第二章机械制造技术金属切削过程及其基本规律

本章提要:金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程的优劣,直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。本章主要内容：1、分析了金属切削过程中产生切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损的原因及对切削过程的影响;2、介绍金属切削过程中的基本规律，即切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与刀具耐用度变化四大规律;3、介绍了四个方面的基本规律在生产上应用的各种问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切液，合理选择刀具几何参数与切削用量等。内容提要金属切削过程: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。在这一过程中产生了一系列的现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。本章主要研究诸现象的成因、作用和变化规律。掌握这些规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，保证切削加工质量，减少能量消耗，提高生产率和促进生产技术发展等方面起着重要的作用。金属切削过程2.1切削过程的基本规律2.1.1切削变形金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：如下图（a）所示,塑性金属受压缩时,随着外力的增加,金属先后产生弹性变形、塑性变形,并使金属晶格产生滑移,而后断裂；如下图（b）所示,以直角自由切削为例,如果忽略了摩擦、温度和应变速度的影响,金属切削过程如同压缩过程,切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。切削变形切削过程中产生的诸现象均与金属层变形密切相关。为了进一步分析研究切削层变形的特殊规律,通常把切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区：第Ⅰ变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；金属的剪切滑移变形；第Ⅱ变形区与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；金属的挤压摩擦变形；第Ⅲ变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区；金属的挤压摩擦变形。三个变形区各具有特点，又存在着相互联系、相互影响。切削变形2.1.1.1切屑的形成及变形特点(1)第一变形区金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑。下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。切削变形取金属内部质点P来分析滑移过程：P点移到1位置时,产生了塑性变形。即在该处剪应力达到材料的屈服极限,在1处继续移动到1′处的过程中,P点沿最大剪应力方向的剪切面上滑移至2处,之后同理继续滑移至3、4处,离开4处后,就沿着前刀面方向流出而成为切屑上一个质点。在切削层上其余各点,移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第Ⅰ变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02～0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第一变形区，AB面亦称为剪切面。切削变形如图（b）所示，对于切削层mn来说，mn线移至剪切面AB时，产生滑移后形成切屑上m′n′线，这个过程连续地进行，切削层便连续地通过前刀面转变为切屑。此图与形成切屑时的实际变形较接近，故称之为切屑形成模型。剪切角：剪切面AB与切削速度vc之间的夹角称为剪切角。作用角：作用力Fr与切削速度vc之间的夹角ω称为作用角。由此可知，第Ⅰ变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。切削变形（2）第二变形区内金属的挤压摩擦变形经过第一变形区后,形成的切屑要沿前刀面方向排出,还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形(第二变形区的变形)这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里,表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。这种作用离前刀面愈远影响愈小。切屑形成模型只考虑剪切面的滑移,实际上由于第二变形区的挤压,这些单元底面被挤压伸长,从平行四边形变成梯形，造成了切屑的弯曲。应指出,第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时,切屑排出不顺,挤压变形加剧,以致第一变形区的剪切滑移变形增大。切削变形(3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化与加工硬化。2.1.1.2切屑的类型由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也不同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类：带状切屑；挤裂切屑；单元切屑;崩碎切屑(1)带状切屑它是经过上述塑性变形过程形成的切屑,外形呈带状。切削塑性较高的金属材料,例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金时,常出现这类切屑。切屑类型(2)挤裂切屑在形成切屑的过程中,剪切面上局部位置处的剪应力τ达到材料的强度极限,使切屑上与前刀面接触的一面较光洁,其背面局部开裂成节状。切削黄铜或用低速切削钢,较易得到这类切屑。(3)单元切屑当剪切面上的剪应力超过材料的强度极限时产生了剪切破坏,使切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。(4)崩碎切屑在切削脆性金属时,例如铸铁、黄铜等材料,切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂,得到的切屑呈不规则的细粒状。切屑类型切屑的类型是由材料的应力-应变特性和塑性变形程度决定的。