第28讲机械加工中物理现象

28th机械加工物理现象28th机械加工物理现象切削过程现象切削变形三个变形区切屑的形成与种类积削瘤的产生与影响切削变形的影响因素切削力切削力的产生与分解切削力的影响因素切削温度切削温度的产生与传出切削温度的影响因素刀具磨损与使用寿命刀具磨损的形式与过程刀具耐用度与使用寿命切削液切削液的种类、作用及选择刀具角度刀具各角度的作用与选择1、切削变形以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为：三个变形区第一变形区第二变形区第三变形区1）切削变形中的三个变形区28th机械加工物理现象金属的切削过程实际上是一种挤压变形的过程。第一变形区OA—始滑移线OM—终滑移线OA以左—弹性变形OAOM之间—塑性变形剪切滑移OM以右—形成切屑一般速度范围内一区宽度为0.02～0.2mm，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面（剪切滑移区）28th机械加工物理现象第一变形区是产生剪切滑移和大量塑性变形的区域，故切削过程中的切削力、切削热主要来自于这个区域。第二变形区第三变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，将进一步产生塑性变形，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。该区域的状况对积屑瘤的形成和刀具前刀面的磨损有直接影响。（挤压摩擦区）已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。该区域的状况对工件表面的变形强化、残余应力以及刀具后刀面的磨损有很大影响。（挤压摩擦回弹区）28th机械加工物理现象2）切屑的形成与类型切屑类型切屑形态照片带状切屑粒状切屑崩碎切屑切屑的形成28th机械加工物理现象金属在刀具前刀面的挤压下，发生塑性剪切滑移变形，当剪应力超过工件材料屈服极限，金属层将被切离工件，形成切屑。形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑表2-1切屑类型及形成条件28th机械加工物理现象3）积屑瘤的产生及影响在中等切削速度切削塑性金属形成带状切屑的情况下，由于切削底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，滞流层金属粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬块，称为积屑瘤。积屑瘤对切削过程的影响：1.代替刀具切削，保护刀具；2.增大前角，减小变形和力；3.产生沟痕，影响表面质量；4.影响加工过程稳定性。滞留—粘接—长大—破裂28th机械加工物理现象粗加工时利用积屑瘤保护刀尖；精加工时避免产生积屑瘤以保证加工质量。抑制或消除积屑瘤的措施：采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc＜3m/min和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；适当提高工件材料的硬度；采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；适当减少进给量、增大刀具前角；28th机械加工物理现象4）影响切削变形的因素（1）工件材料的影响工件材料的强度、硬度越大，塑性越小，则变形系数越小（2）切削用量的影响进给量f↑→切屑的平均变形↓→变形系数↓速度v对切削变形的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况积削瘤生长阶段v↑→实际前角↑→变形系数↓积削瘤消失阶段v↑→实际前角↓→变形系数↑在无积屑瘤阶段，v↑→变形系数↓（3）刀具几何参数前角↑→则变形系数ξ↓；刀尖圆弧半径↑→变形系数ξ↑。切削变形系数ξ—描述切削变形程度的重要参数。28th机械加工物理现象切削过程现象切削变形三个变形区切屑的形成与种类积削瘤的产生与影响切削变形的影响因素切削力切削力的产生与分解切削力的影响因素切削温度切削温度的产生与传出切削温度的影响因素刀具磨损与使用寿命刀具磨损的形式与过程刀具耐用度与使用寿命切削液切削液的种类、作用及选择刀具角度刀具各角度的作用与选择2、切削力的产生及其影响因素切削力—切削加工时，工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力。切削力的来源：被切削材料的弹性、塑性变形抗力刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力将切削合力F分解为三个互相垂直的分力Fc、Ff、FpFc—主切削力，总切削力在主运动方向上的投影，与切削速度方向一致，消耗机床功率的95%以上；Ff—进给力，总切削力在进给方向上的投影，车外圆时称为轴向力，一般消耗机床功率的1%~5%；Fp—背向力(切深抗力)，与进给方向垂直，又称径向力。背向力不做功，但其会使工件产生弹性弯曲，引起振动，影响加工精度和表面粗糙度。κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv图2-32切削力的分解加载对切削力的影响F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力28th机械加工物理现象2p2f2cFFFF影响切削力的因素（1）工件材料工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，则屈服强度越高，切削力越大。（2）切削用量进给量与背吃刀量↑→主切削力Fc↑，但影响程度不同。ap↑→切削刃上的切削负荷↑→切削力成正比增加f↑→切削力有所增加但与f不成正比速度v对F的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况在积屑瘤的生长阶段v↑→变形系数↓→Fc↓在积屑瘤的消失阶段v↑→变形系数↑→Fc↑在无积屑瘤阶段，v↑→变形程度↓→Fc↓加工脆性材料，v的的变化对主切削力Fc无明显影响（3）刀具几何参数的影响1.前角γ0的影响加工塑性材料时，γ0↑→变形程度↓→F↓加工脆性材料时，切削变形很小，γ0对F影响不显著γ0＞30°或高速切削时，γ0对F影响不显著2.主偏角κr的影响（1）κr对主切削力Fc影响较小，影响程度不超过10%，Fc随着κr的增大而减少，κr在60°～75°之间时，Fc最小。