切屑形成的基本理論與屑形控制

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:2312

    由于金屬切削過程是在高溫、高壓、高速下進(jìn)行,因此切屑的形成機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。為了在切削加工中有效控制屑形,提高加工效率,改善加工表面質(zhì)量,有必要對(duì)金屬切削過程的一些基本理論進(jìn)行深入研究和探討。


1、滑移與滑移線


    機(jī)械制造是利用金屬塑性變形機(jī)理,采取滾壓、軋制、冷拔或切削加工等方法,使零件達(dá)到要求的形狀和尺寸。根據(jù)金屬塑性變形理論可知,金屬產(chǎn)生塑性變形的基本機(jī)理是滑移,即清移是金屬最主要的塑性變形方式。


     金屬的滑移僅在剪應(yīng)力作用下才能發(fā)生,即當(dāng)剪應(yīng)力t達(dá)到金屬材料的剪切強(qiáng)度極限ts時(shí),便會(huì)產(chǎn)生塑性變形。在平面變形條件下,多晶體金屬中的滑移是沿最大剪應(yīng)力方向發(fā)生的,即滑移帶與最大剪應(yīng)力跡線相重合。假設(shè)在連續(xù)應(yīng)力場(塑性區(qū))內(nèi)最大剪應(yīng)力跡線是無限密集的,則沿最大剪應(yīng)力方向不斷由一點(diǎn)到與其無限接近的另一點(diǎn),即可在變形平面上繪出兩組相互正交的曲線(如圖1所示),從而形成由切屑形成過程中第一變形區(qū)內(nèi)部分滑移線與流線(或相鄰部分)組成的格子。


滑移線的微分方程為


第一組滑移線: dy/dx=tanw


第二組滑移線: dy/dx =-tanw


    第一、第二滑移線的參變量分別用a和b代替。選取滑移線oa、ob為兩曲線坐標(biāo)軸,用坐標(biāo)軸的曲線坐標(biāo)(a,b)表示平面上p點(diǎn)的位置(見圖2)。這樣,在曲線坐標(biāo)網(wǎng)的任一a線上坐標(biāo)b等于常值;在任一b線上坐標(biāo)a等于常值。因此,在無限接近p點(diǎn)處,坐標(biāo)曲線a和b與選取的直角坐標(biāo)軸相重合,因此可認(rèn)為


dx=dsa,dy=dsb


式中,dsa和dsb分別為曲線a和b的弧長微分。因此有


    由于直角坐標(biāo)軸與滑移線相切,因此對(duì)于a而言,w=0。由于沿曲線a和b的角度w是不斷變化的,因此偏導(dǎo)數(shù)不等于零,從而使切屑在形成過程中產(chǎn)生變形和卷曲。


2、切屑的變形和卷曲


    根據(jù)滑移線性質(zhì)的漢基定理可知,滑移線a1與a2、b1與b2是無限接近的。b1線在 p點(diǎn)與f點(diǎn)的法線的交點(diǎn)O1 為b1線在p點(diǎn)的曲率中心;b2線在e點(diǎn)與 d點(diǎn)的法線的交點(diǎn) O2 為b2線在e點(diǎn)的曲率中心。在圖3中,wpf=wed,wpe=wfd。b2線在p點(diǎn)的曲率半徑等于b2線在e點(diǎn)的曲率半徑加上滑移線a1由 e點(diǎn)與p點(diǎn)的弧長增量Δs。由于弧長pf>ed(見圖3),從而使切屑發(fā)生變形。同理,由于弧長pe>fd,切屑必然發(fā)生卷曲。


    用一個(gè)剪切面oM代替第一變形區(qū),如果用點(diǎn)流動(dòng)到剪切面上的p點(diǎn),第二滑移線與第一滑移線在p點(diǎn)的切線垂直,即剪應(yīng)力t與平行于第一滑移線在p點(diǎn)的切線的正應(yīng)力s形成直角。在坐標(biāo)系xpy內(nèi),p為原點(diǎn),OM即為第二滑移線的切線,X軸即為s和t的合力方向,并與t成45°的夾角,與第一滑移線在p點(diǎn)的切線的夾角為p/4。由于s和t的夾角為p/2。+s和-s形成一個(gè)力矩,使切屑以p(空間坐標(biāo)時(shí)為Z)為軸發(fā)生卷曲。


