰性气体（氩气或氮气）或高压雾化高速钢得到细小的高速钢粉末，再经热压制成刀具毛坯。,与熔炼高速钢相比具有以下优点：,（1）能解决碳化物偏析 普通熔炼高速钢在铸锭时会产生粗大碳化物共晶偏析，碳化物晶粒尺寸大到8020m。而粉末冶金高速钢碳化物晶粒为25 m，且无碳化物偏析，从而提高了钢的强度、韧性和硬度，其硬度可达6 970HRC。,（2）能保证各向同性 由于粉末冶金的工艺特点，保证了粉末冶金高速钢的各向同性，从而减小了热处理内应力和变形，适合制造各种精密和复杂刀具。,（3）磨削加工性好 钒的质量分数5的粉末冶金高速钢的磨削加工性，相当于钒的质量分数为2的普通高速钢。磨削效率比熔炼高速钢高23倍，表面粗糙度值显著减小。,（4）能制造超硬高速钢 粉末冶金高速钢新工艺，为在现有高速钢中加入高碳化物(TiC和NbC)和制造超硬高速钢新材料提供了可能性。,（5）能节约钢材和工时 用粉末冶金直接压制刀坯时，可大大减小加工余量、节约钢材和工时。,3.硬质合金,硬质台金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC，碳化铌NbC等)与金属粘结剂(钴、镍、钼等)在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬度为HRA8 993，能耐8501000的高温，具有良好的耐磨性，允许使用的切削速度可达100300mmin，可加工包括淬硬钢在内的多种材料，因此获得广泛应用。但是，硬质台金的抗弯强度低，冲击韧性差，刃口不锋利，较难加工，不易做成形状较复杂的整体刀具，因此目前还不能完全取代高速钢。常 用的硬质台金有钨钴类（YG类)、钨钛钴类(YT类)和通用硬质合金(YW类)三类。,硬质合金牌号的表示方法,Y,G6,X,硬的汉语拼音第一个字母,G6钨钴类合金及钴含量.T15钨钴钛类合金及TiC含量.W钨钴钛T钽类合金。N钨钛镍钼合金,附加字母分别表示X细晶粒C粗晶粒N加铌元素A加钽元素,1）钨钴类（YG）,YG类硬质合金主要由碳化钨（WC）和钴（Co）组成，常用的牌号有YG3、YG6、YG8等。YG类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较好，不易崩刃，很适宜切削切屑呈崩碎状的铸铁等脆性材料。YG类硬质合金的刃磨性较好，刃口可以磨得较锋利，故切削有色金属等合金的效果也较好。由于YG类硬质合金的耐热性和耐磨性较差，因此一般不用于普通钢材的切削加工。但它的韧性好，导热系数较大，可以用来加工不锈钢和高温合金钢等难加工材料。,2）钨钛钴类(YT类),YT类硬质合金主要由碳化钨、碳化钛和钴组成，常用的牌号有YT5、YTl5、YT30等。它里面加入了碳化钛后，增加了硬质合金的硬度、耐热性、抗粘接性和抗氧化能力。但由于YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差，故主要用于切削切屑一般呈带状的普通碳钢及合金钢等塑性材料。,3）通用硬质台金(YW类),钨钛钽(铌)钴类硬质合金(YW类)它是在普通硬质合金中加入了少量的稀有高熔点金属碳化钽（TaC)或碳化铌(NbC)，能阻止WC晶粒在烧结过程中长大，起到细化晶粒的作用。从而提高了硬质合金的韧性和耐热性，使其具有较好的综合切削性能。YW硬质合金主要用于不锈钢、耐热钢、高锰钢的加工，也适用于普通碳钢和铸铁的加工，因此被称为通用型硬质合金，常用的牌号有YWl、YW2等。,不同硬质合金牌号的性能和应用范围见表2 3。,2-3,TiC62%,涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的工艺方法，涂覆一薄层(约512um)高硬度、耐磨性高、难熔金属化合物(TlC、TiN、AL2O3等)而获得的。这样，可使刀片既保持了普通硬质合金基体的强度和韧性，又使表面有更高的硬度(可达1 5003000HV)和耐磨性。更小的摩擦因数和高的耐热性(达8001200)。实践证明，涂层刀片在高速切削钢件和铸铁时能获得良好效果，比未涂层刀片的刀具寿命提高13倍，高者可达510倍。