工作項(xiàng)目二--金屬切削加工中的主要現(xiàn)象及規(guī)律課件

1、工作項(xiàng)目二 金屬切削加工中的主要現(xiàn)象及規(guī)律任務(wù)1 切削中的變形 任務(wù)2 切屑的種類及斷屑 任務(wù)3 積屑瘤、加工硬化任務(wù)4 切削力與切削熱 任務(wù)5 刀具磨損與刀具耐用度任務(wù)1 切削中的變形 一、任務(wù)引入 二、任務(wù)分析 三、相關(guān)知識(shí) 金屬切削過(guò)程是指從工件表面切除多余金屬形成已加工表面的過(guò)程，即切屑的形成過(guò)程。伴隨著切屑的形成，產(chǎn)生切削變形、積屑瘤、表面硬化、切削力、切削熱和刀具磨損等現(xiàn)象。 本任務(wù)將從加工現(xiàn)象出發(fā)，認(rèn)識(shí)切削加工的本質(zhì)和規(guī)律，以幫助大家更合理地使用刀具和機(jī)床，保證切削加工質(zhì)量，減小能量消耗，提高生產(chǎn)效率。知識(shí)點(diǎn)切削加工中的主要現(xiàn)象。3個(gè)變形區(qū)。技能點(diǎn)熟悉3個(gè)變形區(qū)。任務(wù)1 切削中的

2、變形一、任務(wù)引入 如圖所示，在切削加工過(guò)程中，隨著切削層在刀具作用下變成切屑的同時(shí)將伴隨有各種現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)均源于加工過(guò)程中的變形。那么，在切削加工過(guò)程中，到底發(fā)生了怎樣的變形？如何去衡量這些變形呢？金屬的切削加工二、任務(wù)分析 金屬切削加工過(guò)程是在刀具作用下進(jìn)行的，因?yàn)榈毒叩淖饔?，在刀具切削刃附近必然存在變形和不同的變形區(qū)域。由于被切削材料的性能及刀具幾何參數(shù)的不同，造成了切屑變形的巨大差異，并且在切削加工中出現(xiàn)了多種物理現(xiàn)象，例如形成各種切屑、產(chǎn)生積屑瘤和刀具磨損等。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)切削加工必然產(chǎn)生相應(yīng)的影響，例如降低表面質(zhì)量和加劇刀具磨損等。為了滿足加工要求，必須對(duì)加工中的變形進(jìn)行嚴(yán)

3、格的控制，這就要求我們了解切削加工的本質(zhì)和現(xiàn)象，熟悉加工中的變形規(guī)律。任務(wù)1 切削中的變形三、相關(guān)知識(shí)(一) 切屑的形成 如圖所示是在直角自由切削情況下的切屑形成過(guò)程。當(dāng)切削層金屬接近始滑移面OA時(shí)，將產(chǎn)生彈性變形。進(jìn)入OA以后，內(nèi)部切應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，此時(shí)將產(chǎn)生塑性變形，即產(chǎn)生金屬晶格的一部分與另一部分的相對(duì)滑移。如圖中質(zhì)點(diǎn)P由點(diǎn)1向前移動(dòng)的同時(shí)，將沿OA面滑移，其合成運(yùn)動(dòng)使點(diǎn)1流動(dòng)到點(diǎn)2。22就是該滑移量。還有33、44等滑移量。 隨著滑移量的不斷增加，變形逐漸強(qiáng)化，切應(yīng)力也逐漸增大。在終滑移面OM上，切應(yīng)力和切應(yīng)變達(dá)到最大值，滑移變形基本結(jié)束。如圖(b)所示是切屑形成的示意圖。將金屬

