第十七章金属切削加工基础知识

看图作答第四节切削过程中的物理现象一、金属的切削过程与三个变形区1.金属的切削过程——刀具在切削运动中，从工件表面切下多余的金属、而形成已加工表面的过程。是研究切削力、切削热、刀具磨损及加工面质量的基础。图17-12三个变形区2.金属切削过程中三个变形区的划分及其变形规律：以切削塑性金属材料的切屑形成过程为例，说明金属切削层变形。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。⑴第一变形区：OA—OM线间是切削层的塑性变形区，是切削变形的主要区域。该区的变形量最大，消耗大部分切削功率，并产生大量的切削热。图17-12三个变形区⑵第二变形区：切屑沿前刀面排出时受到推挤与摩擦，产生塑性变形区域。⑶第三变形区：刀具与已加工表面的表层金属在主切削刃及后刀面的挤压、摩擦作用下，与后刀面接触的区域。金属切削过程的实质——是被切金属连续受刀具的挤压和摩擦、产生弹性变形、塑性变形，最终使被切金属与母体分离形成切屑的过程。•二、切屑的形态——由于工件材料、切削条件的不同•1.带状切屑——底面光滑，上表面呈毛茸状的连续状切屑。用较大前角刀具高速、小切削厚度切削塑性材料时易产生。切削平稳，粗糙度小，切屑连续不断，缠绕在刀具或工件上，不安全，需断屑处理。•2.挤裂切屑——底面光滑，有时出现裂纹，上表面呈锯齿状的连续带状切屑。切削过程有轻微振动，粗糙度值较前者大。•3.单元切屑——形状呈粒状，裂纹贯穿切屑。切削过程不平稳，振动较大，粗糙度值增大，切削力波动大。是在加工塑性材料时较少见的一种切屑形态。•4.崩碎切屑——在加工铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层未经明显的塑性就崩碎。切削过程振动较大，切削力集中在刀刃处，粗糙度较大。•切屑的形状、断屑和卷屑的难易，主要受工件材料性能的影响，通过认识各类切屑形成的规律，适当改变切削条件，就可以使切屑的变形到控制，得到预期的切屑形状。图17-13切屑种类a)带状切屑b)挤裂切屑c)单元切屑d)崩碎切屑•三、积屑瘤•定义：在一定的切削速度下加工塑性材料时，在刀具的前刀面上靠近刀刃的部位，常发现粘附着一小块很硬的金属，它包围切削刃，覆盖刀具的部分前面，这块金属称为积屑瘤。•特点：既不同于工件材料，又不同于刀具材料，硬度很高，处于稳定状态时，能代替切削刃进行切削。•1.积屑瘤的形成•切削加工时，在切屑流经前刀面过程中，由于极大的变形形成的高温和极大的压力使切屑在前刀面上流动速度变慢而产生“滞流”，当滞流层冷作硬化后，形成了能抵抗切削力作用而不从刀面上脱落的刀瘤。当刀瘤长到一定的程度时，不再继续生长，便形成了一个完整的积屑瘤。•2.积屑瘤的影响•（1）对刀具强度的影响•由于积屑瘤的硬度很高（为工件硬度的2－3.5倍），附着在切削刃及前刀面上，代替切削刃起到保护刀面、减少刀具磨损的作用。•（2）对切削力的影响•增大了刀具前角，可使切削力减小。（尤其是粗加工）•（3）对已加工表面的影响•由于积屑瘤顶部的不稳定性，时生时灭，会造成切削厚度的波动，使已加工表面变得粗糙。因此，在精加工时应避免形成积屑瘤。•3.避免产生积屑瘤的措施（1）降低工件材料的塑性，提高硬度，以减少滞流层的形成。（2）采用低速或高速切削、减小进给量、增大刀具前角可减少积屑瘤的形成。（3）使用切削液以降低切削温度也有利于防止积屑瘤的产生。