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1、第一节 研究金属切削变形过程的意义和方法一、研究金属切削变形过程的意义 金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切 下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。即被 加工工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形，形 成切屑而被切下来的过程。 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切 削热与切削温度、刀具磨损等，它们产生的根本原因是 切削过程中的弹性变形和塑性变形 金属切削变形过程的研究是金属切削原理的基础理论研 究。是适应生产发展的需要，有助于保证加工质量，提 高生产率和降低成本。第三章第三章 金属切削的变形过程金属切削的变形过程二、研究切削变形的实验方法p 侧面变形观察法p 高
2、速摄影法p 快速落刀法p SEM观察法p 光弹性、光塑性实验法p 其它方法，如：X射线衍射等 金属在加工过程中会发生剪切和滑移，下图表示了金属 的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线， 纵向线是金属的剪切滑移线。可划分为三个变形区一、 变形区的划分金属切削过程中滑移线和流线示意图第二节 金属切削层的变形 第变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。图 切削部位三个变形区 第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。三个变形区三个变形区 第变形区：靠近前刀面处 ，切屑排出时受前
3、刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。第变形区： 从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到OM 线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，AOM区 域叫第一变形区。 是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移， 伴随产生加工硬化。第一变形区是金属切削变形过程中 最大的变形区，在这个区域内，金 属将产生大量的切削热，并消耗大 部分功率。此区域较窄，宽度仅 0.020.2 。第变形区： 刀屑接触区 切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶 粒进一步剪切滑移。 特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀 面，有时有滞流层。 切屑与前刀面的压力很
4、大，高达23GPa，由此摩擦产生 的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑 底部与刀具前刀面发生粘结现象。第变形区： 刀工接触区。 已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒 进一步剪切滑移。 有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬 化和回弹现象。 三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个 变形区内的变形又相互影响。p 设切削层中某点P向切削刃逼近，到1点时切应力达到材料剪切屈服强度s（ = s），1点向前移动的同时，也沿剪切方向滑移，其合成运动轨迹从1点运动到2点而不是2点，22是滑移距离二、第一变形区内金属的剪切变形p P点继续逼近刀刃，由于硬化现象
5、，剪应力增大，因此P点经过1234，到达4点时剪切滑移结束，沿平行前刀面方向流出成为切屑。位 置P12（3）44以后应力状态 s s无剪应力流动方向切削速度v合成运动合成运动合成运动前刀面区 域切削层金属第一变形区切屑v 金属在第一变形区滑移过程p 切削层金属是在AOM区内通过剪应力产生滑移变成切屑 (Chip) 的。 AOM区叫做第一变形区。p OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。 p 其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。p 晶粒滑移：切削层金属的变形，从晶体结构看，就是沿晶格中晶面的滑移。p 在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所以可看成一个面即剪切面。剪切面与切削
6、速度之夹角 叫剪切角，以表示。刀具切屑晶粒滑移示意图 滑移与晶粒伸长p 假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中晶面滑移，粒变椭圆形，AB变为长轴AB；随剪应力增大，晶格纤维化，AB成为纤维化方向 。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致，它们成一角。 卡片模型 切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后沿卡片间滑移而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向。卡片模型p 剪切角 p 剪应变 p 变形系数 三、变形程度的表示方法1、剪切角 在相同切削条件下，剪切角越大，剪切面积越小，切屑厚度越小，变形越小。 剪切角可采用快速落刀实验获得切屑根部照片再测量得到，比较麻烦。o2、剪应变 平行四边形OHNM剪切变形
7、为OGPM，按剪应变即相对滑移关系有 = s / y， 而 s = NP，y = MK 故 =NP / MK = (NK+KP) / MK = ctg + tg(-0)剪切变形示意图变形系数求法3、变形系数 由实验和生产可知，切屑厚度 ach 大于切削层厚度ac，切屑长度 lch 小于 切削层长度 lc。 长度变形系数L切削层长度lc与切屑长度lch之比L= lc/lch 厚度变形系数 a = ach/ ac 忽略切屑宽度的变化，有a=L= 大于1，值大表示切屑越厚越短，变形越大 变形系数能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。变形系数、剪切角和剪应变的关系以上是按纯剪切观点提出的，
