《第2章 金属切削基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 金属切削基本原理（156页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章金属切削基本原理,（时间：4次课，8学时）,第2章金属切削基本原理,教学目标：金属切削就是用刀具把工件表面上多余的金属切掉，以获得需要的工件形状和尺寸。切削过程的实质是工件切削层在刀具前刀面的挤压下产生塑性变形，变成切屑的复杂过程。在这个过程中的许多物理现象如：切削力、切削热和刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等，都与金属的变形有密切的关系，都会影响加工质量、生产率和生产成本。通过本章的学习，要了解金属切削基本原理，掌握金属切削变形过程的规律，从而主动地加以有效的控制，以便创造出更先进的加工方法和高效率的切削刀具，以适应现代制造技术发展的需要。,第2章金属切削基本原理,教学重点和难点：切削
2、变形切削力切削热刀具磨损刀具几何参数选择切削用量选择,第2章金属切削基本原理,案例导入：要加工如图2.1所示短轴。怎样才能把多余的材料去掉？要多大的切削力？如何选择刀具的几何参数和切削用量？,第2章金属切削基本原理,图2.1短轴,第2章金属切削基本原理,2.1金属切削过程2.2切削力2.3切削热与切削温度2.4刀具磨损与刀具耐用度2.5磨削机理2.6刀具几何参数与切削用量的选择2.7 实训2.8习题,2.1 金属切削过程,2.1.1 切削变形与切屑的形成2.1.2 切屑的类型2.1.3切削变形程度的表示方法2.1.4前刀面上的摩擦与积屑瘤2.1.5已加工表面的形成过程2.1.6影响切屑变形的主
3、要因素,2.1 金属切削过程,金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑的过程。研究切削过程的物理本质及其变化规律，对提高切削加工生产率，保证加工质量，降低加工成本有着很重要的意义。,2.1.1 切削变形与切屑的形成,1. 切削层与切削层参数在切削过程中，主运动一个切削循环内，刀具从工件上所切除的金属层称为切削层。如图2.2所示，车削时工件旋转一周，刀具从位置II移到了I， I与II之间的材料层即为切削层。,2.1.1 切削变形与切屑的形成,图2.2 切削用量和切削层参数,2.1.1 切削变形与切屑的形成,切削层的参数有：1）切削层公称厚度hD（mm） 指垂直于过渡
4、表面测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面间的距离。hD反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图2.2可知hD f sinr（2-1)2）切削层公称宽度bD（mm） 指沿过渡表面测量的切削层尺寸。bD反映了切削刃参加切削的长度。由图2.2可知bD ap / sinr (2-2)3）切削层公称横截面积AD（mm2） 指在切削层尺寸平面里测量的横截面积。即为切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。由图2.2可知AD hD bD ap f (2-3),2.1.1 切削变形与切屑的形成,2. 切削变形的本质从材料力学中得知，金属材料受挤压时，其内部材料产生应力应变（图2.3所示），在大约与受力方向成45（图中
5、和方向即剪切方向）的斜截面内剪应力最大，开始是弹性变形，当剪应力达到材料的屈服极限时，剪切变形进入塑性流动阶段，材料内部沿着剪切面发生相对滑移，材料就被压扁（塑性材料）或剪断（脆性材料）。切削加工与上述挤压相似，只是在切削加工时，受切削层下方（线以下）材料的阻碍，切削层材料不能沿方向滑移，只能沿剪切面向上滑移，于是，切削层材料就转变为切屑，见图2.4。,2.1.1 切削变形与切屑的形成,图2.3金属的挤压与切削,2.1.1 切削变形与切屑的形成,图2.4切削过程示意图,2.1.1 切削变形与切屑的形成,3. 切屑的形成过程与三个变形区如图2.5所示，在刀具切入工件后，由于切削刃和前刀面的推挤，
