金属切削过程中物理现象.pptx
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1、第1页/共53页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)第2页/共53页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,经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑,下面以直角自由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过程。切削为例,分析较典型的连续切屑的形成过程。切削层受到刀具前刀面与切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下,使近切削切削
2、刃的挤压作用下,使近切削刃出的金属先产生弹性变形,继刃出的金属先产生弹性变形,继而塑性变形,在这同时金属晶格而塑性变形,在这同时金属晶格产生滑移。左图是取金属内部质产生滑移。左图是取金属内部质点点P来分析滑移来分析滑移过程。过程。第3页/共53页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,还必须克服刀具前经过第一变形区后,形成的切屑沿前刀面方向排出,还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此,在该区域内金属变形特点就是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切屑在前刀切屑在前刀面上发生的摩擦挤压变形,面上发生的摩擦挤压变形,这个变形主要集中这个变形
3、主要集中在与前刀面接触的切屑底部一在与前刀面接触的切屑底部一薄层金属内,薄层金属内,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,由于切屑层底层受前刀面的挤压而膨胀,使切屑背向与前刀面平行。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,最后在某一点开始与前刀面脱离接触。前刀面卷曲,最后在某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擦,造成纤维化和已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀
4、面的挤压和摩擦,造成纤维化和加工硬化及残余应力,严重的甚至出现细微的裂纹。加工硬化及残余应力,严重的甚至出现细微的裂纹。第4页/共53页由于加工材料性质的不同以及切削条件的不同,从变形观点出发,可将切屑归纳为四种形态:切塑性材料带状切屑挤裂切屑单元切屑切削平稳,力波动小滑移量较大,局部切削不平稳,力波动大加工面光洁,断屑难剪应力达断裂强度加工表面粗糙少见0vac0vac0vac0vac二、切屑的形态二、切屑的形态切脆性材料 不平稳,表面粗糙 应00v va ac c第5页/共53页2 2、挤挤裂裂切切屑屑:又又称称节节状状切切屑屑。它它的的外外表表面面呈呈锯锯齿齿形形,内内表表面面有有时时有有
5、裂裂纹纹。在在切切削削速速度度较较低低、切切削削厚厚度度较较大大、刀刀具具前前角较小时常产生此类切屑。角较小时常产生此类切屑。1 1、带带状状切切屑屑:它它的的内内表表面面是是光光滑滑的的,外外表表面面呈呈毛毛茸茸状状。加加工工塑塑性性金金属属时时,在在切切削削厚厚度度较较小小、切切削削速速度度较较高高、刀刀具具前前角较大的工况条件下常形成此类切屑。角较大的工况条件下常形成此类切屑。(一)、切屑的类型(一)、切屑的类型第6页/共53页4 4、崩崩碎碎切切屑屑:加加工工脆脆性性材材料料(铸铸铁铁、青青铜铜),切切削削厚厚度度越越大越易得到这类切屑。大越易得到这类切屑。3 3、粒粒状状切切屑屑:又
6、又称称单单元元切切屑屑。在在切切屑屑形形成成过过程程中中,如如剪剪切切面面上上的的剪剪切切应应力力超超过过了了材材料料的的断断裂裂强强度度,切切屑屑单单元元从从被被切切材材料料上上脱脱落落,形形成成粒粒状切屑。状切屑。第7页/共53页(二)、切屑的形状(二)、切屑的形状1、切屑形状的分类、切屑形状的分类切屑的形状大体有带状屑、C C型屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状屑、宝塔状屑等第8页/共53页 三、积屑瘤现象三、积屑瘤现象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,常常有一些从切屑和工切削塑性金属时,在一定的切削条件下,常常有一些从切屑和工件上来的金
7、属冷焊并层积在前刀面上,形成一个非常坚硬的金属堆积物,件上来的金属冷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削,并且以一定频率生长和脱落。这种堆积物称为积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瘤。屑瘤。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,在切削速度不高切削速度不高,而,而又能又能形成带状切屑形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。的情况下生成积屑瘤。第9页/共53页积屑瘤高度及其实际工作前角第10页/共53页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
8、故,塑性材料主要是加工硬化的缘故,塑性材料切削时形成带状切削,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。第11页/共53页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,3
