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1、2.3 前刀面的摩擦与积屑瘤前刀面的摩擦与积屑瘤第一节 金属切削时的摩擦特点第二节 金属切削的摩擦机理 第三节 切削时的摩擦系数 第四节 切削润滑关于固体滑动摩擦，阿门吞(Amontons)已于1699年得出如下两条法则：1)摩擦力与名义接触面积大小无关。2)摩擦力与法向载荷大小成正比。可是在切削时，刀屑和刀工的滑动摩擦并不服从阿门吞的这两条法则。第一节第一节 金属切削时的摩擦特点金属切削时的摩擦特点 金属切削过程中摩擦的特点 直角自由切削，假设刀具绝对锋利，后刀面不与工件接触。仪器测得和设刀具加在切屑底面的摩擦力为Ff，则其大小等于Ft，其方向与的Ft方向相反。根据阿门吞第二法则和定义，摩擦
2、系数为：上式的分子和分母都除以刀屑名义接触面积 式中 b 刀屑接触面的宽度；lf 刀一屑接触面的长度。按照阿门吞的摩擦第二条法则，是常数，与 的大小无关，应正比于应正比于。得 刀屑单位接触面积上的平均切应力；刀屑单位接触面积上的平均法应力。通过切削实验可知：在切削速度很低的情况下，不管通过切削实验可知：在切削速度很低的情况下，不管通过切削实验可知：在切削速度很低的情况下，不管通过切削实验可知：在切削速度很低的情况下，不管切的是铜还是钢，只要前角增大，法应力切的是铜还是钢，只要前角增大，法应力切的是铜还是钢，只要前角增大，法应力切的是铜还是钢，只要前角增大，法应力便明显减小，便明显减小，便明显减
3、小，便明显减小，可是切应力可是切应力可是切应力可是切应力却几乎不变，这就违反了阿门吞第二条摩擦却几乎不变，这就违反了阿门吞第二条摩擦却几乎不变，这就违反了阿门吞第二条摩擦却几乎不变，这就违反了阿门吞第二条摩擦法则，即违反了摩擦力与法向载荷大小成正比这条法则。法则，即违反了摩擦力与法向载荷大小成正比这条法则。法则，即违反了摩擦力与法向载荷大小成正比这条法则。法则，即违反了摩擦力与法向载荷大小成正比这条法则。在下文我们还将知道，切削时摩擦力与接触面积的大小并在下文我们还将知道，切削时摩擦力与接触面积的大小并在下文我们还将知道，切削时摩擦力与接触面积的大小并在下文我们还将知道，切削时摩擦力与接触面积
4、的大小并非无关，也就是说，切削时的摩擦也不遵循阿门吞第一摩非无关，也就是说，切削时的摩擦也不遵循阿门吞第一摩非无关，也就是说，切削时的摩擦也不遵循阿门吞第一摩非无关，也就是说，切削时的摩擦也不遵循阿门吞第一摩擦法则。擦法则。擦法则。擦法则。由此可知，阿门吞摩擦法则不适用于金属切削。究其原由此可知，阿门吞摩擦法则不适用于金属切削。究其原由此可知，阿门吞摩擦法则不适用于金属切削。究其原由此可知，阿门吞摩擦法则不适用于金属切削。究其原因得知，阿门吞法则只是在一般情况下做实验所得结果的因得知，阿门吞法则只是在一般情况下做实验所得结果的因得知，阿门吞法则只是在一般情况下做实验所得结果的因得知，阿门吞法则
5、只是在一般情况下做实验所得结果的总结，而金属切削时，摩擦面温度甚高，而且压力甚大，总结，而金属切削时，摩擦面温度甚高，而且压力甚大，总结，而金属切削时，摩擦面温度甚高，而且压力甚大，总结，而金属切削时，摩擦面温度甚高，而且压力甚大，远非一般摩擦所能达到。远非一般摩擦所能达到。远非一般摩擦所能达到。远非一般摩擦所能达到。要弄清楚金属切削时的摩擦过程，还得从研究摩擦机理入要弄清楚金属切削时的摩擦过程，还得从研究摩擦机理入要弄清楚金属切削时的摩擦过程，还得从研究摩擦机理入要弄清楚金属切削时的摩擦过程，还得从研究摩擦机理入手。手。手。手。第二节第二节 金属切削的摩擦机理金属切削的摩擦机理 一.固体金属
