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1、工作项目二 金属切削加工中的主要现象及规律,任务1 切削中的变形 任务2 切屑的种类及断屑 任务3 积屑瘤、加工硬化任务4 切削力与切削热 任务5 刀具磨损与刀具耐用度,任务1 切削中的变形,一、任务引入 二、任务分析 三、相关知识,金属切削过程是指从工件表面切除多余金属形成已加工表面的过程，即切屑的形成过程。伴随着切屑的形成，产生切削变形、积屑瘤、表面硬化、切削力、切削热和刀具磨损等现象。本任务将从加工现象出发，认识切削加工的本质和规律，以帮助大家更合理地使用刀具和机床，保证切削加工质量，减小能量消耗，提高生产效率。,知识点切削加工中的主要现象。3个变形区。技能点熟悉3个变形区。,任务1 切
2、削中的变形,一、任务引入 如图所示，在切削加工过程中，随着切削层在刀具作用下变成切屑的同时将伴随有各种现象。这些现象的出现均源于加工过程中的变形。那么，在切削加工过程中，到底发生了怎样的变形？如何去衡量这些变形呢？,金属的切削加工,二、任务分析 金属切削加工过程是在刀具作用下进行的，因为刀具的作用，在刀具切削刃附近必然存在变形和不同的变形区域。由于被切削材料的性能及刀具几何参数的不同，造成了切屑变形的巨大差异，并且在切削加工中出现了多种物理现象，例如形成各种切屑、产生积屑瘤和刀具磨损等。这些现象的出现对切削加工必然产生相应的影响，例如降低表面质量和加剧刀具磨损等。为了满足加工要求，必须对加工中
3、的变形进行严格的控制，这就要求我们了解切削加工的本质和现象，熟悉加工中的变形规律。,任务1 切削中的变形,三、相关知识(一)切屑的形成 如图所示是在直角自由切削情况下的切屑形成过程。当切削层金属接近始滑移面OA时，将产生弹性变形。进入OA以后，内部切应力达到材料的屈服点，此时将产生塑性变形，即产生金属晶格的一部分与另一部分的相对滑移。如图中质点P由点1向前移动的同时，将沿OA面滑移，其合成运动使点1流动到点2。22就是该滑移量。还有33、44等滑移量。,随着滑移量的不断增加，变形逐渐强化，切应力也逐渐增大。在终滑移面OM上，切应力和切应变达到最大值，滑移变形基本结束。如图(b)所示是切屑形成的
4、示意图。将金属材料的被切层看作一叠卡片，如1、2、3、4、5等，当刀具切入时，卡片被推移到1、2、3、4、5等位置，卡片之间发生相对滑移，滑移方向就是最大切应力的剪切面。,任务1 切削中的变形,切屑形成过程,金属切削变形过程-紫铜材料录像,在实用条件下，剪切区一般很窄，在0.020.2mm之间。【知识链接】由工程力学和金属材料学知识可以知道，塑性金属材料在受压缩或拉伸时，随着外力增加，金属将相继产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，最终断裂。,任务1 切削中的变形,(二)金属切削过程中的变形 对塑性金属进行切削时，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。根据切削过程中整个切削区域金属材
5、料的变形特点，可将刀具切削刃附近的切削层划分为3个变形区，如图所示。第一变形区是在切削刃前面的切削层内的区域；第二变形区是在切屑底层与前刀面的接触区域；第三变形区发生在后刀面与工件已加工表面接触的区域。但这3个变形区并非绝然分开、互不相关，而是相互关联、相互影响、相互渗透。下面将分别介绍3个变形区的变形特点。,任务1 切削中的变形,图 切削时的三个变形区,1.第一变形区1)变形特点 第一变形区是指在切削层内产生剪切滑移的塑性变形区，切削过程中的塑性变形主要发生在这里，所以它是主要变形区。由于此变形区一般是很窄的，因此在实际中常用一个剪切面OM 来代替。如图所示的OM 剪切面。根据材料力学可知，
