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中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)譯文 3.1.2預(yù)應(yīng)變和前角在銅加工中的影響 在上一節(jié)中，講述的是利用傾角為6度的刀具加工退火金屬。在改變預(yù)應(yīng)變和增加前角的這兩種情況下，顯著的降低了切削力大小和切削溫度，但是對(duì)于刀具的影響不大。這些說(shuō)法可能說(shuō)明了在加工像銅這樣足夠軟的金屬時(shí)（當(dāng)然鋁也一樣），是容許刀具的切削角最大值為40度的。圖3.6的例子展示的是在室內(nèi)，用前角為6?至35?高速工具鋼刀具，吃刀量為0.12毫米至0.2毫米和剪平面角在8?到32?變化變化時(shí)，來(lái)測(cè)量退火和深冷銅加工時(shí)的切削力與剪切平面角。當(dāng)切削速度最低時(shí)，切削力的變化超過(guò)了6倍。 左圖3.7表示，雖然退火后，預(yù)應(yīng)變明顯比之前大許多，但刀具的接觸應(yīng)力和前角變化不大。右圖表示，前角為6°到35°刀具，溫升的改變是被均分的。這些現(xiàn)象表明，刀具所受的力是由切削材料決定，而切削條件對(duì)其影響不大，然而溫度的改變受切削材料和工作條件的影響卻很大。這是個(gè)重要的話題 ，它將會(huì)在后面的金屬合金的章節(jié)被提及到。 3.1.3銅和鋁合金的加工 人們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)合金比單一的金屬材料需要更大剪切面和較低的切削力。其中一個(gè)重要的原因由于低價(jià)值的應(yīng)變硬化參數(shù)，其次是由于晶片/工具的摩擦（例如摩擦系數(shù)），但是其影響較小，然后就是那些一點(diǎn)也不明顯，說(shuō)不清為什么的原因了。但是即使切削力較低，但是刀具受到壓力還是很大的。在這一節(jié)，將用銅和鋁合金的加工的例子來(lái)對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋。 圖3.8顯示出銅鎳合金與銅鋅合金的特性。銅鎳合金中含80%的鎳，或許更應(yīng)該被認(rèn)為是鎳合金。然而，這種材料比銅和鎳能承受更高的剪切平面角或較高的切削速度。盡管他們的應(yīng)變硬化特性是相似的，或者說(shuō)更差些（見(jiàn)附錄4.1）。銅鋅合金是一種廣為人知的一種機(jī)器制造材料，它能承受的剪切平面角是銅的兩倍，盡管它們擁有相同的高強(qiáng)度特性（同樣的見(jiàn)附錄4.1）和明顯的更高的摩擦系數(shù)（被作為評(píng)測(cè)相對(duì)大小及其推力和切削力的標(biāo)準(zhǔn)）。（圖3.8描述的是黃銅的加工。在低溫處理后，就能承載較大剪切平面角和較小的切削力）。這兩個(gè)例子都是說(shuō)明為什么它們?cè)谑覝叵碌牡蛻?yīng)變特性，和單一金屬相比更容易成為機(jī)器制造的首選材料的原因。 圖3.9是鋁合金在機(jī)械制造中的特性與前角的顯示。角和速度的關(guān)系顯示如表3.3。它能承受的剪切平面角為普通材料的5倍，而且它能承受的切削力是純鋁的一半。 在這種其情況下 ，其張力和摩擦系數(shù)和純鋁相比是較小的。銅和鋁合金的例子，它們主要的剪切平面的剪切應(yīng)力和接觸應(yīng)力的平均斜度是相似的，或者說(shuō)比那些單一金屬大一些。圖3.8僅僅顯示k的影響，但是可以被換算為約等于0.6k。圖3.9顯示的是k和的關(guān)系。它也表明了，在這種情況下，當(dāng)傾斜面溫度不變時(shí)，傾斜角就減小了。這些不同于圖3.7的觀測(cè)記錄，也許是鋁合金能承受的最高溫度的限制吧？ 圖3.9顯示的是機(jī)械制造的參數(shù)如何隨著前角的變化而變化的，在這種情況下，當(dāng)前角大約為35°時(shí)，驅(qū)動(dòng)力過(guò)零點(diǎn)。結(jié)果表明，這樣一個(gè)大的前角在制造機(jī)器的薄壁是可以的，但可能造成驅(qū)動(dòng)力的失真。 然而這部分的要點(diǎn)，在3.2節(jié)工具材料部分廣泛應(yīng)用。這個(gè)范圍的估計(jì)值就用k來(lái)表示，為0.5~1.0K。 3.1.4加工奧氏體鋼材和高溫鎳鈦合金 奧氏體鋼材，NiCr，和鈦合金與銅和鋁合金是剛好完全相反的。雖然它們的承受的切削力是一樣的，而且剪切平面角更高一點(diǎn)，但是這種材料的壓力和溫度（在給定的切削速度和吃刀量的情況下）會(huì)顯著的提高。 圖3.10顯示的是，兩種奧氏體鋼，一種是NiCr,一種是鈦合金。其中一種奧氏體鋼（材料為18Cr8Ni）是一種普通的不銹鋼，而18Mn5Cr這種材料，雖然含碳量也是0.47，但卻是一種結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定且耐磨的材料。NiCr合金是一種商業(yè)性的鉻鎳鐵合金，X750。在所有情況下，吃刀量都是0.2mm，除了鈦鋁合金，因?yàn)樗?.1mm。這個(gè)角是6度么？