金屬切屑根部標本制備_變形系數(shù)_剪切角測定

1、切屑根部金相標本制備、變形系數(shù)及剪切角的測定金屬切削實驗技術(shù)王紅軍2008. 11主要內(nèi)容n變形系數(shù)的測定n剪切角的測定n切屑根部金相標本制作1.切屑根部金相標本制作基本步驟：切屑根部標本的嵌裝試樣表面的制備試樣的拋光金相腐蝕1.1切屑根部標本的嵌裝l切屑極易斷離和變形，為防止切屑斷離及變形必須對切屑根部標本進行嵌裝。l快速落刀裝置取得切屑根部后，需將切屑連同與其毗連的工件仔細切割(機械切割、線切割)。l標本尺寸一般宜在1015mm范圍內(nèi)。標本的嵌裝將切屑根部標本鑲嵌在低熔點金屬、硫磺、硬塑料或環(huán)氧樹脂中。金相根部嵌裝切屑根部標本金屬環(huán)平板1.1.1 用低熔點、硫磺或環(huán)氧樹脂嵌裝常用嵌裝試樣的

2、低熔點合金有鉍、鉛、錫等，不同含量其熔點溫度76124之間。低熔點合金存在不足：u腐蝕劑會滲入試樣和鑲嵌材料間u灌注的合金對試樣起電化保護作用而影響顯現(xiàn)顯微組織的效果用硫磺作為鑲嵌材料硫磺避免了低熔點合金的不足，且價廉，與大多數(shù)金相化學腐蝕劑不起化學反應，采用較多。存在的主要缺點：金相顯微鏡觀察時，背景與標本的顏色對比度不強，影響拍攝效果。用環(huán)氧樹脂作為鑲嵌材料固化后性能符合要求，鑲嵌工藝簡單。1.1.2 用硬塑料嵌裝嵌裝用硬塑料為黑色酚醛樹脂(黑電木粉，熱固性塑料，在130150左右固化)用硬塑料鑲嵌標本裝置壓頭壓模標本底座加熱板市場銷售的標本嵌裝機采用在壓模外纏繞電熱絲加熱的方法，且溫度可

3、調(diào)。(目前最常用的嵌裝切屑根部的方法)MC004-ZXQ-2全自動金相試樣鑲嵌機鑲嵌設備1.2 試樣表面的制備銼刀或砂輪平整表面砂布磨光(從粗到細)1.2.1 制備過程砂輪平整試樣時，不要使試樣產(chǎn)生燒傷。砂布磨光時，開始用較粗砂布(100#150#)，然后逐漸改用較細砂布，最終磨制時用200#240#細砂布。細 磨1.2.2 砂布磨光時注意事項磨制標本時，不能過分用力將試樣壓在磨盤上，以免被磨表面發(fā)熱過度。當用一種砂布磨光時，試樣的位置不應變動。當換用下一號砂布時，應將試樣位置轉(zhuǎn)動90，使新的磨痕垂直于前一磨痕，當前一磨痕被磨掉后才更換下一號砂布。在每次更換砂布時均應仔細清洗標本。1.2.3

4、細磨方法黑色金屬標本，細磨用粒度為240#280#金剛砂為磨料。細磨方法：將細麻布箍緊在旋轉(zhuǎn)磨盤，試樣輕壓在磨盤上，工作時磨盤始終保持一定的濕度。鋼試樣細磨用鉻鋁研磨膏作為磨光劑。對鋁及鋁合金試樣，平整鋁試樣表面用銼刀；磨光則在涂有石蠟煤油溶液的140#、180#和240#的砂布上循序進行。成 分 粗 磨中 磨細 磨氧化鉻373532氧化鋁373532石蠟202430脂肪酸333煤油222碳酸鈉111鉻鋁研磨膏的成分(重量百分比)1.3 試樣的拋光黑色金屬用氧化鉻或氧化鐵的細粉末進行拋光。拋光粉與蒸餾水混和。將細呢絨經(jīng)水泡浸后箍在磨盤上進行拋光。試樣輕壓于旋轉(zhuǎn)的磨盤上(n=7001000rpm

5、)。1L水加入5g氧化鋁，或1015g氧化鉻或氧化鐵鋁試樣預拋光終拋光+細呢絨，拋光劑用氧化鋁+蒸餾水，混和液濕潤細呢絨，磨盤轉(zhuǎn)速約300rpm絲絨，絲絨用水濕潤，細氧化鎂粉或氧化鋁粉涂在絲絨上，磨盤轉(zhuǎn)速約100rpm純銅試樣用氧化鋁與蒸餾水的混和液在裝有細繞的磨盤上拋光涂有極細的氧化鎂粉的絲繞進行終拋光切屑根部在流水中清洗干凈無水酒精清洗熱風機干燥保存于干燥皿或馬上進行金相腐蝕。拋光設備LP-2雙盤立式金相試樣拋光機1.4 顯微組織的顯現(xiàn)金相腐蝕腐蝕原理：由于金屬內(nèi)各個晶粒的方向不同、各種組織的物理性能及晶粒邊界和晶粒內(nèi)部的化學成分不同，腐蝕時使金屬發(fā)生選擇性溶解，從而顯現(xiàn)出金相組織。選擇性

