机械制造技术基础 第二章 第三节 金属切削过程及物理现象(精品).ppt

第三节第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削过程及其物理现象n 一、一、研究金属切削变形过程的实验方法研究金属切削变形过程的实验方法n 二、金属切削层的变形（切屑形成过程）二、金属切削层的变形（切屑形成过程）1、变形区的划分变形区的划分 2、第第变形区内金属的剪切变形及变形程度的表示方法变形区内金属的剪切变形及变形程度的表示方法 3、第第变形区的变形变形区的变形 4、第第变形区的变形变形区的变形 5、刀具前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响刀具前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响n三、三、积屑瘤积屑瘤n四、四、切屑及其控制切屑及其控制 1、切屑类型切屑类型 2、生产实际中的切屑形态生产实际中的切屑形态 3、断屑方法断屑方法 一、研究金属切削变形过程的实验方法一、研究金属切削变形过程的实验方法 1、侧面方格观查法、侧面方格观查法 用显微镜直接观察低速直角自由切削时工件切削层侧面的金属变形状况。用显微镜直接观察低速直角自由切削时工件切削层侧面的金属变形状况。为便于观察通常将工件侧面抛光，画出细小方格，观察这些方格如何扭曲，从而获知刀具前方变形为便于观察通常将工件侧面抛光，画出细小方格，观察这些方格如何扭曲，从而获知刀具前方变形 区的范围及金属颗粒如何流向切屑。区的范围及金属颗粒如何流向切屑。2、快速落刀法、快速落刀法 使刀具以尽可能快的速度脱离工件，把切削过程冻结起来，将留下的切屑的根部做成标本，供观使刀具以尽可能快的速度脱离工件，把切削过程冻结起来，将留下的切屑的根部做成标本，供观 察。察。若要探索在不同条件下的切削变形特征，可采用此法，获取该条件下的变形区及切屑根部的标本。若要探索在不同条件下的切削变形特征，可采用此法，获取该条件下的变形区及切屑根部的标本。3、在线瞬态摄影法、在线瞬态摄影法 用由体式显微镜、照相机、及闪光源等组成的在线瞬态体式摄影系统拍摄切削金属层的某一点用由体式显微镜、照相机、及闪光源等组成的在线瞬态体式摄影系统拍摄切削金属层的某一点 在切削过程中的流动轨迹（流线）的方法。（如图所在切削过程中的流动轨迹（流线）的方法。（如图所示示）这种方法可以得到切削层金属的流线图，从流线图可求得剪切角和变形厚度。这种方法可以得到切削层金属的流线图，从流线图可求得剪切角和变形厚度。4、高速摄影法、高速摄影法 采用高速摄影机观察高速切削情况下的金属变形情况，每秒可拍摄几万幅。采用高速摄影机观察高速切削情况下的金属变形情况，每秒可拍摄几万幅。5、扫描电镜观察法、扫描电镜观察法 是一种电子光学显微镜，放大倍率可达几十万倍，分辨率可达纳米级。常用于观察表面微观形貌是一种电子光学显微镜，放大倍率可达几十万倍，分辨率可达纳米级。常用于观察表面微观形貌 及微区成分分析。及微区成分分析。可用于观察研究切屑的形貌研究切屑变性过程，观察刀具磨损形貌研究磨损机理等。可用于观察研究切屑的形貌研究切屑变性过程，观察刀具磨损形貌研究磨损机理等。6、光弹性、光塑性试验、光弹性、光塑性试验 用来研究用来研究金属变形区的应力情况金属变形区的应力情况。二、金属切削层的变形二、金属切削层的变形n1、变形区的划分、变形区的划分 根据试验可划出切削层金属在切削过程中的滑移线和流线的根据试验可划出切削层金属在切削过程中的滑移线和流线的示意图示意图示意图示意图。滑移线：切削层金属发生剪切塑性变形最大等剪应力曲线，切削层金属将沿着此滑移线滑移线：切削层金属发生剪切塑性变形最大等剪应力曲线，切削层金属将沿着此滑移线 发生剪切滑移变形。