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金属切削层的变形

[目录][上一层][金属切削层的变形][切屑的类型及控制][切削力][切削热和切削温度] [刀具的磨损与破损、刀具寿命及刀具状态监控][金属切削过程基本规律的应用][切削用量的合理选择及提高切削用量的途径][磨削机理]

一、切屑形成过程及变形区的划分 (见P19)

1、切削变形   金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。
2、变形区的划分  大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。

三个变形区
3、切屑的形成及变形特点 (见P20)
1） 第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形
    切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。

切屑形成过程
    在左图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第—变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第—变形区，AB面亦称为剪切面。
    剪切面AB与切削速度Vc之间的夹角 称为剪切角。作用力Fr与切削速度Vc之间的夹角ω称为作用角。
    第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。
2） 第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形
    经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。
    应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。
3） 第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形
    已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。
 二、切削变形程度的度量方法
1、相对滑移ε
   相对滑移ε是用来量度第1变形区滑移变形的程度。如右图，设切削层中A'B'线沿剪切面滑移至A"B"时的距离为△y，事实上△y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为△s。则相对滑移ε表示为：

相对滑移
2、变形系数∧h
    变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。
    变形系数∧h表示切屑收缩的程度，即

    从上图可知，剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减短，切屑厚度hch减小，故∧h变小。它们之间的关系如下：

    从上面两个公式可知，剪切角与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。
    注意：由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而ε值主要从剪切变形考虑；而∧h主要从塑性压缩方面分析。所以，ε与∧h都只能近似地表示切削变形程度。
三、剪切角的确定
    剪切角是影响切削变形的一个重要因素。若能预测剪切角的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角的计算式。
其中，按最少能量原则来确定剪切角的计算式为：

按最大剪应力的理论，求出剪切角计算式为：

    从上面公式可看出：与γ0、β有关。增大前角γ0、减小摩擦角β，使剪切角增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。
    从上面公式也可看出：第2变形区产生的摩擦对第1变形区剪切变形的影响规律。
四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响(见P24)

    在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。
1、积屑瘤是如何形成的?           
1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。
2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。
3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。
4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。
2、形成积屑瘤的条件：
   主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。
1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；
2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。
3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。

3、积屑瘤对切削过程的影响
1）实际前角增大
    它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。
2）使加工表面粗糙度增大
    积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。
3）对刀具寿命的影响
   积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。

4、防止积屑瘤的主要方法
1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；
2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；
3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；
4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；
5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。

五、切削变形变化规律
    从相对滑移ε、变形系数∧h计算式中可知，剪切角与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。
1、前角：增大前角γ0，使剪切角增大，变形系数∧h减小，因此，切削变形减小。
    生产实践表明：采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力。
2、切削速度：切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。切削速度Vc对变形系数的影响
3、进给量：进给量f增大，使变形系数∧h减小。进给量f对切削变形的影响规律
4、工件材料：工件材料硬度、强度提高，切削变形减少。