第二章第二节-金属切削原理

第二节金属切削过程本节要点切屑的形态切屑变形的度量变形区的划分前刀面的摩擦及其对切屑的影响切屑变形的变形规律积屑瘤切削方式a）非自由切削主、副切削刃同时参加切削的切削方式。

1.非自由切削

切削方式b）直角自由切削2.自由切削只有一个切削刃参加切削的切削方式。

在自由切削方式中，如果主切削刃又垂直于切削速度方向就称为直角自由切削。3.直角切削主切削刃垂直于切削速度方向（λs=0°）的切削方式。切削方式c）斜角自由切削在自由切削方式中，如果主切削刃不垂直于切削速度方向则称为斜角自由切削。

若主切削刃与切削速度方向不垂直（λs≠0°）的切削方式。4.斜角切削

金属切削过程与金属受压缩过程比较：a）压缩b）切削下图a所示,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。下图b所示,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。一、金属切削过程概述FABOM45°a）正挤压FABOM45°b）偏挤压OMFc）切削切削层刀具一、金属切削过程概述切屑的形成金属切削过程的实质是被切削金属层在刀具挤压作用下产生剪切滑移的塑形变形过程。塑形金属的切削过程一般要经过弹性变形、塑形变形、挤裂、切离四个阶段。图2-4金属切削过程示意图一、金属切削过程概述动画切削变形过程示意图工件刀具一、金属切削过程概述

切削变形区以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为：三个变形区：

第一变形区第二变形区第三变形区一、金属切削过程概述刀具后刀面摩擦区变形区第一变形区第三变形区第二变形区

第Ⅰ变形区：滑移变形区，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。切削力和切削热的主要来源。切削部位三个变形区ⅠⅢⅡ

第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。是造成后刀面磨损、已加工表面的质量（表面粗糙度、加工硬化和残余应力）的主要原因。

第Ⅱ变形区：靠近前刀面的切屑底层，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。变形区的划分一、金属切削过程概述剪切角：剪切面OM与切削速度方向的夹角。滑移越越严重，则剪切角越小，变形越大。OA—始滑移线；OM—终滑移线（1）第Ⅰ变形区的变形特征金属的剪切滑移变形一般速度范围内，第Ⅰ变形区的宽度为0.02～0.2mm。速度越高，宽度越小，可看作一个平面——剪切面。剪切面与切削速度vc方向之间的夹角称为剪切角Φ

。1.第Ⅰ变形区（剪切滑移区）滑移变形区切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角第Ⅰ变形区的变形剪切面变形系数ξ

（2）变形程度的表示方法变形系数是通过切屑外形尺寸变化来衡量变形大小的。变形系数ξ表示切屑收缩的程度,即:变形系数的计算

（2）变形程度的表示方法

由上式可知：φ越大，γo越大，则ξ越小。该方法简便，但很粗略，有时不能反映剪切变形的真实情况，因而有必要研究标志变形程度的其他方法。

（2）变形程度的表示方法相对滑移ε

（2）变形程度的表示方法切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，采用“相对滑移——单位厚度上的剪切滑移量”

来衡量变形程度应该是比较合理的。当平行四边形OHNM发生剪切滑移变形后，变为OGPM，其相对滑移为

（2）变形程度的表示方法相对滑移ε的计算

由上式知：φ越大，γo

越大，则ε越小，变形也越小。

（2）变形程度的表示方法综上所述，ξ主要从塑性压缩方面分析，而ε主要是从剪切变形考虑的，所以，ε与ξ都只能近似表示变形程度的大小。相对来讲，ε能比较真实地反映变形的程度。

一、金属切削过程概述第Ⅱ变形区2.第Ⅱ变形区（挤压摩擦区）（1）第Ⅱ变形区的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。2.第Ⅱ变形区刀-屑接触区可分两部分：粘接区lf1:高温高压—材料软化—微熔—底层金属在前刀面上滞留、粘结（内摩擦）。滑动区lf2:

切屑即将脱离前刀面，切屑底层与前刀面间只是突出的点接触（外摩擦）。一般内摩擦力约占总摩擦力的85%在中速切削塑性金属材料，形成带状切屑的情况下，常常在刀具前刀面近切削刃处粘结或冷焊有硬度很高的楔块，这一小楔块称为积屑瘤。（2）积屑瘤积屑瘤刀刃钝圆半径

rβ

后刀面磨损带VB弹性恢复区CD

第Ⅲ变形区的变形

已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化、加工硬化和残余应力。3.第Ⅲ变形区（挤压摩擦回弹区）弹性恢复——影响零件的尺寸硬化层表面出现细微裂纹——降低表面加工质量表面硬度提高——产生残余应力——影响零件使用性能后刀面磨损带VB——加速刀具磨损，减少刀具寿命

已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产生加工硬化，表面残余应力，称之为加工变质层。3.第Ⅲ变形区金属进入第一变形区时，晶粒因压缩而变长，因剪切滑移而倾斜。

