第5讲机械加工

2.4金属的切削过程研究金属切削过程的意义：通过研究揭示金属切削过程的变化规律，用于指导生产。它是研究切削力、切削热、刀具磨损及加工表面质量的基础。金属切削变形过程的研究，它对于切削加工技术的发展和进步，保证加工质量，降低生产成本，提高生产率，都有着十分重要的意义。因为金属切削加工中各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及已加工表面质量等，都是以切屑形成过程为基础的，而生产实践中出现的许多问题，如鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑与断屑等，都同切削变形过程有关。在现代技术装备中，难加工材料的应用愈来愈多，对零件的质量要求亦不断提高，同时，切削加工自动化以及电子计算机在机械制造中的应用日益广泛，这些都要求我们更加深入地掌握金属切削变形过程的规律，以创造出更加先进的切削方法和高质量的刀具，适应生产发展的需要。金属切削变形过程的研究，历来在国外都十分重视，花了许多人力物力，也取得了巨大的经济效益。从六十年代末就开始利用透射电镜观察切屑形态，到七十年代开始利用扫描电镜对切屑形成进行直接的动态观察，再加上高速摄影机和其他先进的测试技术及相关学科基础理论的发展和应用，加快了金属切削变形过程研究工作的发展。综合国内外关于金属切削基础理论、基础技术的科研工作，可以看出，正在从单因素试验进入多因素综合试验，从静态观测进入动态观测，从宏观研究进入微观研究。随着这些科学研究工作的进展，提供了某些主要物理参数的数学模型和数据，为利用电子计算机辅助设计加工工艺、刀具和机床，为切削加工的自动化和适应控制开辟了道路，促使本学科和金属切削加工技术较快地向前发展。回顾金属切削理论研究一百多年的历史，根据研究重点的不同，可以分为以下三个时期：第一研究阶段可称为力学或切屑形成机理时期，大致为1850～1900年五十多年的时间。这一阶段的初期，金属切削理论主要研究方向是研究切削过程中的切削力和消耗的切削能量。1851年，H.Cocquihat研究了在铸铁，黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体积材料所需要的功。1864年，Joesse探讨了刀具几何角度对切削力的影响。在这一时期的后半段，主要的研究方向是塑性剪切和切屑形成机理。Timme在1870年提出切屑是经过剪切面的剪切变形而形成的。Tresca于1864～1872年间在一系列金属挤压实验基础上提出了最大剪应力屈服准则，可以认为是塑性本构关系实验与理论研究的开始。到1873年和1878年Tresca又提出切屑的形成是工件材料受刀具挤压，从而在垂直切削方向的平面发生剪切变形的过程。这一时期也开始了切削模型的研究，在1881年，Mallock提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin则在1893年建立了剪切角关系式，他假设剪切面是剪应力最大面。第二研究阶段可称为切削可加工性时期，大致从1900～1930年共约30年时间。在这一时期随着社会生产力的发展，金属切削加工技术也有了长足的进步，新的刀具材料和加工工艺不断出现。例如，1898年Taylor和White发明高速钢。1930年前后人们又发明了硬质合金。新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速钢的应用为例，Trent在他的名著《MetalCutting》中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构，据估计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而增加了八十亿美元的产值。”与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。