6、工件材料内部的每一点都要产生一定的内应力，离刀具愈近的地方，应力愈大。 第一变形区是切屑形成的主要区域(图2.6中区)，在刀具前面推挤下，切削层金属发生塑性变形。,2.1.1 切削变形与切屑的形成,图2.5 第一变形区金属的滑移,2.1.1 切削变形与切屑的形成,图2.6 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,2.1.1 切削变形与切屑的形成,第二变形区：切屑沿前面流动时，进一步受到刀具前面的挤压，在刀具前面与切屑底层之间产生了剧烈摩擦，使切屑底层的金属晶粒纤维化，其方向基本上和刀具前面平行。这个变形区域称为第二变形区(图2.6中区)。第二变形区对切削过程也会产生较显著的影响。第三变形区：切削层
7、金属被刀具切削刃和前面从工件基体材料上剥离下来，进入第一和第二变形区；同时，工件基体上留下的材料表层经过刀具钝圆切削刃和刀具后面的挤压、摩擦，使表层金属产生纤维化和非晶质化，并使其显微硬度提高；并且在刀具后面离开后，已加工表面表层和深层金属都要产生回弹，从而产生表面残留应力，这些变形过程都是在第三变形区(图2.6中区)内完成的，也是已加工表面形成的过程。第三变形区内的摩擦与变形情况，直接影响着已加工表面的质量。这三个变形区不是独立的，它们有紧密的内在联系和相互影响。,2.1.2 切屑的类型,由于工件材料以及切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而所产生的切屑形态也就多种多样。其基本类型如图2
8、.7示，即带状切屑、节状切屑、粒状切屑和崩碎切屑四类。,2.1.2 切屑的类型,图2.7 切屑类型,2.1.2 切屑的类型,1. 带状切屑带状切屑是最常见的一种切屑。它的形状像一条连绵不断的带子，底部光滑，背部呈毛茸状。一般加工塑性材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，得到的切屑往往是带状切屑。出现带状切屑时，切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度值较小。,2.1.2 切屑的类型,2. 挤裂切屑挤裂切屑又称节状切屑。切屑上各滑移面大部分被剪断，尚有小部分连在一起，犹如节骨状。它的外弧面呈锯齿形，内弧面有时有裂纹。其原因是由于它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。
9、由滑移变形所产生的加工硬化使剪切力增加，在局部地方达到材料的破裂强度。这种切屑在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小的情况下产生。出现节状切屑时，切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗糙度值较大。,2.1.2 切屑的类型,3. 单元切屑(粒状切屑)切屑沿剪切面完全断开，因而切屑呈梯形的单元状(粒状)。当切削塑性材料，在切削速度极低时产生这种切屑。出现单元切屑时切削力波动大，已加工表面粗糙度值大。以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。切屑的形态是随切削条件的改变而转化的。在形成挤裂切屑的情况下，若减小刀具前角，降低切削速
10、度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑；反之，则可得到带状切屑。,2.1.2 切屑的类型,4. 崩碎切屑切削脆性材料时，由于材料的塑性很小且抗拉强度低，被切金属层在前刀面的推挤下未经塑性变形就在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑。它与工件基体分离的表面很不规则，切削力波动很大，切削振动大，加工表面凹凸不平，表面粗糙度值很大。在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。从切屑控制的角度出发国际标准化组织（ISO）制定了切屑分类标准，如表2.1所示。,2.1.2 切屑的类型,2.1.3切削变形程度的表示方法,1. 相对滑移如图2.8所示，当切削层单元平