•影响积屑瘤形成的因素：当工件材料一定时，影响积屑瘤形成的主要因素有切削速度、进给量、刀具材料、前角及切削液等。四、切削力1.切削力的来源切削过程中的能量主要消耗在克服切削变形时产生的抗力、克服刀具前刀面和切屑之间以及刀具后刀面和工件之间的摩擦阻力。这些抗力和阻力构成了切削过程中的总切削力，用F表示。它直接影响工件质量、刀具寿命和机床动力消耗等。为了便于分析，可以把作用在刀具上的总切削力F分解成三个相互垂直的切削分力，如图17-15所示。图17-15切削合力与分力（1）主切削力Fc垂直于基面且与切削主运动速度方向一致。机床动力的主要依据。消耗功率95%以上。（2）背向力Fp在基面内，与切削进给速度方向垂直。易使工件变形，同时还会引起振动，使工件的表面粗糙度值增大。（3）进给力Ff在基面内，与进给速度方向平行。是验证进给系统零件强度和刚度的依据。由图17-15可知F2=F2c+F2p+F2f（17-6）2.影响切削力的大小的因素：（1）工件材料的影响：一般材料的强度、硬度愈高，韧性、塑性愈好，愈难切削，切削力也愈大。（2）切削用量的影响：当ap和f增加时，切削力也增大。在车削加工时，当ap加大一倍，Fc也增大一倍；而f加大一倍，Fc只增大68%～86%，因此，从切削力角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。（3）刀具几何参数的影响前角和后角对切削力的影响最大。前角愈大切屑变形小，切削力也小。后角愈大，刀具后刀面与工件加工表面间的摩擦愈小。改变主偏角的大小，可以改变轴向力与径向力的比例（特别是加工细长工件时，经常采用较大的主偏角以使径向力减小）•五、切削热与切削温度•1.切削热的来源：•⑴是正在加工和已加工表面所发生的弹性和塑性变形而产生的大量的热，是切削热的主要来源；•⑵是切屑与刀具前刀面之间的摩擦产生的热；•⑶是工件与刀具后刀面之间的摩擦产生的热。切削时所消耗的功约有98%－99%转换为切削热。•2.切削温度•切削温度过高，会使刀头软化，磨损加剧，寿命下降；工件和刀具受热膨胀，会导致工件精度超差影响加工精度，特别是在加工细长轴、薄壁套时，更应注意热变形的影响。•在生产实践中,为了有效地降低切削温度，常应用切削液，切削液能带走大量的热，对降低切削温度的效果显著，同时还能起到润滑、清洗和防锈的作用。常见的切削液有：•⑴切削油主要是各种矿物油、动植物油和加入油性、极压添加剂的混合油。其润滑性能好，但冷却性能较差，主要用来减少磨损和降低工件的表面粗糙度，一般用于低速精加工，如铣削加工和齿轮加工等。•⑵水溶液主要成分是水并加入防锈剂、表面活性剂或油性添加剂。其热导率高、流动性好，主要起冷却作用，同时还具有防锈、清洗等作用。•⑶乳化液由乳化油加水稀释而成，呈乳白色或半透明状，有良好的流动性和冷却作用，是应用最广泛的切削液。低浓度的乳化液用于粗车、磨削。高浓度乳化液用于精车、钻孔和铣削等。在乳化液中加入硫、磷等有机化合物，可提高润滑性。适用于螺纹、齿轮等精加工。•⑴•但应当注意：•（1）在加工铸铁时一般不用切削液，因为铸铁中所含的石墨成份，可以起到润滑作用。•（2）当采用硬质合金刀具加工工件时，一般不用切削液，因硬质合金的热硬性好，能耐高温，用切削液时却可能使它产生裂纹，导致刀具失效。•（3）在切削铜料时不宜用含硫的切削液，因硫酸能腐蚀铜。