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32第四章金属切削的基本规律一.切屑的形成1.切削层变形的实质切削层变形是指切削层在刀具的作用挤压作用下,经过剧烈的变形后形成切屑而脱离工件的过程。它包括切削层沿滑移面的滑移变形和切屑在前刀面上排出时的滑移变形这两个阶段。图4-1塑性金属切削层在刀具作用力F的挤压下,沿着滑移面0M方向(与待加工表面近似成450角度)滑移后形成切屑的。在形成切屑的过程中,存在着金属的弹性变形和塑性变形。为了进一步分析变形的特殊规律,通常把切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区,见图4-2。图4-1切屑过程中的剪切线图4-2三个变形区第一变形区从OA线开始发生塑性变形,到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。从OA线到OM线区域(图中Ⅰ区)称为第一变形区。第二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,使靠近前刀面处的金属纤维化,基本上和前刀面平行。这一区域(图中Ⅱ区)称为第二变形区。第三变形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,造成表层金属纤维化与加工硬化。这一区域(图中Ⅲ区)称为第三变形区。这三个变形区各具特点,又存在着相互联系、相互影响。同时,这三个变形区都在切削33刃作用下,是应力比较集中,变化比较复杂的区域。2.切屑的形成过程在图4-3a中,切削层在作用力F的作用下,使切削刃处的金属首先产生弹性变形,接着产生塑性变形。塑性变形的表现是使切削层里的金属沿倾斜的剪切面滑移,这一剪切面不是一个平面,而是由许多曲面构成的剪切区。图中0AB是始滑移面。由于切屑形成时的速度很快,时间短,0AB与0CD面相距很近,一般约为0.02~0.2mm,所以也可以用一个剪切面(OBC)来表示。切屑的形成过程(图4-3),可以粗略地看作金属切削层逐步移至剪切面OBC,即面片地产生滑移。这个过程连续地进行,切削层便连续地通过前刀面转变面切屑。由此可见,第一变形区就是形成切屑的变形区。图4-3切削形成过程3.切屑的类型切削金属时,由于工件材料不同,切削条件不同,切削过程中变形的程度也就不同,所形成的切屑形态多种多样。归纳起来,可分为下列四种类型,如图4-4所示。图4-4切削的基本形态(1)带状切屑(图4—4a)带状切屑呈连续状,与前刀面接触的底面是光滑的,外面是毛茸的,在显微镜下可观察到剪切面的条纹。它的形成条件是切削材料经剪切滑移变形后,剪切面上的切应力未超过金属材料的破裂强度。一般在切削塑性材料,如低碳钢、铜、铝等材料形成此类切屑。其切削34过程平稳,切削力波动小,但必要时应采取断屑措施,以防对工作环境和工人安全造成危害。(2)节状切屑(图4—4b)节状切屑的外表面呈锯齿形,内表面有时有裂纹。它是由于切削层变形较大,局部剪切面上的切应力达到了材料的破裂强度。它多产生于工件塑性较低,切削厚度较大,切削速度较低和刀具前角较小的情况下。其切削过程较不稳定,切削力波动较大。3)粒状切屑(图4—4c)粒状切屑基本上是分离的梯形单元切屑,是进一步减小切削速度和前角,增加切削厚度,使整个剪切面上的切应力超过材料的破裂强度时便可得到这种切屑。4)崩碎切屑(图4—4d)崩碎切屑属于脆性材料的切屑。由于脆性材料塑性小,抗拉强度低,刀具切入后,金属未经塑性变形就被挤裂或在拉应力下脆断,形成不规则的崩碎切屑。同一加工件,切屑的类型可以随切削条件的不同而改变,在生产中,常根据具体情况采取不同的措施来得到需要的切屑,以保证切削加工的顺利进行。例如,增大前角、提高切削速度或减小切削厚度可将节状切屑转变成带状切屑。二.积屑瘤在一定范围的切削速度下切削塑性金属时,在刀具前面靠近刀刃的部位粘附着一小块很硬的金属,这块金属就是切削过程中产生的积屑瘤,或称刀瘤。1.积屑瘤的产生切削过程中,刀—屑间的摩擦,使刀具前刀面十分洁净,在一定温度和压力下,切屑底层金属与前刀面接触处发生粘结,形成了积屑瘤,如图4-5所示。随后,积屑瘤逐渐长大,直到该处的温度和压力不足以产生粘结为止。