金属切削过程中的物理现象.ppt
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1、一、切削的变化 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。即是金属内部不断滑移变形的过程。简言之,被切削的金属层在前刀面的挤压作用下,通简言之,被切削的金属层在前刀面的挤压作用下,通过剪切滑移变形便形成了切削。过剪切滑移变形便形成了切削。金属切削过程中的三个变形区金属切削过程中的三个变形区第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区;第变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区;第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区(后刀面与工件的接触区域)1、第一变形区、第一变形区(剪切滑移区剪切滑移区)切削层受刀具的作用,经过第一变形区
2、的塑性变形后形成了切切削层受刀具的作用,经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑,下面以直角自由切削为例,分析较典型的连续切屑的形成屑,下面以直角自由切削为例,分析较典型的连续切屑的形成过程。过程。切削层受到刀具前切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作刀面与切削刃的挤压作用下,使近切削刃出的用下,使近切削刃出的金属先产生弹性变形,金属先产生弹性变形,继而塑性变形,在这同继而塑性变形,在这同时金属晶格产生滑移。时金属晶格产生滑移。左图是取金属内部质点左图是取金属内部质点P来分析滑移来分析滑移过程。过程。2、第二变形区、第二变形区经过第一变形区后,形成的切屑沿前刀面方向排出,经过第一变形区后,形成的切屑
3、沿前刀面方向排出,还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此,在该还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此,在该区域内金属变形特点就是区域内金属变形特点就是切屑在前刀面上发生的摩擦挤压切屑在前刀面上发生的摩擦挤压变形,变形,这个变形主要集中这个变形主要集中在与前刀面接触的切屑底部一薄在与前刀面接触的切屑底部一薄层金属内,层金属内,这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长,这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长,成纤维化,基本与前刀面平行。另外,由于切屑层底层受成纤维化,基本与前刀面平行。另外,由于切屑层底层受前刀面的挤压而膨胀,使切屑背向前刀面卷曲,最后在某前刀面的挤压而膨胀,使切屑背向前
4、刀面卷曲,最后在某一点开始与前刀面脱离接触。一点开始与前刀面脱离接触。(挤压摩擦区)挤压摩擦区)3、第三变形区、第三变形区(挤压摩擦回弹区)(挤压摩擦回弹区)已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦,造成纤维化和加工硬化及残余应力,严重的甚至出擦,造成纤维化和加工硬化及残余应力,严重的甚至出现细微的裂纹。现细微的裂纹。二、积屑瘤二、积屑瘤1 1积屑瘤的现象积屑瘤的现象积屑瘤:积屑瘤:切削塑性金属时,在一定的切削条件下,常常切削塑性金属时,在一定的切削条件下,常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上,有一些从切屑和工件上来的金属冷
5、焊并层积在前刀面上,形成一个非常坚硬的金属堆积物,能够代替刀刃进行切形成一个非常坚硬的金属堆积物,能够代替刀刃进行切削,并且以一定频率生长和脱落。这种堆积物称为积屑削,并且以一定频率生长和脱落。这种堆积物称为积屑瘤。瘤。当切削钢、球墨铸铁、铝合金等当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料塑性材料时,在时,在切切削速度不高削速度不高,而又能,而又能形成带状切屑形成带状切屑的情况下生成积屑的情况下生成积屑瘤。瘤。积屑瘤高度及其实际工作前角积屑瘤高度及其实际工作前角2.2.积屑瘤的成因:积屑瘤的成因:1 1)工件材料的塑性)工件材料的塑性 主要是加工硬化的缘故,塑性材料主要是加工硬化的缘故,塑性材料切削
6、时形成带状切削,加工硬化现象较切削时形成带状切削,加工硬化现象较强,容易产生积屑瘤;而脆性材料切削强,容易产生积屑瘤;而脆性材料切削时形成崩脆切削,且加工硬化现象很弱,时形成崩脆切削,且加工硬化现象很弱,不易产生积屑瘤。不易产生积屑瘤。2 2)切削温度)切削温度切削温度也是形成积屑瘤的重要条切削温度也是形成积屑瘤的重要条件。切削温度过低,粘结现象不易发件。切削温度过低,粘结现象不易发生;切削温生;切削温度过高,加工硬化现象度过高,加工硬化现象有削弱作用,因而积屑瘤也不易产生。有削弱作用,因而积屑瘤也不易产生。对于碳钢,对于碳钢,300C300C 350C 350C范围内最范围内最容易产生积屑瘤