•六、刀具磨损和寿命•在切削过程中，一方面，刀具从工件上切下金属，另一方面，刀具本身也逐渐被工件和切屑磨损。磨损在加工中的表现为：一把新刃磨的刀具，经过一段时间的切削后，已加工表面粗糙度值增大，工件尺寸超差，切削温度升高，切削力增大，并伴有振动，此时，刀具已磨损。•1.刀具磨损的形态•（1）正常磨损分前刀面磨损（月牙洼磨损）和后刀面磨损（图17-16为车刀磨损示意图。图中KT表示前刀面被磨损的月牙洼深度，VB表示后刀面被磨损的高度。）•（2）非正常磨损指生产中突然出现崩刃、卷刃或刀片破裂的现象。图17-16刀具的磨损•2.刀具磨损的三个阶段•（1）初期磨损阶段如图17-17所示，磨损过程较快，时间短，这是由于新刃磨的刀具表面有高低微观不平，造成尖峰很快被磨损。•（2）正常磨损阶段刀具表面经过初期磨损，表面变得光洁，摩擦力减少，使磨损速度减慢，刀具的磨损量基本与时间成正比。•（3）剧烈磨损阶段刀具经正常磨损后，切削刃已变钝，切削力、切削温度急剧升高，刀具性能急剧下降，加工质量显著恶化。•图17-17刀具磨损的三个阶段3.刀具的寿命刀具寿命，就是指新刃磨的刀具，从开始切削至达到刀具磨钝标准所经过总的净切削时间，以T（min）表示。影响刀具寿命的因素很多，主要有工件材料、刀具材料及几何角度、切削用量以及是否使用切削液等，而切削用量中以切削速度对刀具的寿命T影响最大。•第五节工件材料的切削加工性•一、衡量工件材料切削加工性的指标•由于切削加工性是对材料多方面的综合评价，所以很难用一个简单的物理量来精确规定和测量。在生产和实验中，常取某一项指标来反映材料切削加工性的某一具体方面，最常用的是vT和Kr。•vT——指在一定的切削条件下，当刀具的寿命为T分钟时，切削某种材料所允许的最大的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。通常取T＝60min，则vT可写作v60。•Kr——称为相对加工性，一般以正火状态45钢的v60为基准，写作（v60），然后将其它各种材料的v60与之相比所得的比值。当Kr＞1时，表示该材料比45钢容易切削。反之，则比45钢难切削。常用工件材料的相对加工性可分为八级，见表17-2。•二、影响材料切削加工性的因素•1.影响工件材料切削性能的主要因素•（1）硬度、强度一般来讲，材料的硬度、强度愈高，则切削力愈大，消耗切削功率愈多，切削温度愈高，刀具磨损愈快，因此，其切削加工性差。•（2）塑性材料的塑性愈大，则切削变形愈大，刀具容易发生磨损。在较低的切削速度下加工塑性材料还容易出现积屑瘤使加工表面粗糙度值增大，且断屑困难，故切削加工性不好。但材料塑性太差时，得到崩碎切屑，切削力和切削热集中在切削刃附近，刀具易产生崩刃，加工性也较差。•（3）另外，材料的热导率、化学成分、金相组织等都对材料的切削加工性有一定的影响。•2.改善材料切削加工性的主要措施•（1）调整材料的化学成分在钢中加入S、P、Pb、Ca等元素能起到一定的润滑作用并增加材料的热脆性，从而改善其切削加工性。•（2）对工件材料进行适当的热处理利用热处理可改善低碳钢和高碳钢的切削加工性。例如，对低碳钢和进行正火处理，或降低塑性，提高硬度，使其切削加工性得到改善。对高碳钢和工具钢进行球化退火，使网状、片状的渗碳体组织球状渗碳体，降低了材料的硬度，使切削加工较易进行。对于出现白口组织的铸件，可在950～1000℃下进行长时间退火，降低硬度，达到改善切削加工性的目的。