积屑瘤在形成过程中是一层层增高的,到一定高度会脱落,经历了一个生成、长大、脱落的周期性过程。图4-5积屑瘤的形成2.积屑瘤的作用和影响(1)保护刀具。积屑瘤包围着切削刃,同时覆盖着一部分前刀面,能代替切削刃和前刀面进行切削,从而减少了刀具磨损,起到保护刀具的作用。(2)增大前角。积屑瘤具有30°左右的前角,因而减少了切削变形,降低了切削力。(3)增大切削厚度。积屑瘤前端伸出于切削刃之外,使切削厚度增加了△hD值,且是变化的,因而影响了工件的尺寸精度。(4)增大已加工表面粗糙度值。积屑瘤高度的周期性变化,使切削厚度不断变化,以及由此而引起振动,积屑瘤粘附在切削刃上很不规则,导致在已加工表面上刻划出深浅和宽窄不同的沟纹,脱落的积屑瘤碎片留在已加工表面上。3.控制积屑瘤的措施35(1)降低材料的塑性。机床在切削时,金属变形大,切屑与刀具前面之间的接触而积大,并在高温高压作用下,紧密接触,形成较高的摩擦力,很容易粘接成积屑瘤。(2)选择合适的切削速度。在切削塑性高的材料时,应当采用较低的切削速度,切屑流动缓慢,切削温度较低,切屑与前面的摩擦力,尚未超过金属分子的结合力,所以,不会产生积屑瘤;机床当切削度较高时,切削温度很高,切屑底层金属变软,摩擦系数明显下降,积屑瘤也不会产生。实践证明,当切削速度15-20m/min时,切削温度约为300C0左右,平均摩擦系数最大,外摩擦力也最大,积屑瘤的高度达到最大值。(3)增大刀具前角,降低总切削力和切削热,使切削温度下降,不容易产生积屑瘤。(4)减小进给量,将切削厚度变薄,使切屑与前面之间的摩擦压力减弱,接触长度变短,摩擦系数减小,切削温度降低,也不容易产积屑瘤。(5)合理使用切削液,既能降低切削温度,又可减少切屑与前面的摩擦力,从而抑制积屑瘤的产生。此外,前刀面上的表面粗糙度较细也能减小积屑瘤。三.加工硬化1.加工硬化的形成由于刀具的切削刃口不会绝对锋利而存在钝圆半径,这就使切削层内一层薄薄的金属经过挤压变形后留在己加工表面上。此外,由于后刀面上有磨损棱面和存在己加工表面的弹性变形恢复现象,使后刀面对己加工表面进行挤压、摩擦而进一步产生变形,提高了表面硬度(是原来工件材料硬度的1.8~2倍)。这种现象称为加工硬化,也称为冷硬现象。变形程度越大,则己加工表面硬化程度越高,硬化层的深度也越深。2.加工硬化对切削加工的影响加工硬化现象对金属切削中工有着直接的影响,在下一道工序加工时,将会增加工、刀具的磨损。更严重的是使己加工表面上出现微细裂纹和表面残余应力,影响零件的表面质量。所以减小加工硬化的影响,尤其在精加工时,是不可忽略的一个方面。但是加工硬化能提高己加工表面的硬度、强度和耐磨性。在控制残余应力和避免己加工表面出现细微裂纹的条件下,可以利用加工硬化现象来改善零件的使用性能,如采用滚压加工及冷挤压等工艺。四.切削力1.切削力的来源总切削力是切削层金属的变形抗力、刀具前面与切屑之间的摩擦力以及后面与过渡表面之间的摩擦力的总和。在切屑形成过程,切屑与刀具的前刀面之间及切削表面与刀具的后刀面之间要发生摩擦,因此刀具在切削加工时必然要克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。这些作用在刀具上所有力的合力称之为刀具的一个切削部分上的总切削力,也称切削合力,如图4-6所示体现了切削力的来源。2.切削力的分解总切削力的方向、大小将随工件材料的性质、切削用量的大小及刀具的几何形状的变化而变化,因此通常将其分解成几个方向既定的分力。如图4-7所示,切削力的分解。(1)主切削力(切向力)Fc主运动方向上的切削分力,切于过渡表面并与基面垂直,消耗功率最多,它是计算刀具强度、设计机床零件、确定机床功率的主要依据。36(2)进给力(轴向力)Ff作用在进给方向上的切削分力,处于基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀具进给功率的依据。(3)背向力(径向力或吃刀力)Fp作用在吃刀方向上的切削分力,处于基面内并与工件轴线垂直的力。它是确定与工件加工精度有关的工件挠度、切削过程的振动的力。图4-6切削力的来源图4-7切削力的分解3.影响切削力的主要因素(1)工件材料。材料的强度愈高,硬度愈大,切削力愈大;在强度、硬度相近的材料中,塑性、韧性大的,或加工硬化严重的,切削力大。