【正文】 機(jī)械制造技術(shù) Mechanism Manufacture Technology 孫慶群 制作 配套教材： 第 2章 金屬切削加工理論及其應(yīng)用 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 本章主要介紹金屬切削加工過程中的切削變形、積屑瘤、加工硬化、切削力、切削熱和切削溫度、刀具磨損和刀具壽命等物理現(xiàn)象以及磨削當(dāng)中的特點(diǎn)，同時(shí)介紹這些現(xiàn)象的影響因素和控制方法。通過對(duì)本章的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解產(chǎn)生這些現(xiàn)象的基本規(guī)律，能夠通過調(diào)整某些影響因素來控制切削過程，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)工件切削加工要求之目的。 金屬切削加工過程 是指通過切削運(yùn)動(dòng)，刀具從工件的表面上切下多余的金屬層，形成切屑和合格的已加工表面的過程。在此過程中將產(chǎn)生許多物理現(xiàn)象，如切削變形、積屑瘤、鱗刺、振動(dòng)、表面硬化、切削力、切削熱和切削溫度、刀具磨損等。本章主要研究產(chǎn)生上述諸多現(xiàn)象的成因、本質(zhì)及變化規(guī)律。掌握這些基本規(guī)律，對(duì)合理使用與設(shè)計(jì)刀具、夾具、機(jī)床，保證加工質(zhì)量、降低加工成本、提高生產(chǎn)效率以及促進(jìn)切削加工技術(shù)的進(jìn)步都將具有非常重要的意義。 研究切削變形與切屑的形成非常復(fù)雜，下面以正交（直角）自由切削為研究模型進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。 金屬切削過程類似于金屬材料受擠壓的過程，當(dāng)塑性金屬材料受擠壓時(shí)，金屬先產(chǎn)生彈性變形而后是塑性變形，最大剪應(yīng)力方向與最大主應(yīng)力方向之間大致成 45o夾角，即沿著 OM或 AB產(chǎn)生剪切滑移（如圖 ）。 圖 金屬的擠壓與切削的比較 圖 金屬的擠壓與切削的比較 在切削過程中存在著三個(gè)變形區(qū)（如圖 ）： （ 1）第一變形區(qū) 。由始滑移面 OA與終滑移面 OM所圍成的區(qū)域（ Ⅰ ）稱為第一變形區(qū)，也稱剪切滑移區(qū)。這是主要變形區(qū)（產(chǎn)生塑性變形形成切屑）。 滑移面與切削速度的夾角稱為 剪切角 φ。 （ 2）第二變形區(qū) 。它是指刀 — 屑接觸區(qū)，即與前面接觸的切屑底層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)域（ Ⅱ ），切屑沿刀具前面流出時(shí)進(jìn)一步受到刀具前面的擠壓和摩擦，切屑卷曲，靠近前面處晶粒纖維化，其方向基本上和刀具前面平行。 （ 3）第三變形區(qū) 。它是指刀 — 工件接觸區(qū)，亦即近切削刃處已加工表面層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)域（ Ⅲ ）。已加工表面受到切削刃鈍圓部分與刀具后面的擠壓和摩擦產(chǎn)生變形，造成晶粒纖維化與表面加工硬化。 三個(gè)變形區(qū)的變形相互牽連，切削變形是一個(gè)整體，且整個(gè)變形過程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的。 a) b) 圖 切削變形狀態(tài) a) 正交平面中的受力情況 b) 金相照片 切削層在刀具擠壓和摩擦的作用，產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，當(dāng)切削層的承受的切應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度極限時(shí)，便產(chǎn)生剪切滑移，切削層經(jīng)過第一變形區(qū)形后即沿著刀具前面流出，便形成了切屑。 a） b） 圖 切屑的形成過程 a) 形成切屑的剪切滑移過程 b) b) 切屑形成模型 由于工件材料和切削條件的不同，切削中的變形程度也不相同，因此，會(huì)形成多種類型的切屑，如圖 。 a） b） c） d） 圖 切屑的類型 a）帶狀切屑 b）節(jié)狀切屑 c）粒狀切屑 d） 崩碎切屑 （ 1）帶狀切屑 。 產(chǎn)生條件： 切削塑性材料（如軟鋼、鋁等）時(shí)，如果切削速度較高、切削厚度較薄、刀具前角較大，容易形成內(nèi)表面光滑、外表面呈毛茸狀的帶狀切屑。 優(yōu)點(diǎn)： 切削過程較平穩(wěn)，切削力波動(dòng)較小，已加工表面粗糙度較小。 缺點(diǎn)： 切屑連綿不斷，有時(shí)會(huì)纏繞在刀具或工件上影響加工過程。 （ 2）節(jié)狀（擠裂）切屑 產(chǎn)生條件： 大多在切削塑性金屬材料時(shí)，如果切削速度較低、進(jìn)給量較大（亦即切削厚度較大）、刀具前角較小，容易產(chǎn)生這種屑型。 特點(diǎn)： 切削中切應(yīng)變較大，切削力有波動(dòng)和和振動(dòng)，已加工表面粗糙度較大。對(duì)硬質(zhì)合金刀具易產(chǎn)生崩刃。 （ 3）粒狀（單元）切屑 采用小前角或負(fù)前角，以極低的切削速度和大的切削厚度切削粗晶粒金屬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粒狀屑型，此時(shí)，切削過程更不穩(wěn)定，加工表面的質(zhì)量也會(huì)更差。 （ 4）崩碎切屑 在切削鑄鐵等脆性金屬時(shí)，由于脆性材料抗拉強(qiáng)度低，刀具切入后，切削層未經(jīng)塑性變形，就會(huì)在材料組織的石墨與鐵素體之間疏松界上產(chǎn)生不規(guī)則崩裂，形成崩碎切屑。這種切屑的形狀很不規(guī)則，加工出的工件表面也凹凸不平。工件材料越脆、切削厚度越大、刀具前角越小，就越容易產(chǎn)生這種切屑。 通?？捎们邢髯冃蜗禂?shù)來衡量切削變形程度。如果把切削時(shí)形成的切屑與切削層尺寸比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)切屑厚度增加（ ＞ ）、切屑長(zhǎng)度縮短（ ＜ ），切屑寬度基本沒發(fā)生變化。 這是切屑流出時(shí)受到刀具前面摩擦作用的結(jié)果。切削變形系數(shù)就是切屑厚度 hch與切削層厚度 hD的比值，或者是切削層長(zhǎng) Lc度和切屑長(zhǎng)度 Lch的比值。即： chhDh chlDlDchchDh hhllA ??＞ 1 （ ） 值越大，切屑越厚越短，則切削變形就越大。 hA a） b） c） 圖 變形程度表示 a） 切屑與切削層的外形尺寸； b） 切屑的厚度增加、長(zhǎng)度縮短； c） 前角、剪切角與切削變形的關(guān)系 需要說明的是： 在切削某些材料時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)＜ 1，這就不能正確反映切削變形的實(shí)際情況。 hA 在塑性金屬切削過程中，因切屑底層與刀具前面間擠壓摩擦嚴(yán)重，使切屑底層金屬的流動(dòng)速度低于上層的流動(dòng)速度而形成滯流層。當(dāng)滯流層金屬與刀具前面之間的摩擦力超過切屑內(nèi)部的結(jié)合力時(shí)，滯流層的一部分金屬就會(huì)黏結(jié)在切削刃附近（亦稱冷焊），不斷沉積便形成小硬塊稱為 積屑瘤 。 當(dāng)溫度和壓力適當(dāng)時(shí)，滯流層金屬就會(huì)黏附在刀具前面上，依次層層堆積，高度逐漸增大而形成了積屑瘤，它代替切削刃繼續(xù)剪切較軟的金屬層，長(zhǎng)高的積屑瘤在外力或振動(dòng)作用下可能會(huì)發(fā)生局部斷裂或脫落，條件合適時(shí)又會(huì)繼續(xù)生成、長(zhǎng)高。這樣生成、長(zhǎng)大、脫落，再生成、再長(zhǎng)大、再脫落 …… 經(jīng)歷著一個(gè)又一個(gè)非周期性變化的過程。 a） b） c） 圖 積屑瘤 a）內(nèi)摩擦應(yīng)力分布； b）積屑瘤外形 ； c）積屑瘤外形尺寸 加工條件：工件材料 45鋼、刀具材料 W18Cr4V、 =5176。、 =20m/min、 =?? cvf （ 1）保護(hù)刀具 。由于硬度高于 工件硬度，能代替刀刃切削，對(duì)刀 具切削刃有保護(hù)作用。 （ 2）增大工作前角 。積屑瘤增 大了刀具的實(shí)際工作前角，使刀具變得鋒利，減小切削變形，降低了切削力。 （ 3）增大切削厚度 。由于積屑瘤前端伸出于切削刃之外，會(huì)產(chǎn)生過切，使切削厚度增加了 ΔhD。又由于積屑瘤的產(chǎn)生、長(zhǎng)大與脫落非周期性變化，所以 ΔhD值是變化的，會(huì)影響到被加工工件的尺寸精度。 （ 4）增加已加工表面粗糙度 首先， 由于積屑瘤高度非周期性的變化，使得切削厚度也無規(guī)則變化，工件已加工表面會(huì)出現(xiàn)高低不平； 其次， 脫落掉的積屑瘤碎片黏附在已加工表面上惡化表面粗糙度； 另外， 積屑瘤高度的不斷變化造成刀具切削刃高度的不斷變化會(huì)引起振動(dòng)，導(dǎo)致在工件已加工表面上刻劃出溝紋，嚴(yán)重影響以加工表面粗糙度。 （ 1） 增大刀具前角，使切削輕快，可減少積屑瘤的產(chǎn)生。 （ 2） 減少進(jìn)給量和切削厚度。 （ 3） 采用低速或高速切削，避開容易產(chǎn)生積屑瘤的切削速度，如圖 。 （ 4） 提高刀具刃磨質(zhì)量、合理選用切削液，可以減輕摩擦，降低切削溫度和減少黏結(jié)，能夠抑制積屑瘤的產(chǎn)生或降低積屑瘤的高度。 （ 5） 合理調(diào)節(jié)各切削參數(shù)間的關(guān)系，防止形成中溫區(qū)。 （ 6） 對(duì)工件材料適當(dāng)熱處理，提高硬度，降低塑性。 圖 切削速度對(duì)積屑瘤的影響 加工條件： 加工材料 45鋼 =、 =paf 已加工表面變形和加工硬化 任何刀具的切削刃口都不可能磨得絕對(duì)鋒利，當(dāng)在鈍圓弧切削刃和其鄰近的狹小后面的切削、擠壓和摩擦作用下，會(huì)使得已加工表面層的金屬晶粒產(chǎn)生扭曲、擠緊和破碎等嚴(yán)重的塑性變形，從而使表面層硬度增高，這種表面層硬度增高的現(xiàn)象 稱為加工硬化。 金屬材料經(jīng)硬化后提高了屈服強(qiáng)度，并在已加工表面上出現(xiàn)顯微裂紋和殘余應(yīng)力，降低了表面質(zhì)量和