9、00300C C 350350C C范围内最范围内最容易产生积屑瘤,容易产生积屑瘤,500500C C以上趋于消以上趋于消失。失。第12页/共53页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,形成粒状或节状切屑,切削速度很低,形成粒状或节状切屑,没有积屑瘤生成。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提高而减小,积屑瘤随切削速度的提高而减小,当达到当达到区右边界时,积屑瘤消失。区右边界时,积屑瘤消失。区:区:切削速度进一步提高
10、,由于切削温度切削速度进一步提高,由于切削温度较高而冷焊消失,此较高而冷焊消失,此时积屑瘤不再存在了。但切屑底部的纤维化时积屑瘤不再存在了。但切屑底部的纤维化依然存在,切屑的滞留倾向也依然存在。依然存在,切屑的滞留倾向也依然存在。第13页/共53页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。第14页/共53页3.3.积屑瘤对切削过
11、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、后面和切削刃进行切削,从而保护了刀刃,减少了刀具的磨损。2)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。3)积屑瘤前端伸出切削刃外,直接影响加工尺寸精度。4)积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。第15页/共53页第二节切屑力一、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。第16页/共53页二、切屑力的产生1
12、、来自工件的切削力:工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力。2、来自切屑的切屑力:切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力。第17页/共53页三切削合力及分解和切削功率三切削合力及分解和切削功率Fp=FNcosKr;Ff=FNsinkr一般情况下,一般情况下,Fc最大,最大,Fp和和Ff小一些小一些第18页/共53页n主切削力主切削力FcFc:切削合力F在主运动方向的分力,又称切向分力。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90%以上。Fc是计算机床动力、设备的强度及刚度的基本数据。n进给抗力进给抗力FfFf:切削合力F在进给运动方向的合力,车外圆
13、时,Ff与工件的轴线相平行,因此又称轴向分力。Ff作用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F在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。Fp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曲变形,影响加工精度及工件表面质量。第19页/共53页切削功率: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: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
14、传动效率。第20页/共53页四、影响切削力的因素 影响切屑力的主要因素有:工件材料、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:一是克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力;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。第21页/共53页1.工件材料的影响工件材料的硬度或强度愈高,材料的剪切屈服强度也愈高,发生剪切变形的抗力也愈大,故切削力也愈大。在材料的强度、硬度相近的情况下,材料的塑性越大。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
15、量,故切削力较大。切削脆性材料时,一般皆为崩脆切削,从而切削与前刀面的摩擦都比较小,故其切削力相对较小。第22页/共53页2.切削用量的影响(1)切削深度和进给量的影响切削深度apap进给量f fA AD D变形抗力摩擦力切削力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。由此可见,从减小切削力和节省动力消耗的观点出发,在切除相同余量的条件下,增大f比增大ap更为有利。第23页/共53页(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,切削速度的影响分为两个阶段:有积屑瘤和无积屑瘤两个阶段。第24页/共53页切削速度是
16、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。第25页/共53页切削铸铁等脆性材料时,被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。c对切削力没有显著影响。第26页/共53页3.刀具几何参数的影响1)前角ro对切削力的影响;刀刃锋利前角g go o切削变形切削力对塑性材料对脆性材料影响较小第27页/共53页前角对切削力的影响ap=4mmf=0.25mm/r第28页/共53页2)主偏角kr对切削力的影响第29页/共53页(a)当时,主切削力F随着Kr增加而减小。(b)当时,kr大时,主切削力F随着Kr增加而增大。Kr越大,切削宽度aw越小,切削厚度ac越大,因此切削力越小。第30页/
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