这一时期金属切削理论主要的成果有，1907年Taylor在整整工作了26年切除了3万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基础上，在他经典的论文“OntheArtofCuttingMetal”中提出了著名的刀具耐用度公式，第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍有重要的指导意义。有些学者认为金属切削理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。切削可加工性(Machinability)这一概念是二十世纪20年代中期首先由Herbert，Rosenhain和Sturney提出，在这一时期切削加工性主要是指切削速度与刀具耐用度之间的关系，而对切削表面质量，切屑去除和尺寸精度等的研究还不深入。切削加工性被看作是与材料的硬度，韧性等有关的材料的一个重要特性。在这一时期还开始关注刀—屑温度的重要性，并进行了初步的研究。第三研究阶段从二十世纪30年代至今，可以称之为理论推广应用时期，传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰。在这一时期总结了上两个时期的研究成果，将切屑成形机理与切削可加工性的关系的研究发展到了一个新的高度。而在实验手段和理论应用于生产方面也达到了前所未有的水平，这一时期比较重要的工作有：Bisacres和Chao在40年代中期首先研究了切削过程中的切削温度分布，提出了温度参数的概念(其中为切削速度，为切削厚度，为热导率)。在正交切削模型的研究方面都做了重要的开创性工作。日本的工藤英明，臼井英治利用视塑性方法构造滑移线场，从而建立切削方程式的新方法也值得加以重视。这一时期研究重点是切削过程中出现的各种现象及其发生机理的研究，例如剪切角关系、切削温度分布和刀具磨损、切屑卷曲机理以及积屑瘤形成机理等等。八十年代以后随着计算机技术，自动控制技术在金属切削生产中的广泛应用，金属切削加工的研究重点逐步转向切削加工与计算机技术和自动控制技术相结合方面。对金属切削过程本身现象发生机理的研究相对较少。作者认为要更好地应用计算机技术、自动控制技术于金属切削加工的生产实际中，还是应该重视金属切削基础理论的研究。而且随着生产力的进一步发展，新材料、新工艺的不断涌现以及计算机技术和自动控制技术的在金属切削加工中更为广泛深入的应用，必将为金属切削基础理论的研究开拓新的方向，提出新的要求。金属切削理论今后的发展方向主要有以下两个方面：1、紧密联系生产实际，研究解决不断涌现的新材料的切削加工机理和加工方法以及切削加工向精密化、自动化和智能化发展过程中所碰到的各种问题。在实验和理论分析计算等方面应用计算机作为一种强有力的工具，以求得到更为精确的理论结果，开拓新的研究领域。2、金属切削过程是一个复杂的动态过程，它具有比常规力学试验大得多的变形和高得多的应变率。金属切削过程中既有弹性变形，又有塑性变形，还有很高的切削温度和复杂的摩擦条件，所以金属切削过程的力学实质到目前为止还有许多未能彻底搞清楚的地方，对金属切削力学机理的研究必将有助于力学的发展和进步，这已经被前人的实践所证明，也必将被未来的实践所证实。•研究金属切削过程的方法：⑴侧方格变形观察法；⑵高频摄影法；⑶快速落刀法；⑷在线瞬态体视摄影系统⑸扫描电镜显微观察法；(6)光弹性，光塑性试验法等。1.侧面变形观察法最简便的方法是用显微镜直接观察在低速直角自由切削时工件侧面切削层的金属变形状况,可以在刨床或铣床上进行。如果在金相显徽镜上加上摄象机和监视器(电视)，则可随切削过程的进行在电视屏幕上映出连续的动态变形过程。为了对金属切削层各点的变形观察的更准确，可以将工件侧面抛光，划出细小方格，察看切削过程中这些方格如何被扭曲，从而获知刀具前方变形区的范围以及金属颗粒如何流向切屑。根据变形图像和塑性力学可以计算出各点的应力状态，这就是图像-塑性法。2．高速摄影法要观察高速切削情况下金属的变形过程，目视就较困难，可用高速摄影机拍摄。常用的高速摄影机每秒可拍几百幅到万幅以上。拍摄时要用显微镜头或具有放大作用的长焦距镜头，并且要有强的光源。3．快速落刀法为了探索在不同切削条件下的切削变形特征，可用“快速落刀法”取得在该切削条件下的变形区和切屑根部标本。所谓“快速落刀法”就是使刀具以尽可能快的速度脱离工件，把切削过程冻结起来，把留下的切屑根部做成金相标本，以供观察。