6、的接触 二.刀屑的接触三.固体金属表面的氧化膜和吸附膜四.接触峰点的冷焊 五.刀屑的摩擦过程一一.固体金属的接触固体金属的接触 固体的表面从微观看来分布着许多“峰”和“谷”，两个固体金属叠放在一起，当它们之间的压力不很大时，只有一些峰点互相接触。它的实际接触面积只占名义接触面积很小的一部分。实际接触面积将随着法向载荷的增大而增大。增大的方式一方面是增加接触峰点的数目，另一方面是增大原来接触峰点的接触面积，并以前者为主。u由于载荷集中在正在接触的峰点上，这些承受载荷的峰点的应力也就达到或超过屈服点，因而发生了塑性变形。为了便于分析，刀屑之间微观凸起的互相接触，简化为理想的球面对球面球面对球面、平
7、面对球面，平面对圆柱面、平面对球面，平面对圆柱面、圆柱面对圆柱面等圆柱面对圆柱面等的组合。u通过分析可以发现，当金属表面相接触时，即使载荷不很大，在精细表面的峰点周围的材料便处于很容易超过弹性极限的应力状态。u事实上，在大多数情况下，峰点周围的材料很快就处于完全塑性，在变形面积上的平均压应力由以下公式计算：返回返回u其中e为两个接触金属中较软材料的弹性极限。对于一些不产生加工硬化的金属，e是个常数，所以m也是常数。u因此，发生塑性流动的面积A就与载荷Fw成正比，而与屈服压应力成反比，即：切削时，可以想象前刀面上有许多微小峰点，其凸峰都是理想的球状；而切屑可以想象为硬度比前刀面软的平面。在切屑加
8、在前刀面的法向力Fn的作用下，前刀面上的凸峰压入切屑。刀屑总的实际接触面积应等于前刀面上各峰点与切屑接触的总和，而分摊在各峰点上的载荷Fw的总和应为Fn，设软材料的压缩屈服应力为s，则二二.刀屑的接触刀屑的接触e 材料的弹性极限。刀屑间实际接触面积 刀屑实际接触面积；切屑材料的压缩屈服应力；切屑作用在前刀面上的法向力。刀屑名义接触面积为切削宽度；刀屑接触长度。得式当 小于 时，小于 ，这时的接触是一些峰点接触，称为峰点型峰点型接触。当 增大到与 相等，实际接触面积等于名义接触面积，若再增大法应力，实际接触面积也不会再增大，而是以名义接触面积为极限值。这种接触称为紧密型紧密型接触（如图）。刀屑的
9、紧密型接触示意图刀屑的紧密型接触示意图 OA称为紧密型接触区，简称I区或前区AB区称为峰点型接触区，简称区或后区 返回返回在切削加工中，切屑的新生表面暴露在空气中，空气便在这新生表面上形成吸附膜，空气中的氧与新生表面层起化学反应而形成氧化膜。对于刀具来说，如果在空气中暴露，同样会在表面上形成吸附膜，如果刀具材料能和氧起化学反应的话，也同样会生成氧化膜。对于碳钢则生成三种稳定的氧化物，包括 Fe2O3、Fe3O4、FeO。三三.固体金属表面的氧化膜和吸附膜固体金属表面的氧化膜和吸附膜吸附膜稳定性较差，随着温度的升高，解吸能力逐渐增大。氧化膜相对来说是比较稳定的，但是比较脆，容易破碎。两个相接触的