发生剪切滑移变形。流线：切削层金属某一点在切削过程中的流动轨迹。流线：切削层金属某一点在切削过程中的流动轨迹。变形化分区如图所示变形化分区如图所示 第第变形区（基本变形区）变形区（基本变形区）从从OA线开始发生塑性变形，到线开始发生塑性变形，到OE线晶粒的剪切滑移基本完成。将这一区域线晶粒的剪切滑移基本完成。将这一区域 OAEO称为第称为第变形区（变形区（OA称为始滑移线，称为始滑移线，OE称为终滑移线。）称为终滑移线。）第第变形区变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使切屑底层的切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使切屑底层的 金属将发生金属将发生 塑性变形。这部分称为第塑性变形。这部分称为第变形区。变形区。第第变形区变形区 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层金属也将发在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层金属也将发 生塑性变形。这部分称为第生塑性变形。这部分称为第变形区。变形区。n2、第、第变形区内金属的剪切变形及变形程度的表示方法变形区内金属的剪切变形及变形程度的表示方法 第第变形区的变形过程变形区的变形过程 第第变形区的变形特征变形区的变形特征 沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化现象。沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化现象。从从金属晶体结构金属晶体结构的角度理解第一变形区的变形的角度理解第一变形区的变形 沿滑移线的剪切滑移变形就是沿晶格中晶面的滑移，设工件原材料晶粒为圆形，当沿滑移线的剪切滑移变形就是沿晶格中晶面的滑移，设工件原材料晶粒为圆形，当 受剪应力时，晶格内的晶面就发生位移，使晶粒呈椭圆形。受剪应力时，晶格内的晶面就发生位移，使晶粒呈椭圆形。变形区的宽度变形区的宽度(始滑移线始滑移线OA至终滑移线至终滑移线OE之间的之间的宽度宽度）在一般切削速度范围内，仅为在一般切削速度范围内，仅为0.020.2mm，很窄。，很窄。切削速度越高，始滑移线切削速度越高，始滑移线OA后移至后移至OA的程度就越大，变形区的宽度就的程度就越大，变形区的宽度就 越窄。所以越窄。所以 第第变形区可近似用一个面来表示。变形区可近似用一个面来表示。剪切面及剪切角剪切面及剪切角(如图所示如图所示）剪切面剪切面工件待加工表面与切屑顶面的交线工件待加工表面与切屑顶面的交线OO和刀尖所在直线和刀尖所在直线OO所组成的平面。所组成的平面。剪切角剪切角剪切面与切削平面的夹角，即在正交平面内剪切线剪切面与切削平面的夹角，即在正交平面内剪切线OO与速度与速度v 的夹角。的夹角。第第变形区变形程度的表示方法变形区变形程度的表示方法 剪切角剪切角 剪切角剪切角第第变形区的剪切滑移变形变形区的剪切滑移变形 用剪切角用剪切角表示第表示第变形区的剪切滑移变形程度，高速时，较准确；低速时误差变形区的剪切滑移变形程度，高速时，较准确；低速时误差 较大。较大。通常，切削速度通常，切削速度V 剪切滑移变形将减小。剪切滑移变形将减小。相对滑移相对滑移 第第变形区变形既然是剪切滑移，所以直接用剪应变即相对滑移变形区变形既然是剪切滑移，所以直接用剪应变即相对滑移来表示其变形来表示其变形 程度。程度。越大其变形程度就越大。越大其变形程度就越大。相对滑移相对滑移 与剪切角与剪切角的关系：的关系：=coscoso o/sincos/sincos（o o)刀具前角刀具前角o o；剪切角；剪切角 。