金属切削过程的基本规律课件.ppt

机械制造技术基础第二章 金属切削过程的基本规律山东大学机械工程学院2005年8月,本科生专业课程,2023/4/3,2,第二章 金属切削过程的基本规律,目的要求：掌握金属切削过程的四大规律。1)切屑的形成 牢固掌握切屑变形过程及表示变形程度的方法；掌握刀屑变形区的变形与摩擦规律；掌握影响切屑变形的因素；,2023/4/3,3,2)切削力掌握切削力的来源、切削合力、分力及切削功率牢固掌握影响切削力的主要因素；,2023/4/3,4,3）切削热和切削温度掌握切削热的来源及传出规律；掌握切削区的温度分布规律；牢固掌握影响切削温度的主要因素；,2023/4/3,5,4)刀具磨损、破损牢固掌握刀具的磨损形态及刀具磨损的主要原因；牢固掌握刀具磨钝标准及刀具耐用度的概念；掌握各切削参数与刀具耐用度的关系及合理耐用度的选择原则；掌握刀具破损形态及破损原因。,2023/4/3,6,第一节 金属切削过程中的变形,切屑变形规律是切削过程中诸如切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等规律的重要理论基础。一、切屑的种类及变化 金属切削刀具切除工件上的多余金属层，被切离工件的金属以切屑(Chip)形式与工件分离。,2023/4/3,7,带状 挤裂 单元 崩碎,由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不同，常见的切屑有四种类型。前三种为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。,2023/4/3,8,切屑类型,1带状切屑 最常见。内侧表面光滑，外侧表面呈毛茸状，用显微镜观察可见到有均匀整齐的剪切裂纹。通常加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时得到。切削力波动很小，切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。,2023/4/3,9,2挤裂切屑 外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹 加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时得到 切削力波动较大，切削过程产生一定的振动，已加工表面较粗糙。,2023/4/3,10,3单元切屑 生产中很少见到。在挤裂切屑的基础上切削厚度增大，切削速度、前角减小，使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。,2023/4/3,11,可见：从带状挤裂单元切屑的变化：切削厚度由小到大，切削速度和刀具前角由大到小。掌握其变化规律，就可改变切屑形态以达控制切屑（卷屑、断屑）和改善已加工表面质量的目的。,2023/4/3,12,4崩碎切屑切削脆性金属材料如灰铸铁时得到的。产生原因：材料受到拉应力已超过其抗拉强度。切削力波动甚大，有冲击负荷，已加工表面凹凸不平。改变切削条件，如大前角，大刃倾角，小切削厚度，高切削速度，可得到针状切屑或松散的带状切屑。此时切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。,2023/4/3,13,切削层金属的变形,二、切削层金属的变形1.变形区的划分（以直角自由切削方式切削塑性材料为例）,根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑大体可划分三个变形区。,金属切削过程中滑移线和流线示意图,2023/4/3,15,（l）第一变形区（）从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到OM线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，AOM区域叫第一变形区。是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。,2023/4/3,16,（2）第二变形区（）刀屑接触区切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切滑移。特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀面，有时有滞流层。,2023/4/3,17,（3）第三变形区（）刀工接触区。已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒进一步剪切滑移。有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬化和回弹现象。