（2）κr对背向力Fp、进给力Ff影响较大Fp＝FDcosκrFf＝FDsinκrFp随κr增大而减小，Ff随κr增大而增大3.刃倾角λs的影响（1）λs对Fc影响很小（2）λs对Fp、Ff影响较大背向力Fp随λs增大而减小，进给力Ff随λs增大而增大。4.刀尖圆弧半径rε的影响（1）rε对主切削力Fc影响很小（2）背向力Fp随rε增大而增大进给力Ff随rε增大而减小rε增大相当于主偏角κr减小的影响28th机械加工物理现象28th机械加工物理现象切削过程现象切削变形三个变形区切屑的形成与种类积削瘤的产生与影响切削变形的影响因素切削力切削力的产生与分解切削力的影响因素切削温度切削温度的产生与传出切削温度的影响因素刀具磨损与使用寿命刀具磨损的形式与过程刀具耐用度与使用寿命切削液切削液的种类、作用及选择刀具角度刀具各角度的作用与选择3、切削热和切削温度1、切削热来源切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去。工件切屑刀具图2-36切削热的来源与传出2、切削热传出切削热产生于三个变形区，因变形和摩擦所做的功绝大部分（约98%）都转化成为热能。28th机械加工物理现象切削热传入工件—工件产生热变形，影响加工精度；切削热传入刀具—加剧刀具磨损，影响加工尺寸；3、影响切削温度的主要因素28th机械加工物理现象（1）工件材料强度硬度、塑性和韧性越大，变形系数越大，切削力越大，消耗的功率越多，则切削温度升高。导热系数小，散热慢，切削温度升高。（2）切削用量总的来说，切削用量↑时切削温度↑其中v对θ影响最大，进给量f的影响比v小，背吃刀量ap的影响很小。（3）刀具几何参数的影响1.前角γ0的影响γ0↑→变形程度↓→F↓→切削温度↓但γ0＞20°时，因切削部分的散热面积↓温度反而上升。2.主偏角κr的影响κr↑，切削宽度aw↓，散热面积↓→切削温度↑28th机械加工物理现象（4）刀具磨损的影响后刀面磨损增大，后角减小，主后面与工件的摩擦加剧，切削温度升高;切削速度v越高，刀具磨损对切削温度影响越显著。（5）切削液的影响浇切削液对↓切削温度↓刀具磨损↑加工质量有明显效果。热导率，比热容，流量越大，本身温度越低冷却效果越显著28th机械加工物理现象28th机械加工物理现象切削过程现象切削变形三个变形区切屑的形成与种类积削瘤的产生与影响切削变形的影响因素切削力切削力的产生与分解切削力的影响因素切削温度切削温度的产生与传出切削温度的影响因素刀具磨损与使用寿命刀具磨损的形式与过程刀具耐用度与使用寿命切削液切削液的种类、作用及选择刀具角度刀具各角度的作用与选择4、刀具磨损与使用寿命刀具失效形式：磨损（正常工作时逐渐产生的损耗）破损（突发的破坏，随机的）1、刀具的磨损形式（1）前刀面磨损用较高的切削速度v和较大的切削厚度ac切削塑性材料时，在前刀面上形成月牙洼磨损，以最大深度KT表示。28th机械加工物理现象（3）边界磨损切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。28th机械加工物理现象（2）后刀面磨损切铸铁或v和ac较小切塑性材料时，主要发生这种磨损，以平均磨损高度VB表示。2、刀具磨损的原因（1）磨料磨损—相互摩擦引起表面材料损失，是最常见的，同时也是危害最为严重的磨损形式。低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。（2）粘结磨损—工件或切削表面与刀具表面的粘结点，由于切削运动将刀面上的微粒带走，从而造成刀具磨损。中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀具材料硬度比较小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。（3）扩散磨损—在高温或高压下，刀具与切削表面相互紧密贴合，并发生相互吸引和粘着，加快刀具的磨损。切削温度越高扩散越快；高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。（4）化学磨损—在一定温度下，刀具中的某些元素与氧气或切削液中的某些元素发生化学反应，所形成的化合物被切削和工件带走，加速刀具磨损。主要发生在较高速切削条件下。（5）热电磨损—工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。3、刀具磨损过程及磨钝标准（1）刀具磨损过程A.初期磨损阶段切削刃较锋利，后刀面与加工表面接触面积小，磨损很快。B.正常磨损阶段刀具的粗糙表面已经磨平，承压面积增大，磨损速度明显降低，磨损缓慢而均匀，这是刀具工作的有效阶段。C.急剧磨损阶段—不期望到达的阶段，应提前换刀切削刃变钝，切削力、温度急升，刀具磨损加剧。（2）刀具磨损标准刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。A.小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝；B.ISO标准规定以1/2ap处的VB值作为刀具的磨钝标准；在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。粗车碳素钢0.6～0.8粗车铸铁0.8～1.2粗车合金钢0.4～0.5精车碳钢0.1～0.3C.自动化精加工刀具，以径向磨损量作为磨钝标准28th机械加工物理现象4、刀具使用寿命及其与切削用量的关系（1）刀具使用寿命T刀具使用寿命：刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间。刀具总使用寿命：刀具从开始使用到报废为止的总切削时间。刀具总使用寿命＝刀具使用寿命×刃磨次数（2）刀具使用寿命与切削速度的关系工件、刀具材料和刀具几何形状确定后，v对T影响最大。通过实验得经验公式：vTm=C0系数C0，与刀具、工件材料和切削条件有关。指数m表示v对T的影响程度，m越小，则v对T的影响越大。28th机械加工物理现象（3）刀具使用寿命与切削用量的关系经过实验得类似关系式：fTn=C1apTp=C2综合可得到切削用量与刀具使用寿命的关系式：T=CTv1/mf1/nap1/p切削用量↑，T↓，其中速度v对T影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小，与对切削温度影响一致。28th机械加工物理现象28th机