所以，在实际加工中通常是高速。所以，在实际加工中通常是高速 、大前角时切削轻快。、大前角时切削轻快。变形系数变形系数(切屑厚度切屑厚度ach与切削层厚度与切削层厚度ac）ach切屑的厚度，切屑的厚度，ac切削层的厚度；切削层的厚度；Lch切屑长度，切屑长度，Lc 切削层的长度。切削层的长度。厚度变形系数：厚度变形系数：a=ach/ac 长度变形系数：长度变形系数：L=Lc/Lch 通常，变形系数（通常，变形系数（a，L）剪切滑移变形剪切滑移变形。n3、第、第变形区的变形变形区的变形 第第变形区的变形过程变形区的变形过程(如图所示如图所示）第第变形区的变形特征变形区的变形特征 沿前刀面方向产生剧烈的剪切塑性变形并随之产生加工硬化现象。表沿前刀面方向产生剧烈的剪切塑性变形并随之产生加工硬化现象。表 现为切屑底现为切屑底 沿前刀面方向出现严重纤维化，流动速度减缓，甚至会停止在前刀面上；切屑产生弯沿前刀面方向出现严重纤维化，流动速度减缓，甚至会停止在前刀面上；切屑产生弯 曲；同时产生大量的摩擦热。曲；同时产生大量的摩擦热。n4、第、第变形区的变形变形区的变形 第第变形区的变形过程变形区的变形过程 第第变形区的变形特征变形区的变形特征 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层金属产生纤在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层金属产生纤 维化并随之产生加工硬化。维化并随之产生加工硬化。n5、前刀面的摩擦与挤压及其对切屑变形的影响、前刀面的摩擦与挤压及其对切屑变形的影响 作用在切屑上的力作用在切屑上的力 在直角自由切削条件下，以切屑为分离体，忽略其自身重力及剪切面上的弯矩影响在直角自由切削条件下，以切屑为分离体，忽略其自身重力及剪切面上的弯矩影响 ，分析作用在切屑上的力。，分析作用在切屑上的力。来自前刀面的力：法向力来自前刀面的力：法向力Fn，摩擦力，摩擦力Ff。其合力为。其合力为Fr，Fn与与Fr的夹角为摩擦角的夹角为摩擦角，o是刀具的前角。是刀具的前角。来自剪切面的力：正压力来自剪切面的力：正压力Fns，剪切力，剪切力Fs。其合力为。其合力为Fr，角是剪切角角是剪切角 Fr 与与Fr应应 为平衡力，将为平衡力，将所有的力均画在切削刃的前方所有的力均画在切削刃的前方，可得如下公式，可得如下公式 Fs=As=Ac/sin Fr=Fs/cos(+-o）=Ac/sincos(+-o）Fz=Frcos(-o）=Accos(-o）/sincos(+-o）Fy=Frsin(-o）=Asin(-o）/sincos(+-o）Fy/Fz =tg(-o）剪切角剪切角与前刀面摩擦角与前刀面摩擦角关系关系 Fr切削力（切屑形成力）切削力（切屑形成力）Fr方向就是主应力方向。方向就是主应力方向。Fs是剪切面上的剪切力是剪切面上的剪切力 Fs方向就是最大剪应力方向。方向就是最大剪应力方向。据材料力学可知：主应力与最大剪应力之间的夹角应为据材料力学可知：主应力与最大剪应力之间的夹角应为/4。故由受力分析图可知：故由受力分析图可知：o=/4 =/4 o （李和谢弗剪切角公式（李和谢弗剪切角公式根据塑性力学直线滑移线场理论根据塑性力学直线滑移线场理论 推导出的）推导出的）另一公式：另一公式：=/4 o/2 /2（麦钱特剪切角公式（麦钱特剪切角公式根据剪切面发生在单位根据剪切面发生在单位 体积耗能为最小的方向导出的）体积耗能为最小的方向导出的）由公式可知：由公式可知：o 沿滑移线的沿滑移线的 剪切滑移变形减小。剪切滑移变形减小。沿滑移线的剪切滑移变形增大。沿滑移线的剪切滑移变形增大。