7、,容易产生积屑瘤,500C 500C以上趋于消以上趋于消失。失。3 3)积屑瘤与切削速度的关系)积屑瘤与切削速度的关系区:区:切削速度很低,形成粒状切削速度很低,形成粒状或节状切屑,没有积屑瘤生成。或节状切屑,没有积屑瘤生成。区:区:形成带状切屑,冷焊条件逐形成带状切屑,冷焊条件逐渐形成,随着切削速度的提高积屑渐形成,随着切削速度的提高积屑瘤也增大。瘤也增大。区:区:积屑瘤随切削速度的积屑瘤随切削速度的提高而减小,当达到提高而减小,当达到区右区右边界时,积屑瘤消失。边界时,积屑瘤消失。区:区:切削速度进一步提高,由切削速度进一步提高,由于切削温度较高而冷焊消失,此于切削温度较高而冷焊消失,此时
8、积屑瘤不再存在了。但切屑底时积屑瘤不再存在了。但切屑底部的纤维化依然存在,切屑的滞部的纤维化依然存在,切屑的滞留倾向也依然存在。留倾向也依然存在。4 4)刀具的前角)刀具的前角 因为积屑瘤是在带状切屑的前提因为积屑瘤是在带状切屑的前提下形成的。然而前角越大越容易形下形成的。然而前角越大越容易形成带状切屑,前角越小容易形成崩成带状切屑,前角越小容易形成崩脆切削,所以积屑瘤的形成与刀具脆切削,所以积屑瘤的形成与刀具的前角有着紧密的联系。的前角有着紧密的联系。3.3.积屑瘤对切削过程的影响:积屑瘤对切削过程的影响:1)积屑瘤包围着切削刃,可以代替前面、后面和积屑瘤包围着切削刃,可以代替前面、后面和切
9、削刃进行切削,从而保护了刀刃,减少了刀切削刃进行切削,从而保护了刀刃,减少了刀具的磨损。具的磨损。2)积屑瘤使刀具的实际工作前角增大,而且,积积屑瘤使刀具的实际工作前角增大,而且,积屑瘤越高,实际工作前角越大,刀具越锋利。屑瘤越高,实际工作前角越大,刀具越锋利。3)积屑瘤前端伸出切削刃外,直接影响加工尺寸积屑瘤前端伸出切削刃外,直接影响加工尺寸精度。精度。4)积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。面粗糙度。三、残余应力和加工硬化三、残余应力和加工硬化 在金属切削过程中,因刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦,使已加工表面层的塑性变形非常强烈,晶格破
10、坏,表层硬度提高,这种现象称为加工硬化加工硬化。工件表面硬化可提高耐磨性。但加工硬化常伴有裂纹产生,降低零件的抗冲击性能。刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦,以及切削热的作用,使已加工表面上常有残余应力存在。四、脆性材料的切削机理四、脆性材料的切削机理 脆性被切削材料在外力作用下,先形成裂纹。裂纹尖端附近应力强度达到其临界值时,裂纹就会发生失稳扩展,导致被切削材料的断裂。五、切屑力1.概念概念 切削加工时刀具使切削层形成切削需要克服的阻力称为切削力。切削力影响刀具的磨损和使用寿命。切削力影响加工精度。工艺系统的弹性变形,所作的功转化工艺系统的热变形。是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据
11、。2.切屑力的来源切屑力的来源(1)来自工件的切削力:)来自工件的切削力:工件材料被切过程中所工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性发生的弹性变形和塑性变形的抗力。变形的抗力。(2)来自切屑的切屑力:)来自切屑的切屑力:切屑对刀具前刀面的摩切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力。后刀面的摩擦力。3.总切削力的几何分力总切削力的几何分力Fp=FNcosKr;Ff=FNsinkr一般情况下,一般情况下,Fc最大,最大,Fp和和Ff小一些小一些n主切削力主切削力FcFc:切削合力切削合力F在主运动方向的分力,又称切向在主运动方向的分力,又称切向分力。它与切削速度
12、方向一致,在切削过程中做功最多,分力。它与切削速度方向一致,在切削过程中做功最多,占总切削功率的占总切削功率的90%以上。以上。Fc是计算机床动力、设备的强是计算机床动力、设备的强度及刚度的基本数据。度及刚度的基本数据。n进给抗力进给抗力FfFf:切削合力切削合力F在进给运动方向的合力,车外圆在进给运动方向的合力,车外圆时,时,Ff与工件的轴线相平行,因此又称轴向分力。与工件的轴线相平行,因此又称轴向分力。Ff作用作用在机床的进给机构上,它是设计进给机构必须的数据。在机床的进给机构上,它是设计进给机构必须的数据。n切深抗力切深抗力Fp:Fp:切削合力切削合力F在切削深度方向的分力。车外圆时,在