6、溶解很大程度上取決于相鄰組織單元的電化學勢。在腐蝕劑中起陽極作用的組織首先溶解；直接與晶粒邊界或相邊界毗連的地方，其合金元素成分不同于金屬的平均成分，通常也是并且是較劇烈地溶解，從而顯露出金相組織。腐蝕前，仔細清除試樣表面的油漬腐蝕時所產(chǎn)生的氣泡不能附在試樣表面不同材質(zhì)試樣，使用不同的腐蝕劑材 料腐蝕劑成份碳鋼、低合金鋼、中合金鋼、高速鋼、鑄鐵硝酸25mL，無水酒精 9895mL1Cr18Ni9Ti不銹鋼硝酸1mL， 鹽酸1mL耐熱鋼硫酸銅4g，鹽酸20mL，水20mL純 銅飽和氨溶液50mL，3%過氧化氫溶液50mL鑄鋼、黃銅、青銅飽和氨溶液50mL，3%過氧化氫溶液10mL鋁氫氧化鈉0.5

7、1g，水99.599mL試樣腐蝕后即用水沖洗，并用無水酒精清洗且用熱風機干燥。若不馬上進行觀察，應涂上凡士林以防銹。切屑根部金相照片2.變形系數(shù)的測定2.1變形系數(shù)的定義cchaaachclll厚度變形系數(shù)長度變形系數(shù)假設，切屑寬度與切削層寬度相等，且切削前后金屬體積不變1la2.2 變形系數(shù)測定的方法2.2.1 長度法用車床或刨床車削金屬，取得一段切屑后，用軟金屬絲沿切屑底面測出切屑長度lch，并計算出該段切屑相對應的切削長度lc，根據(jù)公式計算出變形系數(shù)。車削時控制車削長度方法V形槽法60apu V形槽法測量原理：平行于工件軸線銑一角度為60、深度小于切削深度ap的溝槽(一般，槽深為11.5

8、mm)。切削時，切屑是連續(xù)的帶狀，但從切屑上的溝槽即可判別出兩相鄰溝槽間的切屑長度即為工件一轉(zhuǎn)時所對應的切屑長度。u 矩形槽法測量原理：平行于工件軸線銑出寬度約23mm的矩形槽。為了減小切削時的沖擊，用澆注的辦法將鉛灌注在矩形槽內(nèi)。切削工件一周時，切屑自動分離，得到切削一圈時所對應的切屑長度。此時，切削長度為工件圓周長減去槽的寬度。23鉛矩形槽法u 小孔法測量原理：用鋼管進行直角自由切削時(車端面)，在鋼管端面平行于工件軸線鉆一小孔，在切下的切屑中根據(jù)兩相鄰小孔辨認出切削鋼管一周所對應的切屑長度。小孔法2.2.2 厚度法u 百分表法測量原理：將切屑底面放在平臺，百分表的量頭在切屑頂面進行測量，

9、根據(jù)百分表預先在標準塊上的校準值以及表針的讀數(shù)便可測出切屑厚度。由于切屑頂面非常毛糙，實際測量時應測量幾處的切屑厚度取平均值，以減小測量誤差。百分表測量切屑厚度百分表切屑表座平臺u 顯微鏡測定法相同切削條件下取得若干切屑根部標本，在工具顯微鏡下測得切屑厚度，取平均值作為該切削條件下的切屑的厚度。u 測厚儀測量法超聲波測厚儀：測量范圍 0.65260 分辨率 0.01MINITest400超聲測厚儀2.2.3 速度法測量原理：切屑經(jīng)過切削時的塑性變形后，其長度比切削長度縮短了倍，亦即切屑沿前刀面排出的速度比切削速度減小倍，故變形系數(shù)亦可用hcvv切削速度切屑沿前刀面流出的速度具體方法：用秒表準確