    此外,隨著切屑在前刀面上流動(dòng),其底層受到擠壓,晶粒被拉長,造成切屑底部膨脹,促使切屑進(jìn)一步彎曲變形,引起切屑卷曲。


3 切屑屑形及其控制


    金屬材料的性能不同,其滑移性質(zhì)也不相同,即使在相同條件下進(jìn)行切削,所得切屑的類型、尺寸(變形程度)也不相同。


    對(duì)于多晶體的塑性金屬,切應(yīng)力與作用于滑移線上的正應(yīng)力的大小和方向無關(guān),引起滑移面切變的原子移動(dòng)是依次發(fā)生的,因此在切削塑性金屬時(shí)容易得到連續(xù)狀切屑。低塑性金屬(或因形變硬化使塑性變差的金屬)的切應(yīng)力與正應(yīng)力的大小和方向有關(guān),容易產(chǎn)生剛性滑移(或稱機(jī)械滑移),它與塑性金屬發(fā)生的位錯(cuò)式滑移明顯不同,由原子層組成的原子群在滑移面上相對(duì)于另一些材料層同時(shí)滑動(dòng),隨著滑移的產(chǎn)生,滑移帶的不完整性破壞增大,結(jié)果將導(dǎo)致宏觀完整性破壞。因此,切削脆性金屬時(shí),容易因機(jī)械滑移而得到崩碎切屑。


    切削塑性金屬時(shí),斷屑是需要解決的主要矛盾。為有利于斷屑,應(yīng)盡可能增大切屑的基本變形和附加變形。如以較高切削速度切削碳鋼或合金鋼時(shí),為得到螺旋卷屑、長緊卷屑或C形切屑,車刀應(yīng)采用外斜式卷屑槽(見圖5),刀具合理幾何參數(shù)范圍:t=5°-15°,h=0.5-1.5mm,s=65°-80°;k值由背吃刀量則和進(jìn)給量f決定,當(dāng) ap=0.4=20mm、f=0.15-1mm/r時(shí),k=1.5-7mm。文獻(xiàn)[2]、[7]等給出了這方面的一些參考數(shù)據(jù),但文獻(xiàn)中給出的切削用量、刀具幾何參數(shù)(尤其是倒棱、卷屑槽等參數(shù))以及附加斷屑臺(tái)(或斷屑器)結(jié)構(gòu)、尺寸等與切削用量相匹配的數(shù)據(jù)多是在特定試驗(yàn)條件下得出的,如工件材料性質(zhì)或切削條件改變,刀具幾何參數(shù)、斷屑臺(tái)(或斷屑器)尺寸等也需通過試驗(yàn)重新確定。


    切削灰鑄鐵等脆性金屬時(shí),如何得到連續(xù)屑形也是一大難題。脆性金屬的切削過程如圖6所示。當(dāng)?shù)毒邉偳腥牍ぜ䲡r(shí),被切削金屬層首先發(fā)生彈性變形(見圖6a);隨即切屑在切削刃部開始產(chǎn)生裂口(見圖6b) ;刃前裂口以每秒上千米的速度發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展,使被切削金屬層產(chǎn)生不同方向的裂紋(見圖6c);裂紋貫穿整個(gè)切削厚度,形成不規(guī)則的崩碎切屑(見圖6d)。


    加工HT200材料時(shí),刀具前角和切削速度對(duì)切屑長度的影響如圖7所示。當(dāng)切削速度v >2.5m/s,刀具前角γ0<=30°時(shí),由于切削溫度較高,切屑呈暗紅色被“擠”出,雖然可得到硬度較高的連續(xù)形切屑(類似鋼屑),但在此切削條件下切削力太大,切削溫度過高,不適用于實(shí)際生產(chǎn)。選取較大的刀具前角雖可減小切屑變形,但在較高切削速度下,因切屑與前刀面接觸長度減小,使切屑長度也縮短。此外,前角過大可能引起“自動(dòng)切入”現(xiàn)象。在實(shí)際加工中,刀具前角取值一般在=10°-25°之間為宜。


4、切屑形成過程中的聲響與織構(gòu)現(xiàn)象


    在金屬切削過程中,如將機(jī)床、電機(jī)等發(fā)出的其它噪聲排除在外,在塑性金屬切屑的形成過程中可聽到“咯吱、咯吱”的聲響;在脆性金屬切屑的形成過程中則可聽到“咯酥、咯酥”的聲響。根據(jù)金屬學(xué)原理可知,點(diǎn)陣過渡到新的位置幾乎是瞬時(shí)完成的,因此發(fā)出的聲響并不是單純的平直音。金屬切削過程中原子鍵被破壞而引起的原子位置改變?nèi)缇ЯF扑?沿晶或穿晶)、晶格扭曲等會(huì)發(fā)出爆裂聲,這就為確定切削過程是否正常提供了一個(gè)判別條件。


    金屬材料切削變形時(shí),不僅切屑和已加工表面中的晶粒被拉長或破碎,而且各晶粒的晶格位向也會(huì)沿變形方向同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),使金屬材料組織出現(xiàn)織構(gòu)現(xiàn)象,由此形成的切屑橫截面形狀如圖8所示。已加工表面的織構(gòu)現(xiàn)象對(duì)加工表面質(zhì)量不利(表面鱗刺的產(chǎn)生即與其有關(guān))。由于切屑變形越大,織構(gòu)現(xiàn)象越嚴(yán)重,因此精加工時(shí)應(yīng)采用可減小切屑變形的切削條件,如高速切削、選取較大刀具前角和較小切削厚度、提高刃磨質(zhì)量、使用潤滑性能好的切削液、通過熱處理工藝降低工件材料塑性等。

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