此外，涂层刀片通用性好，一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片使用，大大简化了刀具管理和降低了刀具成本，获得较好的经济效益。,4.涂层刀具和其他刀具材料1）涂层刀具,碳化钛的硬度比氮化钛高，抗磨损性能好，对于会产生剧烈磨损的刀具，碳化钛涂层较好。氮化钛与金属的亲和力小，润滑性能好，在容易产生粘结的条件下，氮化钛涂层较好。在高速切削产生大量热量的场合，以采用氧化铝涂层为好，因为氧化铝在高温下有良好的热稳定性能。,由表2-3可以看出，由于碳化物的硬度和熔点比粘接剂高得多，因此在硬质合金中，如果碳化物所占比例大，则硬质合金的硬度就高，耐磨性也好；反之，若钴、镍等金属粘结剂的含量多，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强度和冲击韧性就有所提高。硬质合金的性能还与其晶粒大小有关。当粘结剂的含量一定时，碳化物的晶粒越细，则硬质合金的硬度越高，而抗弯强度和冲击韧性降低；反之，则硬质合金的硬度降低，而抗弯强度和冲击韧性就会有所提高。,陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3。、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。硬度可达到HRA9195，在1200的切削温度下仍可保持HRA80的硬度。另外，它的化学惰性大，摩擦系数小，耐磨性好，加工钢件时的寿命为硬质合金的101 2倍。最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧性低。因此它主要用于半精加工和精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷，复合氧化铝陶瓷以及复合氧化硅陶瓷等。,2）陶瓷材料,3）超硬材料,（1）人造金刚石 金刚石是碳的同素异构体，分天然金刚石和人造金刚石两种。人造金刚石是在高温(约2000C)、高压(59GPa)和金属触媒作用的条件下，由石墨转化而成的。金刚石刀具的性能特点是：,有极高的硬度和耐磨性 人造金刚石的硬度高达10000HV，比硬质合金的硬度(13001800HV)和陶瓷的硬度高几倍，是世界已发现的最硬材料。人造金刚石的耐磨性为硬质合金的6080倍。,有锋利的切削刃 人造金刚石的切削刃钝圆半径很小，能进行超精密微量切削，使已加工表面冷硬层很小，尺寸精度和几何形状精度可达到31m，表面粗糙度值可达到Ra0.020.06 m），可实现镜面加工。,有很高的导热性 人造金刚石有较低的线膨胀系数和摩擦系数。其热导率约为硬质台金的27倍，陶瓷的736倍，而热膨胀系数只有硬质台金的1/1l和陶瓷的18。固此，切削热变形小，尺寸精度稳定。,耐热性较差 人造金刚石的温度超过800C时就会碳化而失去切削能力；且与铁有较强的化学亲和力。高温时金刚石中的碳元素会很快扩散到铁中去，而使刃口“破裂”。因此，金刚石刀具一般不适于加工铁系金属。,强度很低 人造金刚石脆性大，抗冲击能力差，对振动很敏感，要求机床精度高、平稳性好，且只适于切削层面积不大的精细加工。,使用场合：人造金刚石主要用于制作磨具和磨料，用作刀具材料时，多用于在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料。尤其是用它切削加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料时，具有很大的优越性。,金刚石砂轮,激光金刚石切割片,（2)立方氮化硼（CBN）立方氮化硼是由六方氮化硼（俗称白石墨）在高温高压下加入催化剂转变而成的。它是70年代才发展起来的一种新型刀具材料，其特点：硬度很高 可达到HV80009000,热稳定性好 立方氮化硼具有比金刚石更好的热稳定性，其耐热性可达13001400C，其高温硬度高于陶瓷刀具。当温度高达1370 C以上时，才开始由立方晶体转变为六方晶体而软化。因此，CBN适合在高速下加工高温合金。