所以，在保证切削刃强度的前提下，增大前角所以，在保证切削刃强度的前提下，增大前角o；提高刀具刃磨质量或加切削液减；提高刀具刃磨质量或加切削液减 小前刀面上的摩擦即小前刀面上的摩擦即 减小，均可减小切削变形，切削力随之减小减小，均可减小切削变形，切削力随之减小 对切削有利。对切削有利。前刀面的摩擦特性前刀面的摩擦特性 刀屑接触区域可分为：内摩擦区（粘接区、塑性接触区）；外摩擦区（滑动摩擦区刀屑接触区域可分为：内摩擦区（粘接区、塑性接触区）；外摩擦区（滑动摩擦区 弹性接触区）。弹性接触区）。外摩擦区：外摩擦区：外外=Ff/Fn =常数常数 内摩擦区：内摩擦区：内内=Ff/Fn sAf1/avAf1=s/av s：工件材料的剪切屈服强度，随切削温度升高略有降低。：工件材料的剪切屈服强度，随切削温度升高略有降低。av：平均正应力，随材料硬度、切削厚度、切削速度及刀具前角而变化。：平均正应力，随材料硬度、切削厚度、切削速度及刀具前角而变化。金属内摩金属内摩 擦比外磨擦大很多，应主要考虑内摩擦，且内摩擦是一个变数。擦比外磨擦大很多，应主要考虑内摩擦，且内摩擦是一个变数。影响前刀面摩擦系数的主要因素影响前刀面摩擦系数的主要因素 工件材料工件材料 通常工件材料的强度、硬度愈大，摩擦系数通常工件材料的强度、硬度愈大，摩擦系数 略有减小。略有减小。切削厚度切削厚度ac 切削厚度增加时，正应力随之增大，摩擦系数切削厚度增加时，正应力随之增大，摩擦系数 略有减小略有减小。切削速度切削速度V 切削速度对摩擦系数的影响通常是驼峰曲线。切削速度对摩擦系数的影响通常是驼峰曲线。在某一速度以下（在某一速度以下（VVo）时，）时，V摩擦系数摩擦系数 当切削速度超过这一数值（当切削速度超过这一数值（V Vo）后，）后，V摩擦系数摩擦系数 刀具前角刀具前角O 在一般速度范围内，通常在一般速度范围内，通常O 摩擦系数摩擦系数 n三、积屑瘤三、积屑瘤 1 1、积屑瘤积屑瘤 在在切削速度不高切削速度不高，加工加工一般的钢料（或其它塑性金属一般的钢料（或其它塑性金属）且能且能形成连续性切形成连续性切 屑屑时时，常常在常常在前刀面切削处前刀面切削处粘着一块剖面常为三角形状的粘着一块剖面常为三角形状的硬块。硬块。其硬度很高，通常其硬度很高，通常 为工件材料的为工件材料的2 23 3倍，处于较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。倍，处于较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。如图所示如图所示：2 2、积屑瘤形成过程、积屑瘤形成过程 3 3、积屑瘤形成条件积屑瘤形成条件 中速切削加工一般的钢料（或其他的塑性金属）、形成连续性切屑、刀屑之间保中速切削加工一般的钢料（或其他的塑性金属）、形成连续性切屑、刀屑之间保 持一定的温度和较大的压力时易产生。且材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生。持一定的温度和较大的压力时易产生。且材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生。4 4、积屑瘤作用、积屑瘤作用 优点优点 a a、积屑瘤稳定时，可代替刀刃进行切削，提高刀具寿命。、积屑瘤稳定时，可代替刀刃进行切削，提高刀具寿命。b b、使刀具的实际工作前角增大，可减小切削力，对切削过程有利。、使刀具的实际工作前角增大，可减小切削力，对切削过程有利。缺点缺点 a a、影响工件的尺寸精度，且有可能产生震动。、影响工件的尺寸精度，且有可能产生震动。b b、使加工表面的粗糙度增加。、使加工表面的粗糙度增加。c c、积屑瘤不稳定时，加剧刀具的磨损，降低刀具寿命。、积屑瘤不稳定时，加剧刀具的磨损，降低刀具寿命。