(2)切削用量。背吃刀量增大一倍时,切削力增大一倍,进给量增大一倍时,切削力增大70%~80%。(3)刀具几何参数。前角增大,切削力减小。主偏角适当增大,使切削厚度增加,单位切削面积上的切削力减小。在切削力不变的情况下,当主偏角增大,背向力减少,背向力小了,对防止加工细长轴类零件弯曲变形、减少振动十分有利。4)合理使用切削液,可以减小切削力。五.切削热与切削温度在切削过程中,由于切削层金属的弹性变形、塑性变形以及摩擦而产生的热,称为切削热。切削过程中的切削热和由它引起的切削温度升高,直接影响刀具的磨损和寿命,并影响工件的加工精度和已加工表面质量。1.切削热的产生和传出在切削加工中,切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全部转换为热能。所以三个变形区就是三个发热源,如图4-8所示。产生的热由切屑、刀具、工件和周围介质传导出去。影响37热传导的主要因素是工件和刀具材料的热导率、加工方式和周围介质的状况。切削区域(工件、切屑、刀具三者之间的接触区)的平均温度,称为切削温度。切削温度可用仪器测定,也可通过切屑的颜色大致判断。如切削碳素钢,切屑的颜色从银白色、黄色、紫色到蓝色,则表明切削温度从低到高。图4-8切削热的产生和传出2.影响切削温度的主要因素(1)切削用量。当vc、f、ap增大时,单位时间金属切除量增多,变形和摩擦加剧,切削中消耗的功率增大,产生的热量多。(2)刀具几何参数。前角增大,切削热减小,使切削温度降低;主偏角减小,使切削厚度减小,切削宽度增大,刀刃散热条件得到改善,故切削温度下降。(3)工件材料。当工件材料的强度、硬度、塑性增加时,切削中消耗的功率增多,产生的热量多,使切削温度升高。热导率大时则热量传出多,使切削温度降低。(4)刀具磨损的影响。刀具后刀面磨损时,使刃前区塑性变形增加,刀具与工件间的摩擦加剧,均使切削温度升高。在切削中使用切削液,可降低切削温度。六.己加工表面粗糙度1.已加工表面粗糙度的产生已加工表面粗糙度是指零件表面上具有较小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征。它主要是由机械加工形成的(表面粗糙度、表面波纹度、表面缺陷、表面几何形状),直接影响机械零件的配合性质,表面的耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、密封性、导热性及使用寿命。因此,表面粗糙度是评定机器和机械零件量的重要指标之一,是机械零件的生产、加工和验收过程中一项必不可少的质量标准。2.表面粗糙度的成因及其改善措施表面粗糙度对零件的摩擦系数、密封性、耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、接触刚度、配合性质以及导热、导电性能等均有影响,所以合理控制零件的表面粗糙度,对提高产品性能具有至关紧要的作用。(1)切削加工时表面粗糙度的形成原因物理因素即非正常原因造成的表面粗糙度。多数情况下是在已加工表面的残留面积上叠加着一些不规则的金属生成物、粘附物或刻痕。形成它们的原因有:381)积屑瘤积屑瘤的产生,是由于在切削过程中切屑的塑性流动及刀具与切屑的外摩擦超过了内摩擦,在刀具和切屑间很大的压力作用下造成切削底层与刀具前面发生冷焊。积屑瘤对表面粗糙度的影响有两方面:①它能刻划出纵向的沟纹来;②它还会在破碎脱落时沾附在已加工表面上。2)鳞刺鳞刺是指已加工表面上鳞片状的毛刺。鳞刺的成因是在切削过程中,切屑与前刀面产生严重摩擦条件下出现的粘结现象,在堆积的粘结层挤压下,加剧了金属层的塑性变形,致使刀刃前方的加工表面上产生导裂,当切削力超过粘结力时,切屑流出并被切离,而导裂层残留在巳加工表面上形成鳞刺。鳞刺对已加工表面质量有严重的影响,它往往使表面粗糙度等级降低2~4级。3)振动切削过程中如果有振动,加工表面会出现振纹,表面粗糙度就会显著变大。振动是由于径向切削力Fr太大,或工件系统的的刚度小而引起的。切削过程中产生振动使加工表面产生振纹。振纹呈纵向分布,横向分布或斜向分布。振动波形
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