图3-2是一种弹簧式车削快速落刀装置。刀头可绕小轴转动，在切削时它被半月形销轴所固定。要刀头脱离工件时，可扳动大齿轮，通过小齿轮转动半月形销轴。当销轴脱开刀头末端时，刀头即被弹簧快速掣回。这种装置在100m／min的切削速度下可获得满意的结果。4.在线瞬态体视摄影系统图3—3a是用在线瞬志体视摄影系统所摄得的实时流线照片，它只要在工件侧面刻若干细线，用体视显徽镜、照相机和闪光源等即可组成(图3—4)。从流线图即可求得剪切角和变形区厚度S，如图3—3b所示。这个摄影系统的关键在于要选择有足够光强度的闪光源和足够短的闪光时间，以保证高速切削时图像清晰。图3-3流线图和剪切角与变形区厚度求法a）流线图b）剪切角与变形区厚度求法5．扫描电镜显微观察法扫描电子显微镜是一种电子光学显微镜，其放大倍率可以调节到20万倍，分辨率可以高达5nm，能观察极微小的表面和裂纹，常用以观察分析试件表面形貌，还可以分析试件表面的化学成分。它可用于观察切屑的断口型式，属于剪切破坏或拉伸破裂，刀具的磨损机理以及切屑的变形过程。6．光弹性、光塑性试验法在实验观察金属切削过程的基础上，为了分析金属变形区的应力情况，对切削刃前方的金属可进行弹性力学和塑性力学的研究和实验。图中的黑白条纹表示在切削力作用下工件材料内的等切应力曲线，在切削刃前方的正应力是压应力，在它的后方则为拉应力。塑性金属在切削过程中，刃前区实际上产生塑性变形，并且是很大的塑性变形，所以研究它的应力情况应该作光塑性试验。2.4.1切削过程在金属切削过程中，刀具与工件相互作用的结果是使切削层金属与工件母体金属分离开来。切削层金属在刀具刃口、前刀面的推挤、摩擦作用下发生剪切滑移变形和摩擦变形而形成切屑。切削变形、切削力、切削热与切削温度及刀具磨损与刀具寿命等－－切削过程的基本规律第二节金属切削层的变形以切削塑性金属材料时切屑形成过程为例，说明金属切削层的变形。在刀具切削刃附近的切削层，传统上将其分为三个变形区域。•金属切削过程的本质就是：被切削金属层在刀具的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形的过程。切屑的形成过程在切削塑形金属时，切屑的形成过程可比作推挤一叠卡片的变化过程。形成切屑底部膨胀剪切滑移金属切削过程是：切削层在刀具前刀面的挤压下，产生以剪切滑移为主的塑性变形，形成切屑和已加工表面的过程。一、切削变形区第一变形区：（基本变形区）OA~OM之间的区域，是切削过程中的主要变形区，是切削力和切削热的主要来源。主要特征：剪切面的滑移变形第二变形区：切屑底层与前刀面之间的摩擦变形区。主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。第三变形区第二变形区第一变形区第三变形区：工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。造成工件表面的纤维化与加工硬化。该区域对工件表面的残余应力以及后刀面的磨损有很大的影响。第一变形区内金属的剪切变形切削过程中，切削层金属几乎都要在第一变形区里受到塑性变形，而形成切屑。故第一变形区是最重要的变形区。第一变形区的变形特征：金属切削层沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化。塑变流动从金属晶体结构而言，第一变形区沿滑移线的剪切变形就是沿晶格晶面的滑移。在第二变形区内，切屑底层金属受摩擦挤压后的塑性变形及晶粒纤维化。晶粒纤维化方向第三章切削过程及控制第一节切削过程及切屑类型滑移与晶粒的伸长金属切削过程示意图三、第二变形区产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区。在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，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。发生粘结现象后，切屑与前刀面之间的摩擦就不是一般的外摩擦，而变成粘结层与其上层金属的内摩擦。这种内摩擦与外摩擦不同，它与材料的流动应力特性和粘结面积有关，粘结面积越大，内摩擦力也越