10、金属作相对滑动，摩擦主要发生在膜层之内，这时摩擦系数较小。通过实验发现，摩擦面上的氧化膜和吸附膜有显著的润滑润滑作用。返回返回切削时（法向力Fn大），刀屑接触面上的许多峰点都发生了接触、互相挤压，软的一方发生了塑性变形，蜂点被压低了，有部分金属向凹谷里流动。在发生强烈塑性变形的同时，这些峰点的温度急剧上升。摩擦面上原先的吸附膜在高温下解吸，并移向凹谷。氧化膜是比较脆的，由于所依附的金属发生塑性流动，因而也就破碎，随着峰点顶部金属移往凹谷。刀屑摩擦面上的峰点发生了金属对金属的接触，而且由于峰点之间存在着很大的压力，接触非常紧密，峰点间发生了金属元素的互相扩散。四四.接触峰点的冷焊接触峰点的冷焊
11、峰点间在摩擦过程中的互相接触、挤压和发生塑性变形，是在非常短暂的时间内完成的，以至摩擦热来不及从摩擦面传出，而是大量积聚在接触蜂点的表层金属里，因而接触峰点表层达到很高的温度，使峰点表层金属处于软化甚至熔融状态。刀屑摩擦面上的许多接触着的峰点，在这种情况下发生了焊合。高温只存在于蜂点的表层，就整个刀具和切屑而言，温度并不高，故称这种焊合为冷焊；峰点相互联结处称为冷焊结。带状切屑开始时，冷焊面积小于实际接触面积，有部分氧化膜和吸附膜仍然起着润滑作用，所以这时的摩擦系数和摩擦力都比较小。随着切削经历时间的增长，切屑连续地流出，用新生的底表面逐渐将这些氧化膜和吸附膜抹拭干净，冷焊面积才逐渐增大，刀屑
12、间的摩擦系数和摩擦力也才逐渐增大。切削时如果形成的是单元切屑，切屑周期地脱离前刀面，前刀面便周期地暴露在空气中，在极短暂时间里又重新形成吸附膜和氧化膜。当新的切屑单元形成时，又逐渐将这新形成的氧化膜和吸附膜抹拭掉，摩擦系数和摩擦力又逐渐增大。这是形成单元切屑时摩擦系数周期变化的原因。摩擦系数的变化反过来又影响单元切屑的形成。返回返回刀屑之间如果形成了峰点的冷焊，那么在相对滑动时，所形成的冷焊结必然受到剪切破坏。与此同时一些新的冷焊结又要形成，以保持原有实际接触面积的大小。可见刀屑的摩擦过程也就是不断地更换冷焊结的过程刀屑的摩擦过程也就是不断地更换冷焊结的过程。五五.刀屑的摩擦刀屑的摩擦返回返回
13、第三节第三节 切削时的摩擦系数切削时的摩擦系数 冷焊结受到剪切破坏时表现出来的抗剪力便是摩擦力的主要组成部分。在切过一段时间之后，氧化膜和吸附膜即被切屑抹拭干净，冷焊面积便与实际接触面积相等。因此，抗剪力等于冷焊结的抗剪强度s与实际接触面积Ar的乘积，为s Ar。摩擦力的组成中除了冷焊结的抗剪力之外，还有另一部分耕犁力Fp，它是摩擦耦较硬一方表面上的凸峰在较软一方的材料中划过（耕犁）所受到的阻力，因此，总摩擦力Ff为由于Fp远小于抗剪力，可忽略不计，则由于Ar1=A1，剪应力=s。切削温度很低的情况下，可以假设切屑底层金属的抗剪强度不受温度分布不均匀的影响，亦即不随 而变，s=常数。（x）随x
14、的增大而减小，因此1是变量，在刀刃处为最小，随x增大而增大，在A处达最大值。在I区里，刀屑的摩擦不服从古典摩擦法则。刀屑界面上法应力和切应力的分布刀屑界面上法应力和切应力的分布 在I区里，刀屑接触属紧密型接触，=，则 ，按定义 在区里,刀屑接触属峰点型接触,实际接触面积 ,摩擦力 ，=常数2是常数，在区里，刀屑的摩擦服从古典法则。由于I区Ar1=Aa1，区的冷焊面积比I区的小，因而摩擦力比I区的小。但2比1大,这是因为载荷（法应力）分布不均匀，区的s比I区的（x）小的缘故。刀屑界面上法应力和切应力的分布刀屑界面上法应力和切应力的分布 刀屑的摩擦力等于前后区摩擦力之和 刀屑平均摩擦系数 返回返回