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    切屑形成的基本理論與屑形控制

    點擊次數:  更新時間:2021/6/9 12:04:20  【打印此頁】  【關閉

    由于金屬切削過程是在高溫、高壓、高速下進行,因此切屑的形成機理相當復雜。為了在切削加工中有效控制屑形,提高加工效率,改善加工表面質量,有必要對金屬切削過程的一些基本理論進行深入研究和探討。

    1、滑移與滑移線

    機械制造是利用金屬塑性變形機理,采取滾壓、軋制、冷拔或切削加工等方法,使零件達到要求的形狀和尺寸。根據金屬塑性變形理論可知,金屬產生塑性變形的基本機理是滑移,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力作用下才能發生,即當剪應力t達到金屬材料的剪切強度極限ts時,便會產生塑性變形。在平面變形條件下,多晶體金屬中的滑移是沿最大剪應力方向發生的,即滑移帶與最大剪應力跡線相重合。假設在連續應力場(塑性區)內最大剪應力跡線是無限密集的,則沿最大剪應力方向不斷由一點到與其無限接近的另一點,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內部分滑移線與流線(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為兩曲線坐標軸,用坐標軸的曲線坐標(a,b)表示平面上p點的位置(見圖2)。這樣,在曲線坐標網的任一a線上坐標b等于常值;在任一b線上坐標a等于常值。因此,在無限接近p點處,坐標曲線a和b與選取的直角坐標軸相重合,因此可認為

    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

    由于直角坐標軸與滑移線相切,因此對于a而言,w=0。由于沿曲線a和b的角度w是不斷變化的,因此偏導數不等于零,從而使切屑在形成過程中產生變形和卷曲。

    2、切屑的變形和卷曲

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

    用一個剪切面oM代替第一變形區,如果用點流動到剪切面上的p點,第二滑移線與第一滑移線在p點的切線垂直,即剪應力t與平行于第一滑移線在p點的切線的正應力s形成直角。在坐標系xpy內,p為原點,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形成一個力矩,使切屑以p(空間坐標時為Z)為軸發生卷曲。

    此外,隨著切屑在前刀面上流動,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,其滑移性質也不相同,即使在相同條件下進行切削,所得切屑的類型、尺寸(變形程度)也不相同。

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

    切削塑性金屬時,斷屑是需要解決的主要矛盾。為有利于斷屑,應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,為得到螺旋卷屑、長緊卷屑或C形切屑,車刀應采用外斜式卷屑槽(見圖5),刀具合理幾何參數范圍:t=5°-15°,h=0.5-1.5mm,s=65°-80°;k值由背吃刀量則和進給量f決定,當 ap=0.4=20mm、f=0.15-1mm/r時,k=1.5-7mm。文獻[2]、[7]等給出了這方面的一些參考數據,但文獻中給出的切削用量、刀具幾何參數(尤其是倒棱、卷屑槽等參數)以及附加斷屑臺(或斷屑器)結構、尺寸等與切削用量相匹配的數據多是在特定試驗條件下得出的,如工件材料性質或切削條件改變,刀具幾何參數、斷屑臺(或斷屑器)尺寸等也需通過試驗重新確定。

    切削灰鑄鐵等脆性金屬時,如何得到連續屑形也是一大難題。脆性金屬的切削過程如圖6所示。當刀具剛切入工件時,被切削金屬層首先發生彈性變形(見圖6a);隨即切屑在切削刃部開始產生裂口(見圖6b) ;刃前裂口以每秒上千米的速度發生失穩擴展,使被切削金屬層產生不同方向的裂紋(見圖6c);裂紋貫穿整個切削厚度,形成不規則的崩碎切屑(見圖6d)。

    加工HT200材料時,刀具前角和切削速度對切屑長度的影響如圖7所示。當切削速度v >2.5m/s,刀具前角γ0<=30°時,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,不適用于實際生產。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切入現象。在實際加工中,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現象

    在金屬切削過程中,如將機床、電機等發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。根據金屬學原理可知,點陣過渡到新的位置幾乎是瞬時完成的,因此發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如晶粒破碎(沿晶或穿晶)、晶格扭曲等會發出爆裂聲,這就為確定切削過程是否正常提供了一個判別條件。

    金屬材料切削變形時,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沿變形方向同時發生轉動,使金屬材料組織出現織構現象,由此形成的切屑橫截面形狀如圖8所示。已加工表面的織構現象對加工表面質量不利(表面鱗刺的產生即與其有關)。由于切屑變形越大,織構現象越嚴重,因此精加工時應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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