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第三章 切削与磨削原理


第三章 切削与磨削原理
学习指南: 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成为切屑从而得到所需要的零件几何形状的 过程。在这一过程中,始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾,从而产生一系列现象,如切削变形、 切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。 在本章学习过程中,重点对这些现象进行研究,揭示其内在的机理,探索

和掌握金属切削过程的基本规律,从而 主动地加以有效的控制,对保证加工精度和表面质量,提高切削效率,降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意 义。 ??本章建议学时为 10 学时。 参考文献 [1] 陈日曜主编. 金属切削原理(第 2 版). 北京:机械工业出版社,1993 [2] 张幼桢主编. 金属切削理论. 北京:航空工业出版社,1988 [3] 韩荣第主编. 金属切削原理与刀具. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998 [4] 小野浩二. 理论切削工学. 东京:东京现代工学社,1979 [5] 孟少农主编. 机械加工工艺手册. 北京:机械工业出版社,1992

3.1 切屑的形成过程
学习目标: 学习目标:
本节主要讨论金属材料的切削过程,并对硬脆非金属材料的切削过程进行简单介绍。 学习本节必须研究切屑形 成过程的物理本质及其变形规律,熟悉不同切屑类型以及切屑控制方法。 3.1.1 切屑的形成过程

切屑的形成 工件上切屑层的金属材料,在刀具前刀面的推挤作用下发生了塑性变形,最后沿某一 面剪切滑移形成了切屑。

切屑形成的过程 切屑形成的过程实质是切削层受到前刀面的挤压后产生的以滑移为主的塑性变形过

程。

切屑形成过程动态演示 被切金属的受力变形分析 由图 3-2 塑性金属(紧靠刀尖前面的被切金属层及切屑)的切屑根部金相照片可知, 刀尖前面的金属晶粒变成为沿某 一方向倾斜的纤维状结构,发生了极大的剪切变形,且剪切区内的剪切线与自由表面的交角约为 45°(符合塑性力学 理论)。一般这一变形区的宽度仅为 0.02~0.2mm。切削速度愈高,宽度愈小。因此可以将变形区视为一个剪切平面, 称为剪切面,剪切面与切削速度夹角以 φ 表示,称为剪切角。如图 3-3 所示。

金属除在剪切区发生显著变形外,还形成 3 个变形区,如图 3-4 所示。

3.1.2 切屑变形程度的表示方法

剪应变 ε 切削过程中金属的塑性变形主要集中于第一变形区,且主要形 式是剪切滑移,因而其变形量可用剪应变 ε 来表示,如图 3-5 所 示。

..........(3-1) 根据图中所示的几何关系, 可导出剪应变 ε 和剪切角 φ 的关系:

.................... ...(3-2) 按此式计算,剪切角愈小,剪切变形量愈大,即切屑变形愈大。 变形系数 Λh 由于切削时金属的塑性变形,使切下的切屑厚度 hch 通常要大于 切削层厚度 hD,而切屑长度 lch 却小于切削长度 lc,如图 3-6 所示。

用切屑厚度与切削厚度之比

或切削长度与切屑长度



比来表示切屑形成时的变形程度,则有下式:

..............................(3-3)

Λh 称变形系数,Λh 愈大,说明切屑的变形程度愈大。 根据图 3.6 的几何关系,可导出 Λh 与剪切角 φ 的关系:

..............................(3-4) 可看出变形系数 Λh 越大,剪切角 φ 越小,切屑变形越大。 将式(3-4)代入式(3-2)可得变形系数 Λh 与剪应变 ε 的关系:

........................(3-5) 当 γo= 0~30°,Λh≥1.5 时,Λh 的数值与 ε 相近。 当 γo<0° 或

Λh<1.5 时,不能用 Λh 表示切屑的变形程度。

3.1.3 前刀面的挤压.刀-屑的摩擦与积屑瘤

作用在切屑上的力及各角度间的关系 (1)前刀面作用在切屑上的力有:前面垂直力 Fγn 前面切向力(即摩擦力)Fγ 它们的合力即作用力为 F。 (2)剪切面作用在切屑上的力有:剪切平面垂直力 FshN 剪切平面切向力(即剪切力)Fsh 其合力为 F0' 。 合力 F 与 F0'应相互平衡,其中 F 与 Fγn 的夹角称摩擦角 β,如图 3-7 所示。 (3)各角度间关系 合力 F 的方向为主应力方向,剪切力 Fsh 方向是最大剪应力方向。根据材料力学 F 与 Fsh 的夹角应为π/4。所

以剪切角与摩擦角有如下关系:
φ=π/4-β+γo .................................. (3-6) 由(3-6)式可知:当前角 γo 增大时,φ 角随之增大,切屑变形减小;当摩擦角 β 增大时,Φ 角随之减小,切屑变形 增大。