除了NiCr合金，因?yàn)樗氖?。切削力的變化范圍大致為2~4個(gè)Gpa。驅(qū)動(dòng)力大小為1~2Gpa。剪切平面角大致大于25°。大多數(shù)情況下，這種晶體結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，且有鋸齒葉緣。這種特性顯示在圖3.10中。圖3.11中顯示的是壓力和溫度。較大的壓力和顯著的溫度變化。 3.1.5低碳合金鋼的加工 碳合金鋼是是介于鋁、銅加工性能與奧氏體鋼和高溫合金之間的一種合金材料。這有兩方面，多數(shù)材料的屈服應(yīng)力能夠通過(guò)鐵碳合金和其他少量金屬來(lái)?yè)Q算。他們之間的熱交換和擴(kuò)散率導(dǎo)致每次吃刀時(shí)都產(chǎn)生的熱量，當(dāng)然也與切削速度有關(guān)。 圖3.12顯示的是在切削速度不變情況下，棒料旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量的典型的切削力和切削平面角的變化，這些棒料直接通過(guò)熱軋工藝制造沒(méi)經(jīng)過(guò)任何的熱處理。當(dāng)切削速度達(dá)到100m/min，切削力為2~3Gap時(shí)，純鐵的軟管相似（圖3.3）。但是隨著切削速度的上升，他們之間的差別逐漸減小。對(duì)于多數(shù)的合金體系，同樣的方法，鐵合金的剪切角與純鐵相比增大了。 在熱軋的條件下，鋼（除之前提及到奧氏體外）中有一種叫做鐵素體和珠光體的結(jié)構(gòu)（或者擁有較高碳含量的碳鋼材料）。由于珠光體的存在，隨著碳含量提高，材料的的硬度也提高了。右圖3.13顯示的是隨著圖3.12碳含量的提高，k和的變化。另外，結(jié)果已經(jīng)包括，含碳量為0.13C和0.4C鋼材的加工。k和的增長(zhǎng)很明顯。右表的數(shù)據(jù)也表明，對(duì)于給定的切削速度，如果提高含碳量，切削溫度會(huì)隨之提高的。這是由于剪切力的提高。這篇關(guān)于切削力和切削溫度的在不同的合金組織的變化的簡(jiǎn)短調(diào)查結(jié)束了。刀具所受的力主要取決于它加工的金屬，與切削條件也有一小部分的關(guān)系（盡管刀具的剪切面傾角，切削速度，吃刀量變化很明顯）。溫度，一方面不僅取決于加工的材料（材料承受的壓力和熱性能），另一方面也與切削速度和吃刀量有關(guān)。 3.1.6機(jī)械加工中的切屑瘤 先前的說(shuō)法中，取材的數(shù)據(jù)主要是切削速度大于100m/min的。這是由于在稍低的切削速度和吃刀量下，加工中會(huì)產(chǎn)生切屑瘤。在第2章中，已經(jīng)有顯示了切屑瘤的產(chǎn)生的圖片。圖3.14顯示，對(duì)于含碳量0.15鋼材，專性力和剪切角變化都是與此有關(guān)聯(lián)的。在這個(gè)例子中，在切削速度為25m/min時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的切屑瘤。這里，專性力通過(guò)最低點(diǎn)，而剪切角達(dá)到最大點(diǎn)。從本質(zhì)上講，這或許可以解釋為切屑瘤增大了刀具切削角的有效部分。 切屑瘤的出現(xiàn)于較低的切削速度或者說(shuō)是幾乎所有的金屬加工中，它提供了一種能夠緩解在低速時(shí)隨時(shí)可能發(fā)生較大應(yīng)變 (小剪切平面角)的方法。對(duì)于那些產(chǎn)生切屑瘤的合金，當(dāng)在能夠產(chǎn)生最大切屑瘤的切削速度下，提高吃刀量。圖3.15收集的數(shù)據(jù)是關(guān)于三價(jià)鐵合金和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐磨的合金（Nimonic 80）。高速加工是指切削速度高于能夠產(chǎn)生切削瘤的速度。這些條件都集中在這本書(shū)中。 3.1.7 摘要 3.1節(jié)提到的各種專性力和剪切平面角通常指加工鋁、銅、鐵、鎳鈦合金。人們一直在尋求一種材料，這種材料能夠承受金屬切削時(shí)的剪切流動(dòng)應(yīng)力、幾乎所有的切削速度和吃刀量及切削前角。3.4表列出各種壓力的范圍，接觸應(yīng)力的峰值可能是表中記錄的平均值的兩到三倍。相反，刀具必須能夠承受由切削速度、吃刀量、切削前角等因素而產(chǎn)生的溫度和材料在加工過(guò)程中的性能：擴(kuò)散率，傳導(dǎo)性和熱容。由于溫度和壓力的嚴(yán)格限制，最容易加工的的金屬是鋁合金及銅合金。對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)，最難加工的是奧氏體鋼、鎳耐熱合金、鈦等合金。鐵素體和珠光體鋼材的溫度與壓力變化、碳含量和硬度居于這兩個(gè)極端之間。關(guān)于這些，本部分特別是那些關(guān)于不同合金的剪切平面角的測(cè)量的有關(guān)報(bào)告主要是描述性的。這些仍然是力學(xué)預(yù)測(cè)的一個(gè)重要的話題。補(bǔ)充一點(diǎn)，在下一章節(jié)刀具材料的性能中，將描述刀具的材料性能對(duì)于抵抗加工中產(chǎn)生的壓力和溫度的影響。