6、剪切滑移产生在切应力最大的平面OM 上，它和作用力F方向间的夹角为。通常把切削速度vc与剪切面OM 间的夹角称为剪切角。,任务1 切削中的变形,剪切角,剪切角可按下式计算：式中 剪切角；摩擦角，即切削合力F与前刀面垂直力FN之间的夹角；ro前角。2)变形程度的衡量金属切削过程中的许多物理现象都与切削过程中的变形程度大小直接有关。衡量切削变形程度大小的方法有多种，实用中较常用也较方便的是用变形系数来衡量变形程度大小。,任务1 切削中的变形,如图所示，切削层经过剪切滑移变形变为切屑，其长度lc比切削层长度l短，厚度hch比切削层厚度hD厚，而宽度基本相等(设为bD)。设金属材料在变形前后体积不变，
7、则,于是变形系数为,任务1 切削中的变形,变形系数,当工件材料相同而切削条件不同时，值越大说明塑性变形大；当切削条件相同而工件材料不同时，值愈大说明材料塑性大。在应用中，切削层的长度l为已知，只要用细钢丝量出切屑的长度lc，便可计算出变形系数。这个方法很简便，但也很较粗略。变形程度大小的衡量还可由相对滑移或剪切角大小来衡量。【知识链接】实验证明，第一变形区的厚度随着切削速度增大而变薄。一般情况下，其厚度仅为0.020.2mm，故可用一个平面来表示。,任务1 切削中的变形,2.第二变形区 当切屑沿前刀面流出时，切屑在与前刀面接触的区域，与前刀面挤压摩擦，进一步产生剪切滑移，这就是第二变形区。在第
8、二变形区内，沿前刀面流出的切屑，其底层受到刀具的挤压和接触面间强烈的摩擦，继续进行剪切滑移变形，使切屑底层的晶粒趋向与前刀面平行而成纤维状，其接近前刀面部分的切屑流动速度降低。这层流速较慢的金属层称为滞流层。在高温和高压的作用下，变软的切屑底层的滞流层会嵌入凹凸不平的前刀面的平面中，形成全面积接触，阻力增大，滞流层底层的流动速度趋于零，此时产生粘结现象，这个区域称为粘结区(如图所示的lf1)。,任务1 切削中的变形,前刀面上的摩擦,当切屑继续沿前刀面流动时，粘结区内的摩擦现象不是发生在切屑底层与前刀面之间，而是发生在滞流层内部，滞流层内部金属材料的剪切滑移(切应力大于或等于金属材料的屈服强度s
9、)代替了切屑底层与前刀面之间的相对滑移，这种摩擦称为内摩擦。在粘结区以外的范围内，如图所示的lf2，由于切削温度降低，切屑底层金属塑性变形减小，切屑与前刀面接触面积减少，进入滑动区。该区域的摩擦称为滑动摩擦，即外摩擦。,任务1 切削中的变形,【知识链接】第二变形区由粘结区和滑动区组成。实验证明：粘结区产生的摩擦力远超过滑动区的摩擦力，即第二变形区的摩擦特性应以粘结摩擦(内摩擦)为主。,已加工表面变形,任务1 切削中的变形,3、第三变形区 工件已加工表面和刀具后刀面的接触区域，称为第三变形区。如图所示，切削刀具刃口并不是非常锋利的，而存在刃口圆弧半径rn，切削层在刃口钝圆部分O 处存在复杂的应力
10、状态。,切削层金属经剪切滑移后沿前刀面流出成为切屑，O点之下的一层薄金属hD不能沿OM方向剪切滑移，被刃口向前推挤或被压向已加工表面，这部分金属首先受到压应力。此外，由于刃口磨损产生后角为零的小棱面BE及已加工表面的弹性恢复EF(h)，被挤压的hD层再次受到后刀面的拉伸摩擦作用，进一步产生塑性变形。【知识链接】已加工表面是经过多次复杂的变形而形成的。它存在着表面加工硬化和表面残余应力。,练习与思考1.金属切削过程中的主要现象有哪些？2.怎样划分金属切削变形区？3.在第一变形区里发生什么样的变形？,任务1 切削中的变形,任务2 切屑的种类及断屑,一、任务引入 二、任务分析 三、相关知识,知识点各
