金属切削的变形过程.ppt

第三章 金属切削的变形过程,3.1 研究金属切削变形过程的意义和方法,一、意义金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。即被加工工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等，它们产生的根本原因时切削过程中的弹性变形和塑性变形金属切削变形过程的研究是金属切削原理的基础理论研究。是适应生产发展的需要，有助于保证加工质量，提高生产率和降低成本。,二、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,没有副刃参加切削，且s=0。,图 a）、b）、c）直角、斜角自由切削与非自由切削,a）直角切削,b）斜角切削,c）不自由切削,3.2 金属切削层的变形,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以剪切滑移为主的塑性变形过程。,正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45,偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移,切削：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。OM平面是剪切平面,图 金属挤压与切削比较,一、切屑的形成过程,图 切屑根部金相照片,切削变形实验设备与录像装置,金属在加工过程中会发生剪切和滑移，下图表示了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。可划分为三个变形区,二、变形区的划分,金属切削过程中滑移线和流线示意图,第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,图 切削部位三个变形区,第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。,第变形区：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。,第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽度仅0.020.2。,第变形区：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。切屑与前刀面的压力很大，高达23GPa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。,粘结现象时的摩擦状况,第变形区：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。,刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程,切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为h，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削层在OB，BC，CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。,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。,三、第一变形区内金属的剪切变形,金属切削的形成过程.swf,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。,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。,刀具,切屑,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，它们成一角。,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,剪切角 剪应变 变形系数 刀屑接触长度 L,四、变形程度的表示方法,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，比较麻烦。,二、剪应变平行四边形OHNM剪切变形为OGPM，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,变形系数求法,三、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。长度变形系数L切削层长度lc与切屑长度lch之比 L=lc/lch 厚度变形系数 a=ach/ac忽略切屑宽度的变化，有a=L=大于1，值大表示切屑越厚越短，变形越大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、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。也只当1.5时，与基本成正比。,四、刀屑接触长度l,o,3.3 前刀面的挤压与磨擦及其 对切屑变形的影响,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。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。,粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,图 切屑与前刀面的摩擦,在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。,滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。,一、作用在切屑上的力、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,Fr切削合力；Fn与Fr的夹角，即摩擦角；=tg 为前刀面的摩擦系数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。可由公式计算切削合力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。,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。,二、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AB 滑动区,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,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,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。,三、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（V不变时，温度升高）切削厚度：切削厚度增大，正应力增大，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，正应力减小，越大,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，这块金属被称为积屑瘤。叫积屑瘤。形成原因：高温、高压，粘结、冷焊,3.4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,一、积屑瘤的成因：当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图所示。积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且也与刀刃前区的温度和压力有关。,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。积屑瘤高度与切削速度的关系如下图，实际上也反映了与温度的关系。,积屑瘤高度Hb与vc的关系,二、积屑瘤对金属切削过程产生的影响（P44）：,（1）实际刀具前角增大;（2）实际切削厚度增大；（3）加工后表面粗糙度增大；（4）影响切削刀具的耐用度；,1、实际刀具前角增大,刀具前角o指前刀面与基面之间的夹角。如图所示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个b角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大,现为o b。刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb 越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。