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1、,机械制造技术基础 Fundamentals of Mechanical Manufacturing Technology,金属切削过程是刀具从工件表面切去多余金属的过程，也是工件的切削层在刀具前刀面挤压下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。切削过程中会产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。,研究、掌握并能灵活应用金属切削过程基本理论, 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。,第一节 金属切削过程及切屑类型,一、概述,1研究金属切
2、削变形的常用方法,研究金属切削变形应抓住高速和微观两个特点。,1）侧面方格变形观察法 图3-1,2）快速落刀法 图3-2,3）其他方法 高速摄影法 扫描电镜显微观察法等 图3-3,第一节 金属切削过程及切屑类型,2、变形区的划分,（1）第一变形区 塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，称为剪切区 切削过程的塑性变形主要集中于此区域,通常将直角自由切削塑性金属材料时，切削刃作用范围内的切削层划分为三个变形区 图3-4,第一节 金属切削过程及切屑类型,（2）第二变形区 切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和
3、切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形。 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,第一节 金属切削过程及切屑类型,（3）第三变形区 在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域。由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的存在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量。,第一节 金属切削过程及切屑类型,二、切削变形,切削金属过程中的变形是指三个变形区的变形,金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，随着外力的增大，当剪切应力
4、达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形。OA为始滑移线，OM为终滑移线。厚度0.02-0.2,切削变形过程示意图,工 件,刀 具,图31 切屑形成过程模型,FLASH,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3-2 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。,在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。 切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。 金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。
5、晶粒在到达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方向性，仍为圆形（图3-4） 。 晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的方向不重合，两者之间成一夹角（图3-5）。,切屑形成本质,图34 晶粒滑移示意图,图35 滑移与晶粒的伸长,1. 剪切角,三、切削变形程度,剪切面 p与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角，用表示 。图37,图36 角与剪切面面积的关系 图37 变形系数的求法,剪切角 剪切面积变形程度切削力。,切屑厚度ach与切削层的厚度ac之比称为厚度变形系数，用a 表示，h = ach/
6、ac ； 而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用l表示，l=lc/lch 。 根据体积不变原理, 则 a l。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。,2. 变形系数,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。,变形系数是大于1的数，可以用剪切角表示：,公式(3.3)表明，剪切角与前角0变化是影响切削变形的两个主要因素。因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角0和剪切角，使减小，则切削变形减小。 主要从塑性压缩方面分析，只能近似地表示切削变形等程度。,3.剪应变,图3-8 如果平行四边形OHNM发生剪切变形后变为四边形OGPM,
7、则剪应变 = s / y= =cot + tan(- 0 ),4.剪应变与变形系数的关系 式3-8，图3-9,四前刀面与切屑间的摩擦,1. 作用在切屑上的力,刀具与切屑之间的作用力分析如图3-10所示。 在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对其作用的法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的合力分别为Fr 和 Fr。 假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共线，有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，是剪切角；是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角；o是刀具前角。,如将上述两对力都画在切削刃的前方，就得到直角自由切削时力与角度的关系图。,如用测力
8、仪直接测得作用在刀具上的切削分力 和 ，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数。,切削合力Fr的方向就是主应力的方向。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45，即Fs与Fr的夹角应为45，故,2.剪切角与前刀面摩擦角的关系,分析上式可知：1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。,2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。,粘结区：高温高压
9、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。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,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。,3. 前刀面上的摩擦,图312 切屑和前面摩擦情况示意图,剪应力的分布 在粘结区内基本上是不变的，它等于较软金属的剪切屈服极限s；在滑动区剪应力是变化的，离切削刃越远，越小。,正应力分布 在接触区内正应力是变化的，离切削刃越远，前刀面上正压力越小，故正应力越小。近
10、切削刃处正应力为最大值,3. 前刀面上的摩擦,在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层 。 所谓“内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。 切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。 刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外摩擦)区。 金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦。,令为前刀面上的平均摩擦系数，则式中，Af1内摩擦部分的接触面积；av内摩擦
11、部分的平均正应力；s工件材料剪切屈服强度。由于s随切削温度升高略有下降，av随材料硬度、切削厚度及刀具前角而变化，其变化范围较大，因此，是一个变数。,工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度是影响前刀面摩擦系数的主要因素。 工件材料：实验表明在相同切削条件下，加工几种不同工件材料，如铜、10钢、10Cr钢、1Cr18Ni9Ti等，随着工件材料的强度和硬度的依次增大，摩擦系数略有减少。这是 由于当切削速度不变时，材料的硬度强度大时，切削温度增高，故摩擦系数下降。 切削厚度、刀具前角：切削厚度ac增加时，也略为下降，如10钢的ac从0.1mm增大到0.18mm,从0.74降至0.72。因为ac增加后
12、正应力也随之增大（参见式3-10）。在一般切削速度范围内，前角0愈大，则值愈大。因为随着0增大，正应力减小，故增加。,4.影响前刀面摩擦系数的主要因素,切削速度对摩擦系数的影响见图3-13。当v60mmin)切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。在中速(vc20mmin)，积屑瘤的高度达到最大值。,实际前角增大（图3-14）； 增大切削深度（图3-14） ； 使加工表面粗糙度增大； 对刀具寿命的影响。,一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。,4）积屑瘤对切削过程的影响,有利方面,保护刀
13、具,增加工作前角,积屑瘤硬度很高,可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损,积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大,可减小切削变形和切削力，使切削轻快,2、积屑瘤对加工过程的影响,不利方面,影响工件尺寸精度,影响工件表面粗造度,积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损,会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大,时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动,积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化,5.精加工避免或减小积屑瘤的措施,（1）避开中速区 （2）使用润滑性能好的切削液 （3）增大刀具前角 （4）提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向,采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影
14、响积屑瘤的， 以切削45钢为例，在低速vc3m/min和较高速度vc60m/min范围内， 摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤； 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； 适当减少进给量、增大刀具前角； 适当提高工件材料的硬度； 提高刀具的刃磨质量； 合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。,5）抑制或消除积屑瘤的措施,六、影响切屑变形的主要因素,1. 工件材料的力学性能,材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小（图3-15）。,2.切削用量,（1）切削速度,切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。在积屑瘤增长的速度范围内 , 因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角增大、变形系数减小。 在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系数不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 （图） 在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。 切削铸铁等脆性金属时, 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐地减小。,六、影响切屑变形的主要因素,1. 工件材料的力学性能,材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小（图3-15）。,2.前角,前角增大，剪切角增大，而剪切角越大，则变形系数减小。 变形系数与前角之间的关系如图所示。,