如加工条件相同，塑性高的材料不易断裂，易形成带状切屑；改变加工条件，使材料产生的塑性变形程度随之变化，切屑的类型便会相互转化，当塑性变形尚未达到断裂点就被切离时出现了带状切屑,变形后达到断裂就形成挤裂切屑或单元切屑。因此，在生产中常利用切屑转化条件，使之得到较为有利的屑型。国际标准化组织的切屑分类法(1、2)；加工中常见的切屑形式切屑类型2.1.1.3变形程度的量度方法(1)相对滑移ε相对滑移ε是用来量度第Ⅰ变形区滑移变形的程度。如图，设切削层中A′B′线沿剪切面滑移至A〃B〃时的距离为△у，事实上△у很小，可认为滑移是在剪切面上进行，滑移量为△s。相对滑移ε表示为：(1)用相对滑移ε的大小能比较真实地反映切削变形程度。)tan(cotyBCCBys变形程度的量度方法(2)变形系数Λh变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸变化大小。切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后,与切削层比较,它的长度缩短lch＜lc,厚度增加即hch＞hD（宽度不变),这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。变形系数Λh表示切屑收缩的程度,即:（2）式中lc、hD——切屑层长度和厚度；lch、hch——切屑长度和厚度。测量出切削层和切屑的长度和厚度,能方便地求出变形系数Λh。变形程度的量度方法1Dchchchhhll由图示可知剪切角φ变化对切屑收缩的影响，φ增大剪切面AB减短，切屑厚度hD减小，故Λh变小，它们之间的关系如下：(3)公式（1）、（3）表明，剪切角φ与前角γο是影响切削变形的两个主要因素。例如,当γο=5ο、φ=15ο-30ο范围内变化时,由计算得ε=2.2～3.9、Λh＝1.6～3.6，因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角γο和剪切角φ使ε、Λh减小，则切削变形减小。变形程度的量度方法oooDchhABABhhsincoscotsincos()通过计算可知，在γο=0ο-30ο、Λh＞1.5时，Λh与ε的值比较接近，此时用Λh值来表示变形程度既方便又较直观。在γο为负值时，此时ε值很大、Λh值变小，或者Λh＝1时都不能用Λh值来反映切削变形的规律，这是由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，Λh主要从塑性压缩方面分析；而ε值主要从剪切变形考虑。所以，ε与Λh都只能近似地表示切削变形程度。变形程度的量度方法2.1.1.4前刀面的挤压摩擦与积屑瘤（1）作用力分析为了深入了解切削变形的实质，掌握切削变形的规律，下面进一步在形成带状切屑的过程中考虑第二变形区的变形及其对剪切角的影响。如图所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的正压力Fn与摩擦力Ff图切屑上受力分析前刀面的挤压摩擦组成的合力Fr与剪切面上反作用力Fr′共线，并处于平衡。将合力Fr′分解成二组分力：在运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。分力Fz、Fy可利用测力仪测得。由于剪切力Fs的作用，使切削层在剪切面上产生剪切变形。Fs按下列公式计算：)](cos[rsFFsin)sin(cos)cos(rrFFsincosyZsFFF前刀面的挤压摩擦剪切面上产生的剪应力τ应为：上两式中:β——摩擦角；AD——切削层面积。当剪应力τ超过材料的剪切强度极限时，切削层产生剪切破坏而断裂成切屑。上式表明，减小水平分力Fz、增大切削层面积或减小剪切角φ均可减小剪应力τ。前刀面的挤压摩擦sinsincossinDDyZDsbhFFAF前刀面上摩擦力Ff与正压力Fn之比，即为前刀面与切屑接触面间摩擦系数μ：摩擦系数μ或摩擦角β亦可根据已测得的分力Fz、Fy值求得：由于前刀面与切屑间产生塑性变形，其间接接触面积远大于普通滑动摩擦条件的局部接触，因此摩擦系数μ不能运用库伦定理来计算。nfFFtanzyFF)tan(前刀面的挤压摩擦（2）剪切角φ确定剪切角是影响切削变形的一个重要因素。若能预测剪切角φ的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角φ的计算式。下面简要介绍M．E．Merchant提出的按最少能量原则来确定剪切角φ的原理。开始切削时，刀具对切削层的作用力逐渐增大，在刀具前方切削层内不同平面上的剪应力也随着增大,当切削力继续增加时,其中有一个平面上剪应力达到材料的屈服强度，出现了塑性材料。显然，该剪应力即为最大剪应力,并由实验证明，前述AB面就是最早产生剪切变形的平面（剪切面），此时所需的切削力也是形成切屑的最小切削力，剪切角φ确定由它做的功或消耗的能量也是最少的。由图可知，切削力Fz为：欲求最小切削力或耗能最少时的剪切角φ，则取，然后求解出φ为：)cos(sin)cos()cos()cos()cos(DZrzAFFF0zF2245剪切角φ确定此外，也可按最大剪应力的理论，求出剪切角φ为：通常剪切角φ计算与实验结果并不一致。就以上式为例，它是忽略了剪切面上正应力、温度、应变速度及材质不均匀等因素的影响所致。上式或其它剪切角φ计算式表明,φ与γο、β有关。增大前角γο、减小摩擦角β，使剪切角φ增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。也可看出第Ⅱ变形区产生的摩擦对第Ⅰ变形区的影响规律。4剪切角φ确定(3)切屑与前刀面间的摩擦切屑与前刀面间的摩擦与一般金属材料接触面间的摩擦不同。切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图所示有粘结区和滑动区。粘结区：近切削刃长度lfi，由于高温（可过900℃）、高压（可达3.5×109N/m2）的作用使切屑底层材料产生软化，切屑底层的金属材料粘嵌在前刀面上的高低不平凹坑中而形成粘结区。切屑与前刀面间的摩擦粘结面间相对滑动产生的摩擦称为内摩擦，内摩擦力等于剪切其中较软材料金属层所需的力。滑动区：切屑即将脱离前刀面时在lfo长度内的接触区。在该区内切屑与前刀面间只是凸出的金属点接触，因此实际的接触面积Aro远小于名义接触面积Aao，滑动区的摩擦称为外摩擦，其外摩擦力可应用库伦定律计算。切屑与前刀面接触总长度lfi根据加工条件不同而改变。例如对中碳钢实验可知，采用高的切削速度vc,减小切削厚度hD、增大前角γο或加工抗拉强度σb高的材料，均可减短接触长度lfo。切屑与前刀面间的摩擦由此可见，切屑与前刀面间的摩擦是由内摩擦和外摩擦组成,通常以内摩擦为主，内摩擦力约占总摩擦力的85%，但在切削温度低、压力小时,应考虑外摩擦的影响。经测定切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图所示。剪应力τ的分布:在粘结区,τ基本