,2、实际切削厚度增大,当切削瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加了一个hD，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。这个厚度hD的增加并不是固定的，因为切削瘤在不停变化，它是一个产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振动。,3、加工后表面粗糙度增大,积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。,4、切削刀具对耐用度的影响,从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少了刀具磨损。积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。,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；当积屑瘤不稳定时，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。,三、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。,四、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）调整刀具角度，增大刀具前角，减小刀屑接触压力；（4）更换切削液，使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，降低磨擦；（5）提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。,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：工件材料、刀具参数、切削速度和切削厚度,3.5 切屑变形的变化规律,1、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。,工件材料强度对变形系数的影响,2、刀具方面前角愈大，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。,前角对变形系数的影响,由图可以看到，当刀具前角O增大时，沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出，金属切屑的变形也会变小。通过对高速钢刀具所作的切削试验也证明了这一点。在同样的切削速度下，刀具前角O愈大，材料变形系数愈小。刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，刀尖圆弧半径越大，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切屑变形也越大。,3、切削速度,由图可以看出，随切削速度变化的材料变形系数曲线并不是一直递减，而是在某一段有一个波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤这一段，另一个是无积屑瘤段。,积屑瘤段情况（中低速）,在积屑瘤增长阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑瘤越大，实际刀具前角也越大，切屑的变形相对减少，所以在此阶段，切削速度增加时，材料变形系数也减少。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。随着速度的增加，积屑瘤增大到一定程度又会消退，在消退阶段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，同时，实际刀具前角也减小，材料的变形将增大，在积屑瘤完全消退时，材料变形将最大。,在无积屑瘤段（高速）,材料变形系数是随着切削速度的增加而减小。主要是因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢，速度低时，金属始剪切面为OA，当速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑性变形速度，在OA面金属并未充分变形，相当于始剪切面后移至OA面，终剪切面OM也后移至OM，第一变形区后移，使得材料变形系数减小。另外，速度越大，摩擦系数减小，材料变形系数也会减小。,4切削厚度,下图显示了进给量（即切削厚度）对切屑变形的影响。在无积屑瘤段，进给量f越大，切削厚度 ac 增加，av 增加，减小，增大，材料的变形系数减小。,3.6 切屑的类型及其变化,意义：金属切削过程是被切金属层在刀刃和前刀面的作用下，经过挤压和滑移变成切屑(Chip)的过程。切屑从形态、尺寸、颜色以至硬度都反映了被加工材料和切削条件对滑移的影响。研究切屑的形态不仅在生产实践上具有重要意义（切屑处理），而且在理论上也有重要意义。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。,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。,一、切屑种类,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。被切材料在经过终滑移线时剪应力未超过材料的破裂强度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。,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。加工硬化较大，在局部剪应力超过破裂强度。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。,3、单元切屑在挤裂切屑的基础上切削厚度增大，切削速度、前角减小，挤裂切屑的整个剪切面上的应力都超过了材料的破裂强度。使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。生产中很少见到。,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。表面粗糙度随切屑从单元向挤裂和带状形态的转变而逐步降低。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。,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。,带状切屑,挤裂切屑,节状切屑,崩碎切屑,图 切屑形态照片,按外形（影响切屑处理和运输）带状屑 高速切削塑性金属，一般应力求避免C形屑 车削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，较好长紧卷屑 普通车床上较好发条状卷屑 重型机床上较好宝塔状卷屑 自动机或自动线上较好螺卷屑 车削脆性材料较好崩碎屑,二、切屑形状分类,（国际标准化组织的切屑分类法）,“不可接受”的切屑拉伤工件的已加工表面，使表面粗糙度恶化划伤机床，卡在机床运动副之间造成刀具的早期破损甚至影响操作者的安全衡量切屑可控性的主要标准不妨碍正常的加工不影响操作者的安全易于清理、存放和搬运切屑控制措施前刀面上磨制断屑槽或使用压块式断屑槽可转位刀具,3.7 切屑的卷曲与折断,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（左图）,切屑的卷曲,断屑的产生,断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，右图）,常用的卷屑断屑方法,利用合适的刀具几何角度（加大主偏角，采用较小的正前角，选用小的负刃倾角）磨出断屑台采用卷屑槽断屑,采用卷屑槽断屑,卷屑槽形状：直线圆弧形直线形全圆弧形（紫铜，不锈钢等高塑性材料）,碳素钢，合金结构钢，工具钢,影响断屑的因素,被切削材料的影响（脆性愈大，断屑愈容易）切削用量的影响（v大断屑困难，ap增大断屑困难，f增大断屑容易）刀具角度的影响（o增大断屑困难；r增大断屑容易；刀尖圆角半径越大断屑困难。）,思考题金属切削过程的三个变形区有何特点?它们之间有什么关联？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?刀具前刀面上的摩擦有何特点？影响前刀面磨擦系数的主要因素有哪些？某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些方法。,小结,塑性金属的切削过程定义，三个变形区特征切屑变形的度量（变形系数、相对滑移）积屑瘤对切削过程的影响（有利有弊）剪切角和前面摩擦角以及前角的关系各因素对切屑变形和刀屑间磨擦的影响切屑的类型、特征，影响切屑卷曲与折断的因素,