4、材料的被切層看作一疊卡片，如1、2、3、4、5等，當(dāng)?shù)毒咔腥霑r(shí)，卡片被推移到1、2、3、4、5等位置，卡片之間發(fā)生相對(duì)滑移，滑移方向就是最大切應(yīng)力的剪切面。任務(wù)1 切削中的變形切屑形成過(guò)程 金屬切削變形過(guò)程-紫銅材料錄像 在實(shí)用條件下，剪切區(qū)一般很窄，在0.020.2mm之間?！局R(shí)鏈接】 由工程力學(xué)和金屬材料學(xué)知識(shí)可以知道，塑性金屬材料在受壓縮或拉伸時(shí)，隨著外力增加，金屬將相繼產(chǎn)生彈性變形、塑性變形，并使金屬晶格產(chǎn)生滑移，最終斷裂。任務(wù)1 切削中的變形(二) 金屬切削過(guò)程中的變形 對(duì)塑性金屬進(jìn)行切削時(shí)，切屑的形成過(guò)程就是切削層金屬的變形過(guò)程。根據(jù)切削過(guò)程中整個(gè)切削區(qū)域金屬材料的變形特點(diǎn)，可將

5、刀具切削刃附近的切削層劃分為3個(gè)變形區(qū)，如圖所示。 第一變形區(qū)是在切削刃前面的切削層內(nèi)的區(qū)域；第二變形區(qū)是在切屑底層與前刀面的接觸區(qū)域；第三變形區(qū)發(fā)生在后刀面與工件已加工表面接觸的區(qū)域。但這3個(gè)變形區(qū)并非絕然分開、互不相關(guān)，而是相互關(guān)聯(lián)、相互影響、相互滲透。下面將分別介紹3個(gè)變形區(qū)的變形特點(diǎn)。任務(wù)1 切削中的變形圖 切削時(shí)的三個(gè)變形區(qū) 1. 第一變形區(qū)1) 變形特點(diǎn) 第一變形區(qū)是指在切削層內(nèi)產(chǎn)生剪切滑移的塑性變形區(qū)，切削過(guò)程中的塑性變形主要發(fā)生在這里，所以它是主要變形區(qū)。 由于此變形區(qū)一般是很窄的，因此在實(shí)際中常用一個(gè)剪切面OM 來(lái)代替。如圖所示的OM 剪切面。根據(jù)材料力學(xué)可知，剪切滑移產(chǎn)生在

6、切應(yīng)力最大的平面OM 上，它和作用力F方向間的夾角為 。通常把切削速度vc與剪切面OM 間的夾角稱為剪切角。任務(wù)1 切削中的變形 剪切角 剪切角可按下式計(jì)算：式中 剪切角；摩擦角，即切削合力F與前刀面垂直力FN之間的夾角；ro前角。2) 變形程度的衡量金屬切削過(guò)程中的許多物理現(xiàn)象都與切削過(guò)程中的變形程度大小直接有關(guān)。衡量切削變形程度大小的方法有多種，實(shí)用中較常用也較方便的是用變形系數(shù)來(lái)衡量變形程度大小。任務(wù)1 切削中的變形 如圖所示，切削層經(jīng)過(guò)剪切滑移變形變?yōu)榍行?，其長(zhǎng)度lc比切削層長(zhǎng)度l短，厚度hch比切削層厚度hD厚，而寬度基本相等(設(shè)為bD)。設(shè)金屬材料在變形前后體積不變，則于是變形系數(shù)

7、為任務(wù)1 切削中的變形 變形系數(shù) 當(dāng)工件材料相同而切削條件不同時(shí)，值越大說(shuō)明塑性變形大；當(dāng)切削條件相同而工件材料不同時(shí)，值愈大說(shuō)明材料塑性大。 在應(yīng)用中，切削層的長(zhǎng)度l為已知，只要用細(xì)鋼絲量出切屑的長(zhǎng)度lc，便可計(jì)算出變形系數(shù)。這個(gè)方法很簡(jiǎn)便，但也很較粗略。變形程度大小的衡量還可由相對(duì)滑移或剪切角大小來(lái)衡量。 【知識(shí)鏈接】 實(shí)驗(yàn)證明，第一變形區(qū)的厚度隨著切削速度增大而變薄。一般情況下，其厚度僅為0.020.2mm，故可用一個(gè)平面來(lái)表示。任務(wù)1 切削中的變形2. 第二變形區(qū) 當(dāng)切屑沿前刀面流出時(shí)，切屑在與前刀面接觸的區(qū)域，與前刀面擠壓摩擦，進(jìn)一步產(chǎn)生剪切滑移，這就是第二變形區(qū)。在第二變形區(qū)內(nèi)，沿