11、行四边形产生剪切变形为时，沿剪切面产生的滑移量为s。相对滑移的大小为：或,2.1.3切削变形程度的表示方法,图2.8 相对滑移,2.1.3切削变形程度的表示方法,2. 变形系数（切屑厚度压缩比）在生产实践中,切屑厚度hch通常要大于切削厚度,而切屑长度lch则小于切削长度lc,如图2.9所示。由于切削宽度与切屑宽度差异很小,根据体积不变的原则,变形系数可由下式计算:,2.1.3 切削变形程度的表示方法,图2.9 切屑的变形,2.1.4前刀面上的摩擦与积屑瘤,1. 前刀面上的摩擦切削时，切削层经第一区变形后沿前刀面排出，受到前刀面的挤压和摩擦变形加剧，进入第二变形区。切屑在流经前刀面时，在高温高
12、压的作用下产生剧烈的摩擦，致使刀具前刀面与切屑底层产生粘结现象，也称冷焊这种摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。如图2.10所示，刀屑接触区分为粘结区和滑动区两部分。粘结区的摩擦为金属间的内摩擦，是金属内部的剪切滑移，这部分的切向应力等于被切材料的剪切屈服点 。滑动区的摩擦为外摩擦，即滑动摩擦，这部分的切向应力随着远离切削刃由 逐渐减小至零。而刀屑接触面上正应力分布是刃口处最大，远离刃口处变小，直至减小至零。所以前刀面上各点的摩擦是不同的。,2.1.4前刀面上的摩擦与积屑瘤,图2.10 切屑和前刀面摩擦特性,2.1.4前刀面上的摩擦与积屑瘤,2. 积屑瘤1）积屑瘤的形成由于刀屑接触面很洁净，切削
13、塑性材料时，在粘结摩擦和滞留的作用下，当前刀面上的温度和压力适宜时，切屑底层金属粘结前刀面的刃口附近（即所谓的“冷焊”），形成硬度很高（是工件材料的23倍)的一个楔块，称为积屑瘤，见图2.11。积屑瘤的大小常用积屑瘤的高度Hb表示。,2.1.4前刀面上的摩擦与积屑瘤,图2.11 积屑瘤前角和伸出量,2.1.4前刀面上的摩擦与积屑瘤,2）积屑瘤对切削过程的影响增大前角，减小切削力积屑瘤在刀面上增大了刀具的实际工作前角，可减小切屑变形，减小切削力。影响尺寸精度积屑瘤前端伸出刀刃外，使切削厚度增加了，影响工件尺寸精度。增大表面粗糙度值高度不稳定的积屑瘤会在工件表面上划出沟痕和挤歪已有沟痕，脱落后的积
14、屑瘤颗粒会嵌在已加工表面上，增大表面粗糙度值。减小刀具磨损积屑瘤象帽子保护着切削刃，代替切削刃、前刀面和后刀面进行切削，减小刀具的磨损。,2.1.4前刀面上的摩擦与积屑瘤,3）影响积屑瘤的主要因素主要取决于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。工件材料塑性越大，切削温度越高，越容易形成积屑瘤。可以采用正火或调质处理避免积屑瘤的生成。切削速度实验表明，采用低速（ 3m/min）或较高速（ 40m/min）切削时，不易产生积屑瘤，如图2.12示。刀具前角增大前角，可以减小切屑变形、切削力和摩擦，降低切削温度，抑制积屑瘤的生成。另外，使用切削液可有效降低切
15、削温度和摩擦，抑制积屑瘤的产生。,2.1.4前刀面上的摩擦与积屑瘤,图2.12 切削速度与积屑瘤高度的关系,2.1.5已加工表面的形成过程,刀具切削刃的刃口实际上无法磨得绝对锋利，总存在刃口圆弧，如图2.13所示，刃口圆弧半径为 。切削时由于刃口圆弧的切削和挤压摩擦作用，使刃口前区的金属内部产生复杂的塑性变形。通常以 O点为分界点，O点以上金属晶体向上滑移形成切屑；O点以下厚度 的金属层晶体向下滑移绕过刃口形成已加工表面。这层金属被刃口圆弧挤压后，还继续受到后刀面上小棱面CE的摩擦，以及由已加工表面弹性恢复层与后刀面上ED部分接触产生挤压摩擦，使已加工表面变形更剧烈。,2.1.5已加工表面的形成过程,图2.13 已加工表面变形,2.1.6影响切屑变形的主要因素,影响切屑变形的因素很多，主要有：工件材料、刀具前角、切削速度、切削厚度。1. 工件材料工件材料的强度、硬度越大，切屑变形越小，图2.14所示为工件材料的强度对变形系数的影响。,2.1.6影响切屑变形的主要因素,图2.14 材料强度对变形系数的影响,2.1.6影响切屑变形的主要因素,2. 刀具前角刀具的前角越大，切削刃就越锋利，对切削层金属的挤压也就越小，剪切角就越大，所以，切屑变形也就越小，如图2.15所示。,