金属层接近刀刃时，晶粒更为伸长，成为包围在刀刃周围的纤维层，最后在O点断裂。◆

一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接◆粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化滞留—粘接—长大二、积屑瘤积屑瘤的产生切屑刀具积屑瘤积屑瘤二、积屑瘤积屑瘤对前角和切削厚度的影响1)

积屑瘤硬度很高，包围着切削刃，代替刀具进行切削，能保护刀具，减少了刀具的磨损。2)

积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，刀具变锋利，切屑变形和切削力减小。3)

积屑瘤的顶端从刀尖伸向工件内层，将影响工件的尺寸精度，使切削厚度增大。4)

积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。碎片的脱落与再生，造成切削力的波动，引起振动，而且加剧刀具的磨损。二、积屑瘤积屑瘤的作用影响积屑瘤产生的因素

积屑瘤的形成主要决定于切削温度以及接触面的压力、粗糙程度、粘结程度等。这些因素与以下切削条件有关。

工件材料的塑性越好，刀屑之间的接触长度lf越大，摩擦系数μ越大，切削温度越高，就越容易产生粘结，易产生积屑瘤。1）工件材料

前角γo越大，刀具和切屑之间的接触长度lf就越小，摩擦越小，所以不易产生积屑瘤。2）前角3）进给量

进给量减小，ac减小，切屑与前刀面接触长度lf减小，摩擦系数减小，切削温度降低，不易产生积屑瘤。二、积屑瘤4）切削速度

在低速切削（vc≤3m／min）中碳钢时，切削温度较低；而在高速切削时（vc≥60m／min），切削温度又较高，在这两种情况下刀屑之间摩擦系数均较小，不易粘结，也就不易形成积屑瘤。切削速度在两者之间时，有积屑瘤产生，而在中速时（vc=20m／min）积屑瘤高度最大。切削速度对积屑瘤的影响二、积屑瘤积屑瘤的利弊粗加工时：保护刀具、增大前角。（利）

精加工时：严重影响加工表面的尺寸精度和粗糙度。（弊）二、积屑瘤积屑瘤的控制

：（切削速度影响积屑瘤的主要因素）1）控制切削速度；2）塑性材料的热处理；适当提高工件材料的硬度，减小加工硬化倾向3）增大前角、减小进给量；减小刀具前刀面与切屑之间的压力4）采用切削液。目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦二、积屑瘤三、切屑的形态

图2-9

切屑类型a)带状切屑b)节状切屑c)粒状切屑d)崩碎切屑三、切屑的形态切屑类型图切屑形态照片三、切屑的形态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，刀具前角较小加工塑性材料,进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时加工硬脆材料，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总结：切屑类型及形成条件三、切屑的形态②脆性金属：三、切屑的形态切屑形态控制：①塑性金属：①针状切屑②不能太大，因有冲击

带状切屑节状切屑粒状切屑切削平稳，力波动小滑移量较大，局部切削不平稳，力波动大加工面光洁，断屑难剪应力达断裂强度加工表面粗糙少见↑γ0↑v↓ap↓γ0↓v↑ap↓γ0↓v↑ap↑γ0↑v↓apFfFsFnsFnFrFzFy四、前刀面的磨擦及其对切屑变形的影响切削层的截面积Ac剪切面的截面积As剪切力：总切削力：（1）当前角增大时，角随之增大，变形减小。（2）当摩擦角增大时，角随之减小，变形增大。四、前刀面的磨擦及其对切屑变形的影响切削方程式

主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45°，即Fr与Fs的夹角应为45°，故有

作用角1.工件材料工件材料强度硬度越高，摩擦系数μ越小，剪切角φ越大，切削变形越小。工件材料的塑性越高，切削变形大。五、影响切削变形的因素图2-19工件材料强度对切屑变形的影响2.刀具几何参数（1）刀具前角γo前角γo↑——切削刃锋利——越易切入金属——阻力↓——摩擦系数μ↓——剪切角φ↑——变形系数ξ↓——切削变形↓切削轻快。（2）刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径↑——切削刃上参加切削的曲线刃的长↑——使平均切削厚度↓——切削变形↑。五、影响切削变形的因素前角对剪切角的影响a)负前角；b)正前角五、影响切削变形的因素3.切削速度vc

切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角φ改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。五、影响切削变形的因素切削速度vc对切削变形的影响vc=（3～20）m／min，vc↑→h积↑→γoe↑→φ↑→ξ↓vc=20m／min左右时，h积max→

γoemax

→

φmax

→ξminvc=（20～40）m／min，vc↑→h积↓→γoe

↓→φ↓

→ξ↑vc>40m／min后，切削温度↑→μ↓→β↓→φ↑→ξ↓

五、影响切削变形的因素3.进给量进给量f↑——切削厚度ac↑——正压力Fn↑，平均正应力σfav↑——因此摩擦系数μ↓——剪切角φ↑——变形系数ξ↓五、影响切削变形的因素第二节总结:概念：三个变形区、剪切角、积屑瘤、切屑类型、直角自由切削、摩擦角、作用角分析：积屑瘤的作用有哪些？切屑变形的控制方法？切屑变形的度量公式（变形系数和相对滑移