8、前刀面流出的切屑，其底層受到刀具的擠壓和接觸面間強(qiáng)烈的摩擦，繼續(xù)進(jìn)行剪切滑移變形，使切屑底層的晶粒趨向與前刀面平行而成纖維狀，其接近前刀面部分的切屑流動(dòng)速度降低。這層流速較慢的金屬層稱為滯流層。 在高溫和高壓的作用下，變軟的切屑底層的滯流層會(huì)嵌入凹凸不平的前刀面的平面中，形成全面積接觸，阻力增大，滯流層底層的流動(dòng)速度趨于零，此時(shí)產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，這個(gè)區(qū)域稱為粘結(jié)區(qū)(如圖所示的lf1)。任務(wù)1 切削中的變形前刀面上的摩擦 當(dāng)切屑繼續(xù)沿前刀面流動(dòng)時(shí)，粘結(jié)區(qū)內(nèi)的摩擦現(xiàn)象不是發(fā)生在切屑底層與前刀面之間，而是發(fā)生在滯流層內(nèi)部，滯流層內(nèi)部金屬材料的剪切滑移(切應(yīng)力大于或等于金屬材料的屈服強(qiáng)度s)代替了切屑底層

9、與前刀面之間的相對(duì)滑移，這種摩擦稱為內(nèi)摩擦。在粘結(jié)區(qū)以外的范圍內(nèi)，如圖所示的lf2，由于切削溫度降低，切屑底層金屬塑性變形減小，切屑與前刀面接觸面積減少，進(jìn)入滑動(dòng)區(qū)。該區(qū)域的摩擦稱為滑動(dòng)摩擦，即外摩擦。任務(wù)1 切削中的變形【知識(shí)鏈接】 第二變形區(qū)由粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)組成。實(shí)驗(yàn)證明：粘結(jié)區(qū)產(chǎn)生的摩擦力遠(yuǎn)超過(guò)滑動(dòng)區(qū)的摩擦力，即第二變形區(qū)的摩擦特性應(yīng)以粘結(jié)摩擦(內(nèi)摩擦)為主。已加工表面變形任務(wù)1 切削中的變形3、第三變形區(qū) 工件已加工表面和刀具后刀面的接觸區(qū)域，稱為第三變形區(qū)。 如圖所示，切削刀具刃口并不是非常鋒利的，而存在刃口圓弧半徑rn，切削層在刃口鈍圓部分O 處存在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。 切削層金屬經(jīng)剪

10、切滑移后沿前刀面流出成為切屑，O點(diǎn)之下的一層薄金屬hD不能沿OM方向剪切滑移，被刃口向前推擠或被壓向已加工表面，這部分金屬首先受到壓應(yīng)力。此外，由于刃口磨損產(chǎn)生后角為零的小棱面BE及已加工表面的彈性恢復(fù)EF(h)，被擠壓的hD層再次受到后刀面的拉伸摩擦作用，進(jìn)一步產(chǎn)生塑性變形。 【知識(shí)鏈接】 已加工表面是經(jīng)過(guò)多次復(fù)雜的變形而形成的。它存在著表面加工硬化和表面殘余應(yīng)力。練習(xí)與思考1. 金屬切削過(guò)程中的主要現(xiàn)象有哪些？2. 怎樣劃分金屬切削變形區(qū)？3. 在第一變形區(qū)里發(fā)生什么樣的變形？任務(wù)1 切削中的變形任務(wù)2 切屑的種類及斷屑 一、任務(wù)引入 二、任務(wù)分析 三、相關(guān)知識(shí) 知識(shí)點(diǎn)各種切屑的特征及產(chǎn)生

11、條件。切屑斷裂的原因及斷屑措施。技能點(diǎn)熟練應(yīng)用斷屑方法。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑一、任務(wù)引入 在車床上以0.20mm/r的進(jìn)給量，100m/min的切削速度，一刀粗車(加工余量為6mm)某中碳鋼工件時(shí)，出現(xiàn)了不易折斷的帶狀切屑，嚴(yán)重影響了加工的進(jìn)行。針對(duì)這種情況，如何才能有效地?cái)嘈寄?？任?wù)2切屑的種類及斷屑二、任務(wù)分析 通過(guò)前面的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道，切削過(guò)程中的金屬切削層材料，在經(jīng)過(guò)第一變形區(qū)的塑性變形后轉(zhuǎn)變成切屑，從前刀面上流出。當(dāng)加工時(shí)產(chǎn)生連綿不斷的帶狀切屑時(shí)，不僅容易劃傷工件加工表面和損壞刀刃，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅到操作者的安全。所以，采取必要的工藝措施，控制屑型和斷屑一直是機(jī)械加工中極為重要的工藝

