机械制造工程学第二章课件综述

《机械制造工程学第二章课件综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造工程学第二章课件综述（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 切屑形成过程及加工表面质量 金属切削过程，就是使毛坯上多余金属变成切屑，同时形成 工件的加工表面的过程。 1研究金属切削变形过程的意义 对于保证加工质量、降低生产成本、提高生产效率，都有着十分 重要的意义。 金属切削加工中的各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨 损以及已加工表面质量等，都以切屑形成过程为基础，而实 际生产中出现的鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑与断屑等，都与 切削变形过程有关。 2研究金属切削变形过程的实验方法 (1)侧面方格变形观察法 为了直观看清金属切削层各点的变形，在工件侧面作出 细小的方格，察看切削过程中这些方格如何被扭曲，借以判 断和认识切削层的塑性变形、切削层变为

2、切屑的实际情形。 方格的复印方法是先将工件侧面抛光，镀上一层薄铜，然后 用照相法将铜腐蚀掉。 (2)高频摄影法 利用带有显微镜头的高频摄影机，拍摄切削试件的侧面， 可以得到一个完整的从切削变形开始至形成切屑的真实过程 。常用的高频摄影机每秒可拍摄几百幅到一万幅以上。高频 摄影机为研究高速切削时切削变形过程提供了可能性。 (3)快速落刀法 利用一种叫作“快速落刀”装置的特殊刀架，在切削过程 的某一瞬间使刀具以极快的速度突然脱离工件，把在某一切 削条件下切削层的变形情况“冻结”下来。落刀后从工件上锯 下切屑根部，制成金相标本，用显微镜观察。 快速落刀装置主要有手锤敲击式和爆炸型两种。 (4)扫描电

3、镜和透视电镜显微观察法 借助于扫描电镜，可以观察到金属晶粒内部的微观滑移 情况，使我们能够用金属物理的观点来理解金属切削变形过 程及其现象。 (5)光弹性和光塑性试验法 在实验观察金属切削变形过程的基础上，为了分析金属 变形区的应力状况，应对切削刃前方的金属进行弹性力学和 塑性力学的研究和实验。 3金属切削变形过程的基本特征 金属材料受压其内部产生应力应变，大约与受力方向成45的斜 平面内，剪应力随载荷增大而逐渐增大，并且有剪应变产生。开始 是弹性变形，此时若去掉载荷，则材料将恢复原状；若载荷增大到 一定程度，剪切变形进入塑性流动阶段，金属材料内部沿着剪切面 发生相对滑移，于是金属材料被压扁(

4、对于塑性材料)或剪断(对于脆 性材料)。 应用上述理论来分析切削时金属层受前刀面挤压的情况，二者 有相似之处，只是受压金属层只能沿剪切面向上滑移。如果是脆性 材料(如铸铁)，则沿此剪切面被剪断。如果刀具不断向前移动，则 此种滑移将持续下去，于是被切金属层就转变为切屑。 金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推 挤下，沿着剪切面(滑移面)产生剪切变形并转变为切屑的过程 。可以说，金属切削过程就是金属内部不断滑移变形的过程 。 21 切屑形成的过程 切屑层金属在刀具作用下，经过三个变形区的变形而成为切屑。 211 第一变形区中切屑的变形及其特征 1变形过程 始滑移面OA 终滑移面OM 2第

5、一变形区的变形特征 (1)沿滑移面的剪切变形，其变形会深入到切削层以下； (2)经剪切滑移变成切屑后该切屑产生加工硬化现象，即切屑的硬度大大 增加； (3)金属组织产生纤维化，即晶体结构在剪切力作用下伸长。 (4)切屑厚度ach变厚，大于切削层厚度ac 。其剪切滑移变形越大， ach随 之增加； (5)切屑背面呈锯齿形。 3 切屑变形程度的表示方法 （1）变形系数 是一种常用的度量切屑变形程度的方法。其中又有两种 表示方法： (a)切屑厚度变形系数a； (b)切屑长度变形系数L，其定义用 以下公式表示： 式中Lc为切削长度， Lch为切屑长度。 (2)剪切角的大小也能反应切屑变形程度。根据实验

