金属切削第三章.ppt

第三章第三章 金属切削的变形过程金属切削的变形过程 第一节 切削变形与切屑形成过程 第二节 切削力 第四节 刀具磨损与刀具寿命 第三节 切削热与切削温度 研究金属切削变形过程的意义意义 • 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 的根本原因时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 研究切削变形的实验方法 p 侧面变形观察法 p 高速摄影法 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、 切削变形区的特点 金属切削过程中滑移线和流线示意图 第一节 切削变形与切屑形成过程 塑性金属受压缩时，随着 外力的增加，金属先后产 生弹性变形、塑性变形， 并使金属晶格产生滑移， 而后断裂 以直角自由切削为例，如果 忽略了摩擦、温度、和应变 速度的影响，金属切削过程 如同压缩过程，切削层受刀 具挤压后也产生塑性变形。

Ø 第Ⅰ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 切削部位三个变形区 Ⅰ Ⅲ Ⅱ Ø 第Ⅲ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 Ø 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 ，切屑排出时受前刀面挤压与 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 切削变形金相显微照片 第Ⅰ变形区： Ø 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 Ø 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0.02～0.2㎜ 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，22是滑移距离 pP点继续逼近刀刃，由于硬化现象，剪应力增大 ，因此P点经过1—2—3—4，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。

第I变形区内金属的剪切变形 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 0.20.02mm，所以可看成一个面—即剪切面 剪切面与切削速度 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AB；随剪应力增大， 晶格纤维化，AB成为纤维化方向 p 纤维化方向与晶粒滑移方向不一致，它们成一（ 凯帕）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 第Ⅱ变形区： Ø 刀屑接触区 Ø 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。

Ø 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 Ø 切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，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II变形区内金属的挤压变形 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和 摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平 行 第Ⅲ变形区： Ø 刀工接触区 Ø 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 Ø 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 Ø 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 • 金属切削过程是被切金属层在刀刃和前刀面的作 用下，经过挤压和滑移变成切屑(Chip)的过程 • 切屑从形态、尺寸、颜色以至硬度都反映了被加 工材料和切削条件对滑移的影响 • 研究切屑的形态不仅在生产实践上具有重要意义 （切屑处理），而且在理论上也有重要意义切 屑变形规律是切削过程中诸如切削力、切削热和 切削温度、刀具磨损等规律的重要理论基础 二、切屑类型 带状 挤裂 单元 崩碎 由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不 同，常见的切屑有四种类型。

前三种为切削塑性 材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑 1、带状切屑 • 最常见 • 内侧表面光滑，外侧表面呈毛茸状，用显微镜观察 可见到有均匀整齐的剪切裂纹被切材料在经过终 滑移线时剪应力未超过材料的破裂强度 • 通常加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度 较高，刀具前角较大时得到 • 切削力波动很小，切削过程平稳，已加工表面粗糙 度较小 2、挤裂切屑 • 外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹 • 加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速 度较低，刀具前角较小时得到加工硬化较 大，在局部剪应力超过破裂强度 • 切削力波动较大，切削过程产生一定的振动 ，已加工表面较粗糙 3、单元切屑 • 在挤裂切屑的基础上切削厚度增大，切削速度 、前角减小，挤裂切屑的整个剪切面上的应力 都超过了材料的破裂强度使剪切裂纹进一步 扩展而断裂成单元体 • 生产中很少见到 • 从带状挤裂单元切屑的变化：切削厚度 由小到大，切削速度和刀具前角由大到小 • 表面粗糙度随切屑从单元向挤裂和带状形态 的转变而逐步降低 • 掌握其变化规律，就可改变切屑形态以达控 制切屑（卷屑、断屑）和改善已加工表面质 量的目的 4、崩碎切屑 • 切削脆性金属材料如灰铸铁时得到的。

• 产生原因：材料受到拉应力已超过其抗拉强度 • 切削力波动甚大，有冲击负荷，已加工表面凹凸 不平 • 改变切削条件，如大前角，大刃倾角，小切削厚 度，高切削速度，可得到针状切屑或松散的带状 切屑此时切削过程平稳，已加工表面粗糙度较 小 形成 条件 影响 名称 简图 形态 变形 带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状 粒状不规则块状颗粒 剪切滑移尚未达 到断裂程度 局部剪切应力达到断 裂强度 剪切应力完全达 到断裂强度 未经塑性变形即 被挤裂 加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大 加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小 工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低 加工硬脆材料， 刀具前角较小 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳 切削力波动较大， 切削过程不平稳， 表面粗糙度不佳 切削力波动大，有 冲击，表面粗糙度 恶劣，易崩刀 带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑 表 切屑类型及形成条件 切屑类型切屑类型 带状切屑挤裂切屑 节状切屑 崩碎切屑 切屑形态照片 p 剪切角  p 剪应变  p 变形系数  p 刀屑接触长度 L 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 2、剪应变 • 平行四边形OHNM剪切变形为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（克赛） Ø 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 Ø 长度变形系数L切削层长度lc与切 屑长度lch之比 L= lc/ lch Ø 厚度变形系数 a = ach/ ac Ø 忽略切屑宽度的变化，有a=L= Ø 大于1，值大表示切屑越厚越短，变 形越大 Ø 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 图3-4 切削变形程度表示 a) 切削层尺寸与切屑尺寸 b) 前角、剪切角与切削变形关系 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，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ξ1.5时， ξ与ε基本成正比 四、前面上的摩擦特点 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： Ø 切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前 刀面上 Ø 切屑发生弯曲； Ø 刀—屑接触区温度升高； Ø 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 ØØ 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 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 ØØ 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 图3-6 刀-屑面间接触与粘结 a) 刀-屑面间接触 b) 刀-屑面间粘结 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 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： 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。