前刀面上刀-屑的摩擦 在切削过程中, 在刀-屑接触界面存在着很大的压力 (可达 2~ 3Gpa),而高压、高温易使刀-屑接触面间产生粘结。 切屑与前刀面之间是切屑和刀具粘结层与其上层金属之间的 内摩擦,即金属内部的剪切滑移,它与材料的剪切屈服强度和

接触面的大小有关。如图 3-8 所示。 用平均摩擦系数μ(tgβ)来描述这一摩擦情况。

...........................(3 -7) 式中 Af1 为内摩擦部分的接触面积, aγ表示该部分的平均 σ 正应力。τs 是工件材料的剪切屈服强度。 图 3-8 说明: 刀-屑接触面可分为两个区域, 一是粘结区 lf1, 另一是滑动区 lf2。 在粘结区正应力σγ很大,剪应力τs 也很大,且等于材料的剪切 屈服强度。正因为τγ=τs ,说明了此区摩擦力是来自切屑底层 金属间内部的剪切滑移,所以反映出是内摩擦,在滑动区σγ﹑

τ

γ

都很小,在刀-屑分离处减到零,所以是外摩擦。lf1 区的内摩

擦力远远大于 lf2 的外摩擦力, 因此前刀面刀-屑的摩擦可认为是 lf1 区的内摩擦。

积屑瘤 (1)积屑瘤 在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下,加工 一般钢料或其它塑性材料时,常在前刀面切削处粘有剖面 呈三角状的硬块。其硬度通常是工件材料硬度的 2~3 倍, 能够代替切削刃进行切削。这部分冷焊在前刀面的金属称 为积屑瘤。积屑瘤剖面的金相磨片见图 3-9。 (2)积屑瘤的成因 在刀-屑接触长度 lf 的 lf1 接触区间内,由于粘结作用,使 切屑底层与前刀面接触的金属被粘结在前刀面上,而切屑 从其上面流过。在被粘结金属与切屑之间又形成内摩擦, 产生加工硬化,在适当的温度与压力情况下,又有一层金 属被阻滞在已粘结的金属层上面,与其粘结成一体并逐渐 增大,便形成了积屑瘤。

(3)积屑瘤对切削过程的影响 1)使实际前角(γb)增大(如图 3-10 所示),可使切削力 减小。 2)积屑瘤的产生、成长和脱落,每秒可有几十次至几百 次,因而可引起切削振动。 3)使加工表面粗糙度增大。 4) 在积屑瘤相对稳定时, 可代替刃切削, 减少刀具磨损; 在不稳定情况下,可加剧刀具磨损。 积屑瘤的动态演示 1 积屑瘤的动态演示 2 积屑瘤的动态演示 3 3.1.4 影响切削变形的因素

工件材料 工件材料强度和硬度越大,变形系数 Lh 越小,即切屑变形越小。见图 3-11。

刀具几何参数 刀具几何参数中影响最大的是前角。 刀具前角 γo 越大, 剪切角 φ 变大, 变形系数 Lh 就越小(见图 3-12)。

切削用量 (1)无积屑瘤的情况 图 3-13 说明: 1)当切削速度高于切屑塑性变形速度时,金属在始滑移线上尚 未来得及变形就流动到 OA′线上, 也就是始滑移线 OA 后移到 OA′ 线,从而使得剪切角 φ 增大,变形系数Λh 变小。 2)随着切削速度 vc 的提高,切削温度升高,切屑底层金属的

τs 下降, 摩擦系数减小, 也使剪切角 φ 增大, 变形系数Λh 减小。
切削速度 vc 越高,变形系数 Λh 越小,如图 3-13 和图 3-14 所示。

进给量 f 越大,hD 增大,前刀面上的 σav 增大,摩擦系数减小,剪切角 φ 加大,变形系数 Λh 越小。如图 3-15 所示。

(2)有积屑瘤的情况 图 3-14 说明: 在积屑瘤生长区(vc<22m/min),随着 vc 升高积屑瘤逐渐长大,使得γb 增大,当γb 达到最大时,即γoe 达最大,使 剪切角增到最大,变形系数 Λh 减至最小;在积屑瘤消退区(vc=22m/min~84m/min),vc 再升高,积屑瘤逐渐脱落,γb 逐 渐减小,直至积屑瘤完全消失。当γoe = 降,? 下降,φ 增大,Λh 减小。

γ

0

时,变形系数 Λh 又增至最大。vc>84m/min 为无瘤区,vc 升高,τs 下

vc 通过积屑瘤前角 γb(即实际工作前角 γoe)来影响变形系数 Λh,如图 3-14 所示。 背吃刀量 ap 对变形系数 Λh 基本无影响。


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