8、而切削过程是复杂的，既有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。如=1时，ach=ac，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有相对滑移存在。也只当1.5时， 与基本成正比。 第三节 前刀面的挤压与磨擦及其对切屑变形的影响根据前述，切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，靠近 前刀面的切屑底层进一步变成第二变形区。特征： 切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前刀面上 切屑发生弯曲； 刀屑接触区温度升高； 第二变形区的挤压和摩擦影响切屑的流出，从而影响第一 变形区金属的变形，影响剪切角的大小。 粘结区：高温高压使切屑底 层软化，粘嵌在前刀面高低不 平的凹坑中，形成长度为lfi 的粘接区。切屑的粘接
9、层与上 层金属之间产生相对滑移，其 间的摩擦属于内摩擦。图 切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑 与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。 滑动区：切屑在脱离前刀面 之前，与前刀面只在一些突出 点接触，切屑与前刀面之间的 摩擦属于外摩擦。lfolfi特点特点两个摩擦区两个摩擦区一、作用在切屑上的力、剪切角与前刀面上摩擦角的关系 前刀面上：法向力Fn和摩擦力Ff； 剪切面上：正压力Fns剪切力Fs 两对力平衡。作用在切屑上的力及其与角度关系p Fr切削合力；Fn与Fr的夹角，即摩擦角； =tg 为前刀面的摩擦系数p Fz Fr在切削运动方向的分力；Fy Fr与切削运动
10、方向垂直的分力。可由公式计算p 切削合力Fr与剪切力Fs之夹角为 (+-0)，由材力知 (-0) 为切削合力Fr 与切削速度方向的夹角，称作用角，以表示。 可得如下结论： 前角 o 增大时， 增大，变形减小。故在保证刀刃强度条件下增大前角可以改善切削过程（降低切削力、温度、提高表面质量等）； 摩擦角 增大时， 减小，变形增大。故提高刀具刃磨质量、使用切削液可减小前刀面上的摩擦，对切削过程有利。二、前刀面上的摩擦切屑与前刀面摩擦示意图切削塑性材料时刀屑接触区的摩擦示意图。可见，刀屑接触面分两个区域：粘结区和滑动区。刀具前刀面的摩擦特性 ，法应力=s 剪应力，=O A B刀具 OA 粘结区AB 滑
11、动区p OA粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的p AB滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数p 粘结区内摩擦p 切塑性金属时，切屑与前刀面间高温(几百度)、高压（2-3GPa）使切屑底部与前刀面间发生粘结，亦称“冷焊”；p 粘结区并非一般的外摩擦，而是粘结层金属与相邻切屑较上层之间的晶粒相对剪切滑移，属内摩擦。p 单位切向力 = 材料的剪切屈服极限s滑动区外摩擦p 单位切向力由 s 逐渐减小到0。p 刀屑接触面上正应力 在刀尖处最大，逐渐减小到0。三、影响前刀面摩擦系数的主要因素p 工件材料：强度硬度增大， 减小（V不变时，温度升高）p 切削厚度：切削厚度增大，正应力增大， 减小p 切削速度：
12、低速，V大， 越大；高速，V大， 越小p 刀具前角：o 增大，正应力减小， 越大切削速度：在不同v范围，影响不同。v低时，温度较低，前刀面与切屑底层不易粘结。粘结情况随速度的增大而发展，使增大；当v超过一定值时，温度升高，使材料塑性增大，流动应力减小，故降低。p 积屑瘤由于刀屑接触面的摩擦，当切削速度不高又形成连续切屑时，加工钢料和其它塑性材料时，常常在刀刃处粘着剖面呈三角状硬块。硬度为工件硬度的2-3倍，这块金属被称为积屑瘤。叫积屑瘤。p 形成原因：高温、高压，粘结、冷焊第四节 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响一、积屑瘤的成因：当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面 的挤压和摩擦，切屑
13、与刀具前刀面接触面温度升高，挤 压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象，也就 是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产 生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层 粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图所示。积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且 也与刀刃前区的温度和压力有关。 材料塑性越高，愈易形成积屑瘤。 实验证明：形成积屑瘤有一最佳切削温度，此时积屑瘤 高度Hb最大，当温度高于或低于此温度时，积屑瘤高度皆 减小。 积屑瘤高度与切削速度的关系如下图，实际上也反映了 与温度的关系。积屑瘤高度Hb与vc的关系二、积屑瘤对金属切削过程产生的影响（P44） ：（1）实际刀具
14、前角增大;（2）实际切削厚度增大；（3）加工后表面粗糙度增大；（4）影响切削刀具的耐用度；不利方面： 积屑瘤不稳定时（脱落时），有可能使脆性刀具颗粒剥落， 反而加剧刀具磨损； 产生积屑瘤后使切削厚度增大ac值，影响工件尺寸精度； 当积屑瘤不稳定时，由于积屑瘤产生成长脱落周期动态 变化，易引起振动； 脱落的积屑瘤碎片影响工件表面粗糙度，也易划伤刀具使耐 用度降低。三、积屑瘤的作用有利方面： 可增大实际前角，减少变形和切削力； 可保护切削刃、降低刀具磨损。四、抑制积屑瘤的措施（1）降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象；（2）采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度；（3）调整刀具角度，增
15、大刀具前角，减小刀屑接触压力；（4）更换切削液，使用润滑性好的切削液和精研刀具表面， 降低磨擦 ；（5）提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。 从前面第一和第二变形区的分析可知，变形和摩擦是影响切削过程的关键。影响切屑变形的主要因素可从以下四方面分析：工件材料、刀具参数、切削速度和切削厚度第五节 切屑变形的变化规律1、工件材料方面 工件材料强度愈高，切屑变形愈小。 原因：工件材料强度愈高， 减小，增大,变形系数减小。工件材料强度对变形系数的影响2、刀具方面 前角愈大，变形愈小。原因：前角影响切屑流出方向，影响作用角。o愈大，愈小，角愈大，变形愈小。 前角对变形系数的影响 由图可以看到，当刀具前角O 增大时，沿刀面流出的金属切 削层将比较平缓的流出，金属 切屑的变形也会变小。 通过对高速钢刀具所作的切削 试验也证明了这一点。在同样 的切削速度下，刀具前角O愈 大，材料变形系数愈小。 刀尖圆弧半径对切削变形也有 影响，刀尖圆弧半径越大，表 明刀尖越钝，对加工表面挤压