,化学稳定性好 立方氮化硼具有比金刚石更好的化学惰性，在1000 C以下时，不发生氧化现象，与铁系金属在12001300 C时也不易起化学反应。因此，在高速下切削淬火钢，冷硬铸铁时其粘接和扩散磨损较小，但在高温时(1000以上)易与水产生化学反应,有较高的热导率和较小的摩擦系数 立方氮化硼的热导率比金刚石低(约为金刚石的12)但远高于陶瓷刀具，且热导率随温度的升高而增加。这一性能对降低刀尖处的温度大有好处，并且摩擦系数小。,强度及韧性较差 立方氮化硼的抗弯强度约为陶瓷刀具的1512，一般只用于精加工,根据CBN的性能特点，它最适于加工高硬度淬火钢、高温合金等。特别在精镗小直径孔时(635mm)，公差等级可达IT6级，表面粗糙度值小于Ra0.2m。CBN一般不适合加工塑性大的钢铁金属和镍基合金，也不适合加工铝合金及铜合金，因容易产生严重的积屑瘤，使已加工表面质量恶化。由于CBN脆性大，不宜低速切削，通常采用负前角高速切削，以发挥刀具材料在高温时相对工件材料的硬度优势。,(三)刀具材料的选择,如何才能正确选择刀具材料、牌号，需要全面掌握金属切削的基本知识和规律，最主要的是了解刀具材料的切削性能和工件材料的切削加工性能以及加工条件，抓住切削中的主要矛盾并考虑经济合理来决定取舍。,一般应遵循以下原则：,1.加工普通工件材料时，一般选用普通高速钢与硬质合金；加工难加工材料时，可选用高性能和新型刀具材料牌号。只有在加工高硬材料或精密加工中常规刀具材料难以胜任时，才考虑用超硬材料立方氮化硼和金刚石。,2.由于任何刀具材料在强度、韧性和硬度耐磨性两者之间总是难以完全兼顾的，我们在选择刀具材料牌号时，根据工件材料切削加工性和加工条件，通常先考虑耐磨性，崩刃问题尽可能用最佳几何参数解决。,如果因刀具材料性脆还要崩刃，再考虑降低耐磨性要求，选强度和韧性较好的牌号。一般来说，低速切削时，切削过程不平稳，容易产生崩刃现象，宜选强度和韧性好的刀具材料.高速切削时，高的切削温度对刀具材料的磨损影响最大，应选择耐磨性好的刀具材料牌号。,二、金属切削过程,金属切削过程：是用刀具从工件表面上切去多余的金属，形成已加工表面的过程，也是工件的切削层在刀具前面挤压下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。切削过程中存在许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损等，都与金属的变形及其变化规律有密切的关系，研究切削过程对保证加工质量、提高生产率、降低成本和促进切削加工技术的发展，有着十分重要的意义。,（一）切削过程及切屑类型 切削过程中的各种物理现象，都是以切屑形成过程为基础的。了解切屑形成过程，对理解切削规律及其本质是非常重要的，现以塑性金属材料为例，说明切屑的形成及切削过程中的变形情况。,1.切屑的形成过程 图2-1所示为将切屑形成过程粗略地比拟为推挤一叠卡片的形象化模型。,切屑形成过程模拟,返回,金属被切削层好比一迭卡片1、2、3、4 等,当刀具切入时这迭卡片被推到1、2、3、4.的位置。卡片之间发生滑移，滑移的方向就是剪切面。当然卡片和前刀面接触这一端应该是平整的，外侧是锯齿的、或呈不明显的毛茸状。,返回,当刀具作用于切屑层，切削刃由a相对运动至0时，整个切削单元OMma就沿着OM面发生剪切滑移；或者O面不动，平行四边形OMma受到剪切应力的作用，变成了平行四边形OMm1a1。(图2-1(b)。实际上切屑单元在刀具前面作用下还受到挤压，因而底边膨胀为Oa2，形成近似梯形的切屑单元OMm2a2(图2-1c)。许多梯形叠加起来就迫使切屑向逆时针方向转动而弯曲。因此也可以说，金属切削过程是切削层受到刀具前面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变形，而形成为切屑的过程。,（二）三个变形区 根据切削实验时制作的金属切削层变形图片，可绘制出如图2-2所示的金属切削层的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。