5、积屑瘤的控制、积屑瘤的控制 促使形成稳定的积屑瘤促使形成稳定的积屑瘤 采用在刀具上修磨适宜的负倒棱，使积屑瘤在较宽的速度范围内均能产生。采用在刀具上修磨适宜的负倒棱，使积屑瘤在较宽的速度范围内均能产生。避免积屑瘤的措施避免积屑瘤的措施 采用低速或高速切削，避开易形成积屑瘤的速度范围。采用低速或高速切削，避开易形成积屑瘤的速度范围。采用润滑性能好的的切削液，减小刀屑摩擦。采用润滑性能好的的切削液，减小刀屑摩擦。增加刀具前角，以减小刀屑接触区的压力。增加刀具前角，以减小刀屑接触区的压力。提高工件的硬度，提高工件的硬度，减少加工硬化倾向。减少加工硬化倾向。n四、切屑及其控制四、切屑及其控制 1 1、切屑类型切屑类型 带状切屑带状切屑 形态形态:内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的，用显微镜可观查到剪切面的条纹，但内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的，用显微镜可观查到剪切面的条纹，但 每个单元很薄。每个单元很薄。形成条件：加工塑性金属，切削速度较高，刀具前角较大，切削厚度较形成条件：加工塑性金属，切削速度较高，刀具前角较大，切削厚度较 小时，易得小时，易得 这种切屑。这种切屑。切削过程特点：切削过程平稳，切削力波动小，已加工表面质量好。切削过程特点：切削过程平稳，切削力波动小，已加工表面质量好。挤裂切屑挤裂切屑 形态：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。形态：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。形成条件：加工塑性金属，切削速度较低，刀具前角较小，切削厚度较大时，易得这形成条件：加工塑性金属，切削速度较低，刀具前角较小，切削厚度较大时，易得这 种切屑。种切屑。切削过程特点：切削力有波动，已加工表面质量不太好。切削过程特点：切削力有波动，已加工表面质量不太好。单元切屑单元切屑 形态形态:在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，整个单元被切离，形成梯形粒状在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，整个单元被切离，形成梯形粒状 的切屑，且各粒形状相似。的切屑，且各粒形状相似。形成条件：加工塑性金属，切削速度很低，刀具前角很小，切削厚度很大时，易得这形成条件：加工塑性金属，切削速度很低，刀具前角很小，切削厚度很大时，易得这 种切屑。种切屑。切削过程特点：切削力呈规律性高频振动，已加工表面质量不太好。切削过程特点：切削力呈规律性高频振动，已加工表面质量不太好。崩碎切屑崩碎切屑 形态形态:不规则的碎块状的切屑。不规则的碎块状的切屑。形成条件：加工脆性金属。形成条件：加工脆性金属。切削过程特点：切削力呈无规律性高频振动，已加工表面凹凸不平。切削过程特点：切削力呈无规律性高频振动，已加工表面凹凸不平。避免这种切屑的措施：减小切削厚度，提高切削速度。避免这种切屑的措施：减小切削厚度，提高切削速度。2、生产实际中的切屑形态、生产实际中的切屑形态 生产实际中的切屑形态生产实际中的切屑形态 长紊乱屑、长螺旋屑、长紧卷屑、宝塔形屑、发条状屑、长紊乱屑、长螺旋屑、长紧卷屑、宝塔形屑、发条状屑、C形屑、粒状屑等形屑、粒状屑等 切屑可控性的主要指标切屑可控性的主要指标 不妨碍正常工作、不影响操作者安全。不妨碍正常工作、不影响操作者安全。易于清理存放、不损伤已加工表面和刀面易于清理存放、不损伤已加工表面和刀面 等。等。3、断屑方法、断屑方法 数控暂停法数控暂停法 自重甩断法自重甩断法 工件上划槽法工件上划槽法 卷屑槽、卷屑槽、断屑台断屑台