6、证明，剪切角的 大小与切削力的大小有直接联系。 对同一种材料，用同样刀具，相同大小的切削层，当切削速度高 时，角大，剪切面积变小，切削比较省力，说明切屑变形较小。相反 ，当角小时，切削力较大，说明切屑变形较大。 (3)相对滑移。当平行四边形OHNM发生剪切变形后，其相对滑移为： 212 第二变形区的变形及其特征 1变形过程及特征 塑性金属切削层 经第一变形区后沿着 刀面排除时，受前刀 面的挤压和摩擦而进 一步加剧变形，在靠 近前刀面处形成第二 变形区。 第二变形区的特征是： (1) 使切屑底层靠近前刀面处流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上，使 切屑产生内摩擦； (2) 由摩擦而产生的热使切屑与刀

7、具接触面温度进一步升高，达几百度 甚至上千度； (3) 切屑底层因摩擦变形而纤维化，底层长度伸长，切屑发生向上弯曲 ，与前刀面的接触面积减小； (4) 切屑底层进一步产生加工硬化，硬度大于切屑的上层硬度。底面因 摩擦呈光滑面。 2作用在切屑上的力 由于作用在切屑上的力，对前刀面摩擦和切屑变形影响很大，因此必 须首先对它进行分析。 在直角自由切削时，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩 擦力Ff，在剪切面上也有正压力Fns，和剪切力Fs。这两对力的合力应该 互相平衡。 公式说明了摩擦角 对切削 力Fz和Fy的影响。反过来，如果 用测力仪测得Fz和Fy的值而暂时 忽略后刀面上的作用力，则可

8、从 下式求得 角： tg 等于前刀面上的平均摩擦 系数。这就是通常测定前刀面摩 擦系数的方法。 3剪切角与前刀面摩擦系数的关系 从图中分析，Fr前刀面上的合力是在主应力方向。Fs剪切力是在剪切 面上，即最大应力方向。这两者的夹角，根据材料力学应等于/4。因此 Fr和Fs的夹角(+ 0)为： (+ 0)= /4 或 =/4 ( 0)= /4 这是李和谢弗(Lee and shaffer)根据直线滑移线场理论推导的近似剪 切角公式，式中(0)表示Fr合力与切削速度方向的夹角，称作用角， 用表示。 根据公式可知： 1)前角0 增大时， 角随之增大，变形减小。 2)摩擦角 增大时， 角随之减小，变形增

9、大。 4前刀面上的摩擦 在塑性金属切削过程中，由于切屑与前刀面之间的压力很大，再加 上几百度的高温，可以使切屑底部与前刀面发生粘性现象。 在粘结情况下，切屑与前刀面之间就不是一般的外摩擦， 而是切屑底层金属和刀具上的粘结层与其上层金属之间的内 摩擦。 这实际就是金属内部的滑移剪切，它与材料的流动应力特性以及粘结 面积大小有关，所以其规律与外摩擦不同。外摩擦力的大小与摩擦系数及 压力有关，而与接触面积无关。 图表示刀屑接触面有粘结现象时的摩擦情况。 刀屑接触面分二个区域： (1)在粘结部分为内摩擦区，这部分的 单位切向力等于材料的剪切屈服强度s； (2)在粘结部分之外的外摩擦，即滑动摩擦，该处的

10、单位切向力y由s逐 渐减小到零。 影响前刀面摩擦系数的主要因 素有四个： (1)工件材料。工件材料的强度 和硬度愈大，摩擦系数略有降低 。因为材料的强度、硬度大，当 切削速度不变时，切削温度增高 ，故摩擦系数 下降。 (2)切削厚度增大时，正压力随 之增大，故也略为下降。可从图 中实验曲线说明此规律。 曲线上号ac=0.05mm,+号ac=0.1mm, 号ac=0.2mm,号ac=0.4mm (3)切削速度的影响从图 实验曲线看出，当切削速度 在某一速度以下时(约 30mm/min），切削速度高 ，摩擦系数大。因为切削速 度低时，切削温度较低，前 刀面与切屑底层不易粘结， 粘结情况随速度或温度

11、增高 而发展使摩擦系数上升。但 当切削速度超过上述值后， 温度进一步升高，使材料塑 性增加，流动应力减小，故 摩擦系数下降。 (4)刀具前角愈大 ，则 值愈大(在一 般切削速度范围内) 。因为增大前角使 正应力减小，材料 剪切屈服强度与正 应力之比增加。 5积屑瘤的形成及影响 切削塑性金属时，常在刀刃 附近前刀面上产生紧密粘结的 硬块，硬度一般为被切材料的 2、3倍，在处于比较稳定的状 态时，能够代替刀刃进行切削 。这块冷焊在前刀面上的金属 称为积屑瘤或刀瘤。 （1）积屑瘤产生的原因 切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。当两者的接触达到 一定温度，同时压力又较高时，会产生粘结现象，亦称

