高速切削切削区的材料变形

　　刀具与工件间有相对运动，通过切削刃与刀面的作用切除工件材料的余量。

图1錾子切除工件上的余量

　　如图1所示，切削刃起“切”和“割”的作用，刀面起“推挤”作用。

　　“切”――工件相对于切削刃无运动分量。

　　“割”――工件相对于切削刃有运动分量。

　　“挤”――主要是前刀面的推挤，后刀面也有一定的挤压。

　　切除余量，是以上三者综合作用的结果。由于被切材料的强度高，刀具有较大的楔角，不可能很薄。“推挤”作用消耗的能量份额很大;而“切”、“割”起着分离被切材料、形成加工表面的重要作用。

图2 四个变形区

　　如图2所示，1为基本变形区;2为前刀面摩擦变形区;3为后刀面摩擦变形区;4为刃前变形区。1区和2区消耗动力的主要部分，而3区和4区则对形成加工表面起着重要作用。

　　如果切削刃锋利，则4区很小;如刀具后角大，则3区也较小。

　　1区是主要的变形区。如切削速度高，则1区变得很窄，几乎成为一个面(如图4所示的一条线)，称为剪切面。剪切面的方向与切削速度的方面之间的夹角是前切角Φ。

图3 剪切面与变形系数

　　剪切角φ的大约数值可用以下公式计算：

　　M.E.Merchant(麦钱特)公式

　　Φ=π/4-β/2+γo/2

　　Lee and Shaffer(李和谢弗)公式

　　Φ=π/4-β+γo

　　式中，β为前刀面与切屑间的摩擦角，γo为前角。

　　当切削速度提得很高后，则被切材料来不及充分变形，剪切角Φ加大，变形量减小，从而切削力也减小。切削速度提高后，前、后刀面与切屑、工件间的摩擦系数减小，也有利于切削力减小。

　　有一个衡量材料变形的简易方法，即通过测量计算出“变形系数”。过去叫过“收缩系数”，二者是一回事。

　　如图3所示，被切削层的原长度为lc，形成切屑后的长度为lch,则变形系数Λh=lc/ lch

　　在切削过程中，被切削层材料变为切屑，是经过剪切滑移。根据材料力学的原理，用剪切应变量来衡量材料的变形程度是更为科学的。剪切应变ε与变形系数之间有一定关系，经推算，

　　ε=ΔS/Δy=cosγ0/[sinφ?cos(φ-γ0)]

　　=ctgφ+tg(φ-γ0)

　　=(Λh2-2Λh?sinγ0+1)/(Λh?cosγ0)

　　式中，γo为刀具前角。

　　Λh和ε增大，则表示材料变形大;反之亦然。

　　显然，高速切削时，Λh和ε都减小，切削力下降。

　　某大学进行了45钢和铝合金5A02高速铣削的变形系数试验，刀具为φ20mm的硬质合金立铣刀，切削ap=0.5～1mm，进给量为fz=0.05～0.15mm/z，切削速度v=251～1256m/min。试验结果如图5和图6。

图4高速切削45钢的变形系数

图5高速切削铝合金5A02的变形系数

　　由图可见，当切削速度提高时，变形系数显著下降。