由图22可见，切削过程中切削层金属的变形可大致划分为三个变形区。,l.第一变形区（剪切变形区）,1）区域：OA OM之间。从OA线(称始剪切线)开始发生塑性变形，到OM线(称终剪切线)晶粒的剪切滑移基本完成。这一区域(I)称为第一变形区。2）特征：OA线发生塑性变形，OM线完成晶粒的剪切滑移。,这三个变形区汇集在刀刃附近，切削层金属在此处与工件母体分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面上。,图2-2金属切削过程中的滑移线和流线示意图,2.第二变形区（挤压变形区）1）区域：靠近刀尖与前刀面。切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，纤维化方向基本上与前刀面平行。这一区域称为第二变形区()。2）特征：靠近前刀面的金属纤维化，方向平行于前刀面。前刀面将继续进一步挤压和摩擦。,3.第三变形区（挤压和修光区）1）1）区域：副切削刃与后刀面的部分。已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。这部分称为第三变形区()。2）特征：对已加工表面挤压、摩擦和回弹，产生纤维化合加工硬化。,第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；第变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区；第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。,返回,注：1）变形区均位于切削刃附近，应力集中且变化复杂；2）在这一区域形成被切削层，切屑与工件分离，形成切屑和已加工面；3）切削刃对切屑的切除和已加工面形成影响很大。,（三）变形规律 1.第一变形区内金属的剪切变形,1）滑移过程（1）产生滑移的条件：刀具的挤压力大于工件材料的屈服剪切强度s。,（2）滑移过程：沿OA开始产生塑性变形，在进给、摩擦和外力的复合作用下，材料的晶格就要发生沿晶面滑移，当切削层继续沿前刀面运动时，在OM处晶格的滑移基本结束。注：1）其中2-2 为滑移量；2）晶粒伸长的方向不与剪切面重合，成一定的角度；3）在一般的切削速度下，此区域的宽度为：0.020.03。,2）变形的主要特征：（1）滑移线发生剪切变形，从晶体结构看，沿晶格中的晶面滑移；（2）加工硬化和纤维化方向性明显。结论：在OA到OM之间的第一变形区内，其变形的主要特征是沿滑移线的剪切滑移变形以及随之产生的加工硬化。,AC是始滑移面AE是终滑移面AC、AE之间为第变形区。AB面称为剪切面或滑移面。剪切面AB与作用力Fr之间的夹角约为400-500。剪切角：AB与V之间的夹角。作用角：Fr与V之间的夹角。第变形区就是形成切屑的变形区。,返回,从金属晶体结构的角度说，沿滑移线的剪切变形就是沿晶格中晶面的滑移(见图2-4)。工件材料的晶粒可假定为圆颗粒(图2-4(a)，受剪应力后，晶格内晶面发生位移，晶粒呈椭圆形。圆的直径AB变成长轴A B（图2-4b），A B 就是晶粒纤维化的方向（2-4C）晶粒伸长的方向就是纤维化的方向，是与滑移方向、剪切面的方向不重合的。它们成一夹角（图2-5）,3）变形程度的表示方法,（1）剪切角 实验证明剪切角的大小和切削力的大小有直接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，如角较大，剪切面积变小(见图2-6)，即变形程度较小，切削比较省力。所以角本身就表示变形的程度。,（2）变形系数 切削时，切屑厚度ach通常都要大于切削厚度ac，而切屑长度lch却小于切削长度lc，如图2-7,切屑厚度与切削厚度之比称为厚度变形系a；而切削长度与切屑长度之比称为长度变形系l，即：,由于切削宽度与切屑宽度差异很小，根据体积不变原则，有 a=l=,变形系数是大于1的数，可以用剪切角表示,上式也可写成,用剪切角来衡量变形的大小，测量比较麻烦；而变形系数可直观反映切屑的变形程度，并且容易测量。,2.