三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个变形区内的变形又相互影响。,2023/4/3,18,2.第一变形区内金属的剪切变形 金属在第一变形区滑移过程设切削层中某点P向切削刃逼近，到1点时切应力达到材料剪切屈服强度s（=s），1点向前移动的同时，也沿剪切方向滑移，其合成运动轨迹从1点运动到2点而不是2点，22是滑移距离P点继续逼近刀刃，由于硬化现象，剪应力增大，因此P点经过1234，到达4点时剪切滑移结束，沿平行前刀面方向流出成为切屑。,2023/4/3,19,2023/4/3,20,金属在第一变形区滑移过程切削层金属是在AOM区内通过剪应力产生滑移变成切屑(Chip)的。AOM区叫做第一变形区。OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。,2023/4/3,21,第一变形区金属的滑移,晶粒滑移：切削层金属的变形，从晶体结构看，就是沿晶格中晶面的滑移。在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所以可看成一个面即剪切面。剪切面与切削速度之夹角叫剪切角，以表示。,2023/4/3,22,晶粒滑移示意图 滑移与晶粒伸长,假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中晶面滑移，粒变椭圆形，AB变为长轴AB；随剪应力增大，晶格纤维化，AB成为纤维化方向。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致，它们成一（凯帕）角。,2023/4/3,23,卡片模型 切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后沿卡片间滑移而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向。,卡片模型,研究切削变形的实验方法,侧面变形观察法高速摄影法快速落刀法SEM观察法光弹性、光塑性实验法其它方法，如：X射线衍射等,表示变形程度的方法剪切角 剪应变 变形系数 刀屑接触长度 L,2023/4/3,26,(1)剪切角在相同切削条件下，剪切角越大，剪切面积越小，切屑厚度越小，变形越小。剪切角可采用快速落刀实验获得切屑根部照片再测量得到。,2023/4/3,27,(2)变形系数（克赛）由实验和生产可知，切屑厚度 ach 大于切削层厚度ac，切屑长度 lch 小于切削层长度 lc。变形系数l切削层长度与切屑长度之比 l=lc/lch a=ach/ac忽略切屑宽度的变化，有a=l=变形系数能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。,变形系数求法,2023/4/3,28,(3)剪应变按剪应变即相对滑移关系有=s/y，而 s=NP，y=MK故=NP/MK=(NK+KP)/MK=ctg+tg(-0),剪切变形示意图,(4)刀屑接触长度l,o,2023/4/3,30,变形系数、剪切角和剪应变的关系,以上是按纯剪切观点提出的，而切削过程是复杂的，既有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。如=1时，ach=ac，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有相对滑移存在。,2023/4/3,31,三、刀屑接触区的变形与摩擦 根据前述，切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，靠近前刀面的切屑底层进一步变成第二变形区。,2023/4/3,32,特征：切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前刀面上切屑发生弯曲；刀屑接触区温度升高；第二变形区的挤压和摩擦影响切屑的流出，从而影响第一变形区金属的变形，影响剪切角的大小。,2023/4/3,33,1.剪切角与前刀面上摩擦角的关系前刀面上：法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上：正压力Fns剪切力Fs两对力平衡。,作用在切屑上的力及其与角度关系,2023/4/3,34,Fr切削合力；Fn与Fr的夹角，即摩擦角；Fz Fr在切削运动方向的分力；Fy Fr与切削运动方向垂直的分力。切削合力Fr与剪切力Fs之夹角为(+-0)，由材力知,(-0)为切削合力Fr 与切削速度方向的夹角，称作用角，以表示。,2023/4/3,35,可得如下结论前角 o 增大时，增大，变形减小。