12、問(wèn)題。由于切屑是切削層變形的產(chǎn)物，所以，改變切削加工條件是改變切屑種類、實(shí)現(xiàn)斷屑的有效途徑，而影響切削加工條件的因素主要包括工件材料、刀具幾何角度及切削用量等。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑通過(guò)本任務(wù)的學(xué)習(xí)，一是要掌握決定切屑種類及形狀的因素；二是要掌握在實(shí)際加工中行之有效的斷屑措施，并加以靈活使用。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑三、相關(guān)知識(shí)(一) 切屑的種類及形狀1. 帶狀切屑 切屑的外形呈帶狀，與前刀面接觸的底面光滑，外表面為毛茸狀。通常加工塑性金屬材料，切削厚度較小，切削速度較高，刀具前角較大時(shí)得到帶狀切屑。形成這種切屑時(shí)，切削過(guò)程平穩(wěn)、切削力波動(dòng)較小、已加工表面粗糙度較小，但帶狀切屑會(huì)纏繞工件和刀

13、具等，需采取斷屑措施。任務(wù)2切屑的種類及斷屑帶狀切屑金屬切削變形過(guò)程-紫銅材料帶壯切屑錄像擠裂切屑 2 .擠裂切屑 又稱節(jié)狀切屑，外形與帶狀切屑相似，外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時(shí)有裂紋，但變形程度比帶狀切屑大。這種切屑是在加工塑性金屬材料，切削厚度較大，切削速度較低，刀具前角較小時(shí)得到的。此時(shí)切削力波動(dòng)較大，切削過(guò)程中產(chǎn)生一定的振動(dòng)，已加工表面較粗糙。 3. 單元切屑又稱粒狀切屑，加工塑性較差的金屬材料時(shí)，在擠裂切屑基礎(chǔ)上將切削厚度進(jìn)一步增大，切削速度和前角進(jìn)一步減小，使剪切裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展而斷裂成梯形狀的單元切屑。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑單元切屑球墨鑄鐵的切削變形過(guò)程-形成典型的單元切屑錄像鈦合

14、金的切削變形過(guò)程-形成典型的單元切屑錄像 以上3種切屑只有在加工塑性材料時(shí)才可能得到。其中，帶狀切屑的切削過(guò)程最平穩(wěn)，單元切屑的切削力波動(dòng)最大。在生產(chǎn)中最常見的是帶狀切屑，有時(shí)得到擠裂切屑，單元切屑則很少見。切屑的形態(tài)是可以隨切削條件而轉(zhuǎn)化的，掌握了它的變化規(guī)律，就可以控制切屑的變形、形態(tài)和尺寸，以達(dá)到卷屑和斷屑的目的。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑崩碎切屑4. 崩碎切屑 切削鑄鐵等脆性金屬材料時(shí)，由于材料的塑性差、抗拉強(qiáng)度低，切削層往往未經(jīng)塑性變形就產(chǎn)生了脆性崩裂，形成不規(guī)則的崩碎狀的切屑。此時(shí)切削力波動(dòng)很大，有沖擊載荷，已加工表面凹凸不平。由于它的切削過(guò)程很不平穩(wěn)，容易破壞刀具，也有損于機(jī)床，已

15、加工表面又粗糙，因此在生產(chǎn)中應(yīng)力求避免。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到這類切屑。切削厚度變化對(duì)各種材料切削形態(tài)的影響錄像灰鑄鐵切削時(shí)的切屑類型-崩碎切屑錄像低碳鋼切削時(shí)刀具前角變化對(duì)切屑類型的影響錄像【知識(shí)鏈接】 以上4種切屑中，帶狀切屑的切削過(guò)程最平穩(wěn)，單元切屑和崩碎切屑的切削力波動(dòng)最大。在生產(chǎn)中，最常見的是帶狀切屑，有時(shí)得到擠裂切屑，單元切屑則很少見，崩碎切屑只出現(xiàn)在脆性材料切削過(guò)程中。 (二) 斷屑方法 切屑斷與不斷的根本原因在于切屑的形成過(guò)程中的變形和應(yīng)力，當(dāng)切屑處于不穩(wěn)定的狀態(tài)或切削應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)斷屑，通常切屑是卷曲后折斷的。 任務(wù)引入實(shí)例中帶狀切屑不易折斷的原因就在