第二变形区的挤压变形,1）挤压的过程（1）产生的条件：前刀面上的挤压，切屑的运动因摩擦作用受阻。（2）产生的过程：切屑在前刀面上运动时，由于在刀具的挤压作用下产生极大的摩擦力，阻止了切屑的自由运动，沿前刀面挤压变形，靠近前刀面的材料的晶粒变形大，有理论上的平行四边形变成梯形，使切屑产生弯曲。切屑与前刀面之间压力很大，再加上几百度的高温，实际上切屑底层与前刀面呈粘结状态。故切屑与前刀面之间不是一般的外摩擦，而是切屑和前刀面粘结层与其上层金属之间的内摩擦。,这种内摩擦实际上就是金属内部的滑移剪切，它不同于外摩擦(外摩擦力的大小与摩擦系数以及正压力有关，与接触面积无关)，而是与材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关。图2-10给出切屑与前刀面摩擦时的情形。刀-屑接触部分可分 为两个区域，在粘结部分为内摩擦，滑动部分为外摩擦。图中也表示出了整个刀-屑接触区上正应力r的分布，显然金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦。,令为前刀面上的平均摩擦系数，则,式中，Af1内摩擦部分的接触面积；av 内摩擦部分的平均正应力；s 工件材料剪切屈服强度。由于随切削温度升高略有下降，随材料硬度、切削厚度及刀具前角而变化，其变化范围较大，因此，是一个变数。,影响前刀面摩擦系数的主要因素 工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度是影响前刀面摩擦系数的主要因素。实验表明在相同切削条件下，加工几种不同工件材料，如铜、10钢、10Cr钢、1Crl8Ni9Ti等，随着工件材料的强度和硬度的依次增大，摩擦系数略有减小；这是由于当切削速度不变时，材料的硬度、强度大时，切削温度增高，故摩擦系数下降。切削厚度ac增加时，也略为下降；如10钢的ac从0.lmm增大到0.18mm，从0.74降至0.72。因为ac增加后正应力也随之增大。,在一般切削速度范围内，前角。愈大，则值愈大。因为随着。增大，正应力减小，故增加。,切削速度对摩擦系数的影响见图2-11。当u30mmin时，切削速度提高，摩擦系数变大。这是因为在低速区切削温度较低，前刀面与切屑底层不易粘接，粘结的严密程度随速度(温度)增高而发展，从而使上升。当v超过30mmin后，温度进一步升高，材料塑性增加，而使切屑底层材料的s下降，故随之逐渐下降。,2）特征：（1）变形产生在靠近前刀面的底层，纤维方向平行于前刀面；（2）离前刀面越远越小；（3）切屑的卷曲是前刀面给切屑的压力产生的弯曲变形。注：1）第一区域第二区相互关联的；2）前刀面的摩擦情况（摩擦力、摩擦系数、摩擦性质）对剪切方向影响大；3）刀具的前角小，挤压愈强，切屑变形越大；4）第二区在适当的温度、压力条件下，易产生“积屑瘤”；5）第一、二区的变化为物理变化。,3.第三区的已加工面的挤压与修光1）变形的过程（1）产生的条件：后刀面的法向力（Fna）引起的径向塑、弹性复合变形，后刀面的摩擦力（Ffa）引起的切向塑、弹性复合变形。（2）变形的过程：在切削区以下部分的金属向作用力小的后刀面方向流动，由于后刀面的法向力（Fna）的作用，被压缩和拉伸的纤维越来越长、越来越细，最终被拉断，形成已加工面。2）特征（1）对已形成的第一区的纤维进一步加强，纤维方向平行于已加工面；（2）在离开第二区的金属要产生一定量的弹性回复；（3）易产生纤维化合加工硬化。,（四）积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,1.概念：在切削速度不高而又能形成连续性切 屑的情况下，加工钢料等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三 角状的硬块。它的硬度稍高(通常是工 件材料的23倍)，在处于稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前 刀面上的金属称为积屑瘤。,2.形成机理：切削加工时，切屑与前刀面发生强烈摩擦而形成新鲜表面接触。