故在保证刀刃强度条件下增大前角可以改善切削过程（降低切削力、温度、提高表面质量等）；摩擦角 增大时，减小，变形增大。故提高刀具刃磨质量、使用切削液可减小前刀面上的摩擦，对切削过程有利。,2023/4/3,36,2.前刀面上的摩擦与积屑瘤现象(1)前刀面上的摩擦,切屑与前刀面摩擦示意图,切削塑性材料时刀屑接触区的摩擦示意图。可见，刀屑接触面分两个区域：粘结区和滑动区。,刀具前刀面的摩擦特性,，法应力=s 剪应力，=O A B 刀具,OA粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的AB滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数,2023/4/3,39,粘结区内摩擦切塑性金属时，切屑与前刀面间高温(几百度)、高压（2-3GPa）使切屑底部与前刀面间发生粘结，亦称“冷焊”；粘结区并非一般的外摩擦，而是粘结层金属与相邻切屑较上层之间的晶粒相对剪切滑移，属内摩擦。单位切向力=材料的剪切屈服极限s,2023/4/3,40,滑动区外摩擦 单位切向力由 s 逐渐减小到0。刀屑接触面上正应力 在刀尖处最大，逐渐减小到0。,影响前刀面摩擦系数的主要因素工件材料：强度硬度增大，减小切削厚度：切削厚度增大，减小切削速度：低速，V大，越大；高速，V大，越小刀具前角：o 增大，越大,2023/4/3,42,切削速度：在不同v范围，影响不同。v低时，温度较低，前刀面与切屑底层不易粘结。粘结情况随速度的增大而发展，使增大；当v超过一定值时，温度升高，使材料塑性增大，流动应力减小，故降低。,积屑瘤,积屑瘤由于刀屑接触面的摩擦，当切削速度不高又形成连续切屑时，加工钢料和其它塑性材料时，常常在刀刃处粘着剖面呈三角状硬块。硬度为工件硬度的2-3倍，叫积屑瘤。形成原因：高温、高压，粘结、冷焊,2023/4/3,44,材料硬化指数愈大（塑性越高），愈易形成积屑瘤。实验证明：形成积屑瘤有一最佳切削温度，此时积屑瘤高度Hb最大，当温度高于或低于此温度时，积屑瘤高度皆减小。,2023/4/3,45,积屑瘤的作用：有利方面：可增大实际前角，减少变形和切削力；可保护切削刃、降低刀具磨损。,2023/4/3,46,不利方面：积屑瘤不稳定时（脱落时），有可能使脆性刀具颗粒剥落，反而加剧刀具磨损；产生积屑瘤后使切削厚度增大ac值，影响工件尺寸精度；当积清瘤不稳定时，由于积屑瘤产生成长脱落周期动态变化，易引起振动；脱落的积屑瘤碎片影响工件表面粗糙度，也易划伤刀具使耐用度降低,2023/4/3,47,抑制积屑瘤的措施：（1）降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象；（2）采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度；（3）增大刀具前角，减小刀屑接触压力；（4）使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，降低刀屑接触压力（5）提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。,2023/4/3,48,四、切屑变形的规律 从前面第一和第二变形区的分析可知，变形和摩擦是影响切削过程的关键。影响切屑变形的主要因素可从以下四方面分析：,2023/4/3,49,（一）工件材料方面工件材料强度愈高，切屑变形愈小。原因：工件材料强度愈高，减小，增大,变形系数减小。,2023/4/3,50,工件材料强度对变形系数的影响,2023/4/3,51,（二）刀具方面（前角）前角愈大，变形愈小。原因：前角影响切屑流出方向，影响作用角。o愈大，愈小，角愈大，变形愈小。,2023/4/3,52,前角对变形系数的影响,2023/4/3,53,（三）切削用量方面1切削厚度的影响 切削厚度 ac 增加，av 增加，减小，增大，变形减小。2切削速度的影响 v对变形影响较复杂，在无积屑瘤情况下（高速），V增大，变形减小。另外，v 增大，减小，增大，故变形减小。,2023/4/3,54,切削速度及进给量对变形系数的影响,2023/4/3,55,在有积屑瘤区（中低速）在低速时，随v增大，积屑瘤逐渐增大，刀具实际前角增大，因此，变形减小。当增大到一定值时，积屑瘤高度Hb和实际前角均达最大值，而达到最小值。如果v继续增大，积屑瘤也开始减小，实际前角也减小，而增大，直至积屑瘤消失，达到最大值。以上就是切削速度对切屑变形影响产生驼峰状曲线的原因。,2023/4/3,56,作 业画简图说明切屑形成过程。切屑形状分几种?各在什么条件下产生?如何表示切屑变形程度?影响切屑变形有哪些因素?各因素如何影响切屑变形?积屑瘤是如何产生的?积屑瘤对切削过程有何影响?,