11、种切屑的特征及产生条件。切屑断裂的原因及断屑措施。技能点熟练应用断屑方法。,任务2 切屑的种类及断屑,一、任务引入 在车床上以0.20mm/r的进给量，100m/min的切削速度，一刀粗车(加工余量为6mm)某中碳钢工件时，出现了不易折断的带状切屑，严重影响了加工的进行。针对这种情况，如何才能有效地断屑呢？,任务2切屑的种类及断屑,二、任务分析 通过前面的学习已经知道，切削过程中的金属切削层材料，在经过第一变形区的塑性变形后转变成切屑，从前刀面上流出。当加工时产生连绵不断的带状切屑时，不仅容易划伤工件加工表面和损坏刀刃，严重时还会威胁到操作者的安全。所以，采取必要的工艺措施，控制屑型和断屑一直
12、是机械加工中极为重要的工艺问题。由于切屑是切削层变形的产物，所以，改变切削加工条件是改变切屑种类、实现断屑的有效途径，而影响切削加工条件的因素主要包括工件材料、刀具几何角度及切削用量等。,任务2 切屑的种类及断屑,通过本任务的学习，一是要掌握决定切屑种类及形状的因素；二是要掌握在实际加工中行之有效的断屑措施，并加以灵活使用。,任务2 切屑的种类及断屑,三、相关知识(一)切屑的种类及形状1.带状切屑 切屑的外形呈带状，与前刀面接触的底面光滑，外表面为毛茸状。通常加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时得到带状切屑。形成这种切屑时，切削过程平稳、切削力波动较小、已加工表面粗糙度
13、较小，但带状切屑会缠绕工件和刀具等，需采取断屑措施。,任务2切屑的种类及断屑,带状切屑,金属切削变形过程-紫铜材料带壮切屑录像,挤裂切屑,2.挤裂切屑 又称节状切屑，外形与带状切屑相似，外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹，但变形程度比带状切屑大。这种切屑是在加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时得到的。此时切削力波动较大，切削过程中产生一定的振动，已加工表面较粗糙。,3.单元切屑又称粒状切屑，加工塑性较差的金属材料时，在挤裂切屑基础上将切削厚度进一步增大，切削速度和前角进一步减小，使剪切裂纹进一步扩展而断裂成梯形状的单元切屑。,任务2 切屑的种类及断屑,单元切屑,球墨铸铁的
14、切削变形过程-形成典型的单元切屑录像,钛合金的切削变形过程-形成典型的单元切屑录像,以上3种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在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。切屑的形态是可以随切削条件而转化的，掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。,任务2 切屑的种类及断屑,崩碎切屑,4.崩碎切屑 切削铸铁等脆性金属材料时，由于材料的塑性差、抗拉强度低，切削层往往未经塑性变形就产生了脆性崩裂，形成不规则的崩碎状的切屑。此时切削力波动很大，有冲击载荷，已加工表面凹凸不平。由于它的切
15、削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。,切削厚度变化对各种材料切削形态的影响录像,灰铸铁切削时的切屑类型-崩碎切屑录像,低碳钢切削时刀具前角变化对切屑类型的影响录像,【知识链接】以上4种切屑中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑和崩碎切屑的切削力波动最大。在生产中，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，崩碎切屑只出现在脆性材料切削过程中。,(二)断屑方法 切屑断与不断的根本原因在于切屑的形成过程中的变形和应力，当切屑处于不稳定的状态或切削应力达到其强度极限时，就会断屑，通常切屑是卷曲后