16、于其彎曲變形不足、應(yīng)力過(guò)小。 工件材料、刀具角度和切削用量等都是影響斷屑的因素。合理選擇刀具幾何角度、切削用量、磨斷屑槽則是常用的斷屑方法。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑 針對(duì)任務(wù)引入的實(shí)例，可以有多種措施解決斷屑問(wèn)題，其中最簡(jiǎn)單易行的措施就是增大進(jìn)給量。本例中，當(dāng)將進(jìn)給量提高到0.4mm/r時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了斷屑。1. 減小前角、增大主偏角 前角和主偏角是對(duì)斷屑影響較大的刀具幾何角度。增大前角，切削變形小，不易斷屑；減小前角，加劇切屑變形，易于斷屑。由于將前角磨小會(huì)增大切削力，限制切削用量的提高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞刀具，甚至“悶車”，所以一般不單純采用減小前角來(lái)斷屑。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑 增大主偏角可增大

17、切削厚度，易于斷屑。例如，同樣條件下90刀就比45刀容易斷屑。另外，增大主偏角有利于減小加工中的振動(dòng)。所以，增大主偏角是一種行之有效的斷屑方法。2. 減小切削速度、增大進(jìn)給量 改變切削用量是斷屑的另一措施。增大切削速度，切屑底層金屬變軟且切屑變形不充分，不利于斷屑；減小切削速度，反而容易斷屑。因此，在車削時(shí)，可通過(guò)降低主軸轉(zhuǎn)速，減小切削速度來(lái)斷屑。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑 增大進(jìn)給量可增大切屑厚度，易于斷屑。這是加工中經(jīng)常采用的一種斷屑手段，不過(guò)應(yīng)當(dāng)注意，隨著進(jìn)給量的增大，工件表面粗糙度值將會(huì)明顯增大。 車削加工時(shí)，往往有這樣的情況，有時(shí)吃刀深了不斷屑，吃刀稍淺一點(diǎn)就能斷屑。這是因?yàn)楫?dāng)背吃刀量

18、增大時(shí)，切削寬度隨之增大，薄而寬的切削變形和應(yīng)力小，不易折斷。當(dāng)背吃刀量淺時(shí)，切屑變得短而厚、變形和應(yīng)力大，容易折斷。但是如果背吃刀量過(guò)小，切屑的截面積減小、應(yīng)力小，也不容易斷屑。任務(wù)2切屑的種類及斷屑 不難發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)調(diào)整切削用量或改變刀具幾何角度確實(shí)能解決斷屑問(wèn)題，但這樣做有時(shí)會(huì)影響到切削用量和刀具幾何角度的合理性，從而造成加工效率和刀具壽命的明顯降低。目前，普遍采用在刀具上磨制斷屑槽的方法強(qiáng)制斷屑。3. 開設(shè)斷屑槽 斷屑槽是指在刀具前刀面上做出的槽，有折線形、直線圓弧形、全圓弧形3種槽型，如圖所示。任務(wù)2 切屑的種類及斷屑圖 斷屑槽的類型 任務(wù)2 切屑的種類及斷屑 切削碳素鋼、合金鋼、工具鋼時(shí)，可選用折線形、直線圓弧形斷屑槽；切削高塑性材料工件時(shí)，如純銅和不銹鋼工件等，可選用全圓弧形斷屑槽。 斷屑槽的寬度LBn、反屑角Bn、斜角是影響斷屑的主要參數(shù)。不難理解，寬度LBn減小，反屑角Bn增大，均易于斷屑。但應(yīng)注意，如果寬度LBn過(guò)小，反屑角Bn增大，容易堵屑。 通常寬度LBn按下式初選： 任務(wù)2 切屑的種類及斷屑反屑角Bn按槽型選擇：折線槽6