10、記錄第一條切屑在刀刃上斷裂后開始切削至第二條切屑斷裂的時間t(s)用漆包線或電工保險絲測量在t時間內(nèi)所切下切屑的長度lch計算切屑平均速度vchtlvchch)/(smmdnvd工件直徑(mm)n工件轉(zhuǎn)速(rps)chcldntvv方法簡單，切屑長時測量誤差較大2.2.4 質(zhì)量法質(zhì)量法的假設前提：材料在切削前后密度不變。測量原理：當切削長度為lc時，被切削層材料的質(zhì)量為，cwclaam式中，m切削層材料的質(zhì)量(g)，與相應的切屑質(zhì)量相同；被切材料的(g/mm3) ，在切削前后材料密度不變；ac切削厚度(mm)；aw切削寬度(mm)；l切削長度(mm)。 hcwclaam任取一段切屑，在天平上精

11、確地測出質(zhì)量m后，再測量出其長度lch。切屑長度的選取：若切屑過短則測量時難以手持；太長則造成測量誤差較大。一般選取切屑的長度25100mm比較合適。3.剪切角的測定M M刀具切屑O OA A終滑移線始滑移線=s3.1 直接測量法利用切屑根部磨片在金相顯微鏡下觀察及拍攝3.2 間接測量法通過測力儀測出切削力Fz和徑向切削力Fy，求出切屑與前刀面的摩擦角，計算得到剪切角。表達式依據(jù)理論最小能量原理(Merchant)滑移線場理論(Lee and Shaffer)最小能量原理結(jié)合實驗(修正的Merchant)動力學原理224oo4zyoFF1tan)(21oCoooesincostantan)2(

12、1四種計算剪切角比較摩擦系數(shù)剪切角NO.1MerchantNO.2Lee and ShafferNO.3修正的MerchantNO.4動力學公式四種公式計算剪切角，相差較大；用金相磨片直接測量剪切角辦法最為可靠。附：剪切角的理論公式根據(jù)剪切面的切削模型理論，可以建立變形的幾何關(guān)系，用剪切角即可衡量切屑變形程度的大??；若知道被切削材料的剪切屈服極限s、剪切角與刀具前刀面上的摩擦角及前角o之間的關(guān)系，有可能求得理論切削力的大小。建立剪切角的理論公式 ，則對預測切屑變形程度和切削力大小均有十分重要的實際意義。 ),(ofMerchant (麥錢特)的理論公式Merchant理論公式的假設：l切削時形

13、成帶狀切屑，且不產(chǎn)生屑瘤。l刃口力忽略不計。l當剪切角改變時，摩擦角和剪切面上的剪應力是獨立的不變量。l滿足最小能量原理。Merchant認為，剪切角應根據(jù)最小切削功原理確定，亦即剪切面在切削所需功率為最小的方向。22o切削功率為)cos(sin)cos(oocwzmvaavFP令0/ddPm硬質(zhì)合金刀具，o=-10+10，干切削，ac=0.0280.2mm,v=60360m/min實驗結(jié)果計算結(jié)果K0式中，0=0時的s； K比例常數(shù)。)tan(o)tan(10oK代入Pm公式，令0/ddPmCo2C切削常數(shù)。若令K=0，則C=/2與前一方程式結(jié)果一致。有些研究者得到的許多實驗結(jié)果與上式計算的

14、理論值仍不一致。切削常數(shù)C的物理意義l遒井和高田根據(jù)工藤有關(guān)滑移線場理論所進行的研究表明，Merchant剪切角理論公式實際上給出的是實驗數(shù)據(jù)范圍的上限。 Merchant切削方程式具有如下特點:l實際的切削數(shù)據(jù)往往分布在很寬的范圍內(nèi)。lK是從切削實驗求得的，有較大的布里奇曼效應。l假設中認為與無關(guān)，可是求得的切削方程式表明與之間有函數(shù)關(guān)系，與假設矛盾，實驗結(jié)果也證明是隨變化的。Lee and Shaffer(李和謝弗)的理論公式Lee and Shaffer認為，Merchant只對單一剪切面處于塑性狀態(tài)的切削模型進行了討論，實際上，在剪切面以外的部分變形雖然小，但也處于塑性變形狀態(tài)中。采用

15、滑移線理論對此進行了分析。Lee and Shaffer的剪切角公式假設條件剛性-完全塑性體Lee and Shaffer的滑移線場切削模型oLee and Shaffer假設，剪切面AC為第二滑移線，是塑性區(qū)ABC與剛性區(qū)的邊界，在此面上剪應力最大值。AB是塑性區(qū)與切屑的邊界，為主應力面，與AC成45角，并與切削合力F方向平行，其主應力和剪應力均為零。均勻應力場ABC的應力圓2224oMerchant、Lee和Shaffer理論公式與實驗結(jié)果的比較由理論公式計算與實驗結(jié)果不一致，試驗點位于理論值的上方。Lee和Shaffer認為是由于在高速切削時刀尖處常出現(xiàn)小積屑瘤的緣故，因而提出了前刀面上有積屑瘤的滑移線場切削模