当接触面具有适当的温度和较高的压力时就会产生粘结(冷焊)。于是，切屑底层金属与前刀面冷焊而滞留在前刀面上。连续流动的切屑从粘在刀面的底层上流过时，在温度、压力适当的情况下，也会被阻滞在底层上。使粘结层逐层在前一层上积聚，最后长成积屑瘤。,3.影响因素：1）积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬 化性质有关；材料的加工硬化趋势愈强，愈易产生积屑瘤。,2）与刃前区的温度和压力状况有关,刃前区的温度和压力太低，不会产生积屑瘤；若温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。对碳素钢，约在300500C时积屑瘤最高，到500 C以上时趋于消失。,3）积屑瘤高度与切削速度之间的关系见图（2-1 2）,在低速区I中不产生积屑瘤；在区中积屑瘤高度随切削速度增加而加大至最大值；在区内积屑瘤高度随切削速度增加而减小；在区内积屑瘤不再生成。,10m/min,4）积屑瘤对切削过程的影响(1)使实际前角增大：积屑瘤粘结在前刀面上(图2-13)，加大了刀具的实际前角，可使 切削力减小。积屑瘤愈高，实际前角愈大。,(2)增大切入深度：如图2-13所示，积屑瘤使刀具切入深度增加了ac，由屑瘤的产生、成长与脱落是一个周期性过程，ac的变化有可能引起振动。,(3)使加工表面粗糙度值增大：积屑瘤的顶部很不稳定、易破裂，其破裂的部分碎片可能留在已加工表面上；积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面变得粗糙。,(4)影响刀具耐用度：积屑瘤相对稳定时，可代替刀刃切削，能提高刀具耐用度；但在不稳定时，积屑瘤的破裂有可能导致硬质合金刀具的剥落磨损。,注：在精加工时应避免或减小积屑瘤，其措施有：控制切削速度，尽量采用很低或很高的速度，避开中速区；使用润滑性能好的切削液，以减小摩擦；增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力；提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向。,（五）切屑变形的变化规律 在分析了切削过程中第一变形区、第二变形区的变形和摩擦之后，我们来归纳一下影响切屑变形的主要因素，以便利用这些规律优化切削过程。,1.工件材料对切屑变形的影响 工件材料强度愈高，切屑变形愈小。这是因为工件材料强度愈高，摩擦系数愈小。根据=/4-+0及=cos（-0）/sin（）两式可知，减小时(=tg)，剪切角将增大，于是变形系数将减小。,工件材料的塑性也是影响切屑变形的主要因素。在相同的切削条件下，工件材料的塑性愈大，切屑变形就愈大。,2.刀具前角对切屑变形的影响 刀具前角0愈大，切屑变形愈小。这是因为当0增加时，剪切角增大，因而变形系数减小。另一方面0增大使摩擦角增加，导致减小，但其影响比0增加的影响小，结果还是作用角=-0减小，从而使增加，变小。,3.切削速度对切屑变形的影响 在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度愈高，则变形系数愈小。这有两方面原因：1)因为塑性变形的传播速度较弹性变形的慢。如图2-14所示，当切削速度低时，金属始剪切面为OA，但当切削速度高时，金属流动速度大于塑性变形速度，亦即在OA线上尚未显著变形就已流动到0A线上，这意味着此时的第一变形区后移，使增大(图中)2)因为v对有影响。除低速区外，v增大，则减小，因此减小(参见图2-11)。,4.切削厚度对切屑变形的影响 当切削厚度增加时，摩擦系数减小，增大，变形变小。可见，在无积屑瘤情况下，f愈大(ac愈大)，则愈小。,从另一方面来看，切屑中的底层变形最大，离前面愈远的切屑层变形愈小。因此，f愈大(ac愈大)，切屑中平均变形则愈小；反之，切屑愈薄，变形量愈大。,（六）切屑的类型,1.带状切屑：外形连续不断呈带状。1）产生的条件：（1）切削的金属是塑性；（2）切削厚度较小；（3）刀具前角较大。