13、切削深度方向的分力。车外圆时,Fp与工件的径向重合,因此又称径向分力。与工件的径向重合,因此又称径向分力。Fp作用在机作用在机床及工件刚性最差的方向,容易引起切削振动和工件的弯床及工件刚性最差的方向,容易引起切削振动和工件的弯曲变形,影响加工精度及工件表面质量。曲变形,影响加工精度及工件表面质量。4.切削功率切削功率:是指切削时在切削区域内消耗的功率,是指切削时在切削区域内消耗的功率,通常进给消耗的功率略去不计,只计算主运动消耗的功率:通常进给消耗的功率略去不计,只计算主运动消耗的功率:式中 Fz主切削力(N)v主运动切削速度(m/min)机床电动机所需功率PE:式中 机床传动效率。5.影响切
14、削力的因素影响切削力的因素 影响切屑力的主要因素有:影响切屑力的主要因素有:工件材料、工件材料、切削用量、刀具几何参数、其它因素。切削用量、刀具几何参数、其它因素。总切削力的来源有两个方面:总切削力的来源有两个方面:一是克服被加工材料对弹性变形和塑性一是克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力;变形的抗力;二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力和二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。工件表面对刀具后面的摩擦阻力。(1)工件材料的影响工件材料的硬度或强度愈高工件材料的硬度或强度愈高,材料的剪切屈服强度也愈,材料的剪切屈服强度也愈高,发生剪切变形的抗力也愈大,高,发生剪切变形的
15、抗力也愈大,故切削力也愈大故切削力也愈大。在材料的强度、硬度相近的情况下,在材料的强度、硬度相近的情况下,材料的塑性越大。材料的塑性越大。韧性越大,则切削力越大。韧性越大,则切削力越大。塑性大的材料在切削过程中将产生较大的塑性变形和加塑性大的材料在切削过程中将产生较大的塑性变形和加工硬化,且切削与前刀面的接触时间长,故切削力较大;工硬化,且切削与前刀面的接触时间长,故切削力较大;韧性大的材料,使之发生变形或破坏需消耗较多的能量,韧性大的材料,使之发生变形或破坏需消耗较多的能量,故切削力较大。故切削力较大。切削脆性材料时,一般皆为崩脆切削,从而切削与前切削脆性材料时,一般皆为崩脆切削,从而切削与
16、前刀面的摩擦都比较小,故其切削力相对较小。刀面的摩擦都比较小,故其切削力相对较小。(2)切削用量的影响1)切削深度和进给量的影响切削深度切削深度apap进给量进给量f fA AD D变形抗力变形抗力摩擦力摩擦力切削力切削力ap增大一倍,增大一倍,FC也增大一倍;而也增大一倍;而f增大一倍,增大一倍,FC只能增大只能增大68%86。由由此此可可见见,从从减减小小切切削削力力和和节节省省动动力力消消耗耗的的观观点点出出发发,在在切切除除相相同同余余量量的的条条件件下下,增增大大f比比增增大大ap更为有利。更为有利。2)切削速度的影响切削塑性材料时切削塑性材料时切削塑性材料切削塑性材料,切削速度的影
17、响分为两个阶段:,切削速度的影响分为两个阶段:有积屑瘤有积屑瘤和和无积屑瘤无积屑瘤两个阶段。两个阶段。切削速度是通过影响切削变形程度来影切削速度是通过影响切削变形程度来影响切削力,切削变形大,则切削力大。响切削力,切削变形大,则切削力大。切削铸铁等脆性材料时切削铸铁等脆性材料时,被切材料,被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。较小。c对切削力没有显著影响。对切削力没有显著影响。3)刀具几何参数的影响前角前角ro对切削力的影响对切削力的影响;刀刃锋利刀刃锋利前角前角g go o切削变形切削变形切削力切削力对塑性材料对塑性材料对脆性材料对脆性材料影响较小影响
18、较小前角对切削力的影响前角对切削力的影响ap=4mmf=0.25mm/r主偏角主偏角kr对切削力的影响对切削力的影响(a)当)当时,主切削力时,主切削力F随着随着Kr增加而减小增加而减小。(b)当)当时,时,kr大时,主切削力大时,主切削力F随着随着Kr增加而增加而增大增大。Kr越大,切削宽度越大,切削宽度aw越小,切削厚度越小,切削厚度ac越大,越大,因此切削力越小。因此切削力越小。切削脆性材料时,切削力始终随着Kr的增加而减小。4)其它因素的影响1 1)刀具磨损越大,将增加切削力;)刀具磨损越大,将增加切削力;2 2)使用切削液,使用切削液,将减小切削力。将减小切削力。六、切屑热和切削温度
19、1 1、切削热的产生与传导、切削热的产生与传导 切切削削热热产产生生于于三三个个变变形形区区,切切削削热来源于两个方面:热来源于两个方面:一一是是切切削削层层金金属属发发生生弹弹性性和和塑塑性性变形所消耗的能量;变形所消耗的能量;二二是是切切屑屑与与前前刀刀面面、工工件件与与后后刀刀面间产生的摩擦热。面间产生的摩擦热。切切削削过过程程中中消消耗耗的的功功将将绝绝大大部部分分转转化化成成(约约 99%99%)转转换换为为热热量,即切削热。量,即切削热。切削热切削热QFzvc切削热传出切削热传出:(1)(1)通过工件传出通过工件传出Q Qg g,使工件温度升高,使工件温度升高 (2)(2)通过切屑
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