16、折断的。任务引入实例中带状切屑不易折断的原因就在于其弯曲变形不足、应力过小。工件材料、刀具角度和切削用量等都是影响断屑的因素。合理选择刀具几何角度、切削用量、磨断屑槽则是常用的断屑方法。,任务2 切屑的种类及断屑,针对任务引入的实例，可以有多种措施解决断屑问题，其中最简单易行的措施就是增大进给量。本例中，当将进给量提高到0.4mm/r时，就实现了断屑。1.减小前角、增大主偏角 前角和主偏角是对断屑影响较大的刀具几何角度。增大前角，切削变形小，不易断屑；减小前角，加剧切屑变形，易于断屑。由于将前角磨小会增大切削力，限制切削用量的提高，严重时会损坏刀具，甚至“闷车”，所以一般不单纯采用减小前角来断
17、屑。,任务2 切屑的种类及断屑,增大主偏角可增大切削厚度，易于断屑。例如，同样条件下90刀就比45刀容易断屑。另外，增大主偏角有利于减小加工中的振动。所以，增大主偏角是一种行之有效的断屑方法。2.减小切削速度、增大进给量 改变切削用量是断屑的另一措施。增大切削速度，切屑底层金属变软且切屑变形不充分，不利于断屑；减小切削速度，反而容易断屑。因此，在车削时，可通过降低主轴转速，减小切削速度来断屑。,任务2 切屑的种类及断屑,增大进给量可增大切屑厚度，易于断屑。这是加工中经常采用的一种断屑手段，不过应当注意，随着进给量的增大，工件表面粗糙度值将会明显增大。车削加工时，往往有这样的情况，有时吃刀深了不
18、断屑，吃刀稍浅一点就能断屑。这是因为当背吃刀量增大时，切削宽度随之增大，薄而宽的切削变形和应力小，不易折断。当背吃刀量浅时，切屑变得短而厚、变形和应力大，容易折断。但是如果背吃刀量过小，切屑的截面积减小、应力小，也不容易断屑。,任务2切屑的种类及断屑,不难发现，适当调整切削用量或改变刀具几何角度确实能解决断屑问题，但这样做有时会影响到切削用量和刀具几何角度的合理性，从而造成加工效率和刀具寿命的明显降低。目前，普遍采用在刀具上磨制断屑槽的方法强制断屑。3.开设断屑槽 断屑槽是指在刀具前刀面上做出的槽，有折线形、直线圆弧形、全圆弧形3种槽型，如图所示。,任务2 切屑的种类及断屑,图 断屑槽的类型,
19、任务2 切屑的种类及断屑,切削碳素钢、合金钢、工具钢时，可选用折线形、直线圆弧形断屑槽；切削高塑性材料工件时，如纯铜和不锈钢工件等，可选用全圆弧形断屑槽。断屑槽的宽度LBn、反屑角Bn、斜角是影响断屑的主要参数。不难理解，宽度LBn减小，反屑角Bn增大，均易于断屑。但应注意，如果宽度LBn过小，反屑角Bn增大，容易堵屑。通常宽度LBn按下式初选：,任务2 切屑的种类及断屑,反屑角Bn按槽型选择：折线槽60-70 直线槽40-50 全圆弧槽30-40 当背吃刀量ap=26mm时，一般取断屑槽的圆弧半径rBn=(0.40.7)LBn。断屑槽斜角是断屑槽侧边与主切削刃之间的夹角，一般在515范围内选
20、取。断屑槽斜角有外斜式、平行式、内斜式3种形式，如图所示。外斜式的主要特点是：断屑槽的宽度前宽后窄，断屑槽深度前深后浅；内斜式则相反；平行式断屑槽前后等宽、等深。,任务2 切屑的种类及断屑,图 断屑槽斜角,任务2切屑的种类及断屑,外斜式断屑槽易形成“C”形或“6”形切屑，断屑范围较宽，断屑稳定可靠，但背吃刀量较大时，容易产生堵屑，甚至会损坏刀刃，适合于背吃刀量不太大的场合。平行式断屑槽的断屑范围和效果与外斜式断屑槽相近，但背吃刀量的变动范围较大时，宜采用平行式，但进给量应稍大；内斜式断屑槽易形成卷得很紧的螺旋状切屑，这种切屑到一定长度后靠自身的重量摔断，是一种较为理想的切屑形状，但断屑范围小，主要用于切削用量较小的半精加工和精加工。,任务2 切屑的种类及断屑,只有处理好断屑槽与切削用量的关系，才能有良好的断屑效果。粗车时，吃刀深、走刀大，断屑槽要磨得宽、浅一点；精车时，吃刀浅，走刀小，切削速度大，断屑槽要磨得窄、深一点。练习与思考1.切屑在哪个变形区形成？加工塑性材料出现的切屑种类有哪些？各自的产生条件是什么？2.为什么车削加工中不宜形成单元或崩碎切屑？3.为什么不可忽视塑性材料切削时的断屑问题？,任务2 切屑的种类及断屑,