2）特征：（1）它的内表面光滑，外表面毛茸；（2）切削过程平稳，切削力波动、冲击和振动较小，加工表面粗糙度较小。3）常见的材料：易切钢、碳素钢、合金钢、铜和铝合金。,根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不同通常将切屑分为以下四类：,2.挤裂切屑（节状切屑）：挤压切屑。1）产生的条件：（1）切削塑性材料；（2）切削速度低，切削厚度大；（3）刀具前角小。2）特征：（1）外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹；（2）滑移量太大，加工硬化增大了剪应力；（3）在低速、大进给下。3）常见的材料：H62、不锈钢。,3.粒状切屑：单元切屑。1）产生的条件：（1）切削塑性材料，切削量大（切削厚度）；（2）切削脆性材料，硬度高。2）特征：（1）切屑成梯形；（2）剪切应力超过材料的破坏强度，切削力波动大。,注：1）以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。2）挤裂切屑与单元切屑在一定条件下可互相转换。减小刀具前角、降低切削速度；加大切削厚度。3）切屑的形态随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。,4.崩碎切屑 1）产生的条件：（1）切削脆性材料；（2）工件材料硬度高；（3）刀具前角小，切削厚度大。2）特征：（1）形状不规则；（2）加工表面质量差，易崩刃。3）常见的材料：铸铁等。,切 削 形 状,（七）切屑形状的分类及卷屑和断屑机理的探讨,1.切屑形状的分类 前面按形成机理的差异，把切屑分成带状、节状、粒状和崩碎四类。但是，这种分类法还不能满足切屑的处理和运输的要求。影响切屑的处理和运输的主要因素是切屑的形状，因此，还需按照切屑的形状进行分类。,随着工件材料、刀具几何形状和切削用量的差异，所生成的切屑的形状也会不同。切屑的形状大体有带状屑、C形屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑等，如图,切屑的各种形状,高速切削塑性金属材料时，如不采取适当的断屑措施，易形成带状屑。带状屑连绵不断经常会缠绕在工件或刀具上，拉伤工件表面或打坏切削刃，甚至会伤人。所以，通常情况下都希望尽量避免形成带状屑。但也有例外的情况。例如，在立式镗床上镗盲孔时，为了使切屑能顺利地排出孔外甩断，一般都要求形成带状屑或长螺卷屑。,车削一般的碳钢和合金钢工件时，采用带卷屑槽的车刀易形成C形屑。C形屑不会缠绕在工件或刀具上也不易伤人，是一种比较好的屑形。但C形屑多数是碰撞在车刀后刀面上折断的(图2-17)，切屑高频率的碰撞和折断会影响切削过程的平稳性，对工件已加工表面的粗糙度有一定的影响。所以，精车时一般多希望形成长螺卷屑(图218)，使切削过程比较平稳。,长紧卷屑形成过程比较平稳，清理也方便，在普通车床上是一种比较好的屑形。但要求形成长紧卷屑时，必须严格控制刀具的几何参数和切削用量。在重型车床上用大切深、大进给量车削钢件时，切屑宽又厚，若形成C形屑则容易损伤切削刃，甚至会飞崩伤人。通常多将卷屑槽的槽底圆弧半径加大，使切屑卷曲成发条状(图2_19)在工件加工表面上顶断，并靠其自重坠落。,在自动机或自动线上，宝塔状卷屑不会缠绕工件或刀具，清理也较方便，是一种比较好的屑形。,车削铸铁、脆黄铜等脆性材料时，切屑崩碎成针状或碎片飞溅，可能伤人，并易研损机床滑动面。这时，应设法使切屑变成卷状。如采用波形刃脆铜卷屑车刀，可以使脆铜和铸铁的切屑连成螺状短卷。,返回,2-17,2-18,2-19,由此可见，切削加工的具体条件不同，要求切屑的形状也有所变更。脱离具体条件，孤立评论某一种切屑形状的好坏是没有实际意义的。,（八）卷屑和断屑（见图）,为了使切屑卷曲，通常在刀具上作出卷屑槽。要正确选择卷屑槽的几何参数以及正确地选择切削用量和它配合，以达到卷屑的目的,圆弧型卷屑槽,直线型卷屑槽,倒棱,切屑碰到后刀面折断的机理,发条状切屑碰到工件上折断的机理,断 屑,本讲结束。谢谢大家！2010.11.19,