12、“冷焊”。这时切屑 从粘在刀面上的底层上流过，形成“内摩擦”。如果温度与压力适当，底面 上的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一 体。这样粘结层逐渐长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。 所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃 前区的压力和温度分布有关。 （2）积屑瘤产生的条件 一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；温度与 压力太低不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生 积屑瘤。对碳素钢来说，约在300-500时积屑瘤最高，500以上时趋 于消失。 第二变形区内的温度和压力与切削用量有关，在切削深度和进

13、给量一定时 ，积屑瘤的高度与切削速度有密切关系。由于切削用量v、f、ap中切削速 度对切削温度的影响最大，该图实际上反映了积屑瘤高度与切削温度的关 系。 （3）积屑瘤对切削过程的主要影响 (a)增大了实际前角 由于积屑瘤粘附在 前刀面上，代替了刀刃 参加切削，故使实际前 角加大，这可使切削力 减小。积屑瘤愈高，实 际前角愈大。 (b)增大了切削深度 积屑瘤使切削深度 增加了ac。由于积屑瘤 的产生，成长与脱落是 一个带有一定周期性的 动态过程(如每秒几十至 几百次)， ac 值的变化 ，可能引起振动。 (c)使加工表面粗糙度增大 积屑瘤的底部相对稳定一些，其顶部不稳定，容易破裂，破裂的积屑 瘤

14、硬块一部分粘附在切屑底面排除，一部分留在工件的加工表面上。积屑 瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免 或减小积屑瘤。 (d)加剧了刀具磨损 积屑瘤破裂时粘附在切屑底面，当切屑从前刀面流出时会使前刀面磨 损增加，形成月牙洼。另一方面，积屑瘤破裂粘附在加工表面上，在与刀 具后刀面相摩擦时，将加剧后刀面的磨损，从而会降低刀具使用寿命。 (4) 防止积屑瘤的主要方法 (a)降低切削速度使温度降低，避免发生粘结； (b)采用高速切削，使切削温度升高到积屑瘤消失的温度； (c)采用冷却润滑液，降低摩擦和加速切削热的传出，避免 产生积屑瘤的温度区； (d)增加刀具前角以减小刀屑接

15、触区压力； (e)提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。 213 第三变形区变形及加工表面质量 一、已加工表面的形成过程及表面质量 由于刀刃有钝圆半径rB，整个切削层厚度ac中，将有一层金属a无法 沿OM方向滑移，而是从刀刃钝园部分O点下面挤压过去，即切削层金属 在O点处分离为两部分。 刀钝圆部分、VB和 CD三部分构成后刀面 与工件表面接触和摩 擦，这一区域称为第 三变形区。它们产生 的变形、摩擦对已加 工表面有很大的影响 。 已加工表面的形成过程 如果将三个变形区联系起来，当切削层金属进入第一变形区时，晶粒 因压缩而变长，因剪切滑移而倾斜。当切削层金属逐渐接近刀刃时，晶粒 更伸长，成为包围刀

16、刃周围的纤维层，最后在O点断裂，一部分金属成为 切屑沿前刀面流出，另一部分金属绕过刀刃沿后刀面流出，并继续经受变 形而成为已加工表面的表层。因此，已加工表面表层的金属纤维被拉伸得 更长更细，其纤维方向平行于已加工表面。这个表层的金属具有与基体组 织不同的性质，所以称为加工变质层。 二、已加工表面质量 已加工表面质量包含两方面内容： （1）表面几何学方面。主要指零件最外表面的几何形状， 通常用表面粗糙度表示。 （2）表面层材质的变化。零件加工后在一定深度的表面层 内出现变质层，在此表面层内晶粒组织发生变化。零件表面 层材质特性的表达方式很多，如塑性变形、硬度变化、微观 裂纹残余应力、晶粒变化、热损伤区化学性能及电特性的变 化等。 对零件使用性能有较大影响的是表面粗糙度、加工硬化及 残余应力。 1表面粗糙度 表面粗糙度对零件性能有很大的影响。 表面粗糙度大的零件使