机械制造技术基础 第二版 §3.2 金属切削过程中的变形

§3.2金属切削过程中的变形

一、切屑的形成过程

1.变形区的划分切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：(3)第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成表层金属纤维化与加工硬化。这一区域(图中Ⅲ区)称为第三变形区。(2)第二变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化、基本上和前刀面平行。这一区域〔图中Ⅱ区)称为第二变形区。(1)第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。OA线和OM线之间的区域(图中I区)称为第一变形区。1）在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。P点金属在切削过程中向刀具移动，到达点1时，其剪应力达到材料的屈服强度。过点1后，P点在继续向前移动的同时，也沿OA滑移，合成运动特使其从点1流动到点2，2’—2就是它的滑移量。随着滑移的产生，剪应变将逐渐增加，直到P点金属移动到超过点4位置后，其流动方向与前刀面平行，不再沿滑移线滑移.OA、OB,OM线都是等剪应力曲线。OA称作始滑移线，OM称作终滑移线。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02mm—0.2mm，切削速度越高、其宽度越小，故可近似看成一个平面，称剪切面。

剪切面与切削速度间的夹角称剪切角，以Φ表示。

当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。

2)第二变形区的变形及其特征3)第三变形区变形及加工表面质量由于刀刃有钝圆半径rb，整个切削层厚度ac中，将有一层金属

a无法沿OM方向滑移，而是从刀刃钝园部分O点下面挤压过去，即切削层金属在O点处分离为两部分。已加工表面的形成过程如果将三个变形区联系起来:

当切削层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;

当切削层金属逐渐接近刀刃时，晶粒更伸长，成为包围刀刃周围的纤维层;最后在O点断裂，一部分金属成为切屑沿前刀面流出，另一部分金属绕过刀刃沿后刀面流出，并继续经受变形而成为已加工表面的表层。已加工表面表层的金属纤维被拉伸得更长更细;其纤维方向平行于已加工表面.这个表层的金属具有与基体组织不同的性质，所以称为加工变质层。2.切屑的受力分析在直角自由切削的情况下，作用在切削上的力有：前刀面上的法向力Fn,摩擦力Ff，正压力Fns，剪切力Fs，这两对力的合力互相平衡。如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力Fc和Fp，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可由上式推导求得前刀面对切屑作用的摩擦角β，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数μ。二、切削变形程度

1.变形系数Λh

变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸变化大小切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后,与切削层比较,它的长度缩短lch＜lc,厚度增加即hch＞hD（宽度不变),这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。变形系数Λh表示切屑收缩的程度,即:

（2）

式中Lc、hD——切屑层长度和厚度；

Lch、hch——切屑长度和厚度。

测量出切削层和切屑的长度和厚度,能方便地求出变形系数Λh。2.相对滑移ε

相对滑移ε是用来量度第Ⅰ变形区滑移变形的程度。

如图，设切削层中A′B′线沿剪切面滑移至A〃B〃时的距离为△у，事实上△у很小，

可认为滑移是在剪切面上进

行，滑移量为△s。相对滑移

ε表示为：

用相对滑移ε的大小能

比较真实地反映切削变形

程度。3.剪切角Φ剪切角Φ与切削变形有密切关系，我们也可以用剪切角Φ来衡量切削变形的程度。

在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45º，即Fs与F的夹角应为45º，故有：

分析上式知：1)前角ro增大时，剪切角Φ随之增大，变形减小.这表明增大刀具前角可减少切削变形，对该善切削过程有利。2)摩擦角β增大时，剪切角Φ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的刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。三、前刀面上的摩擦切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正应力σ和切向应力沿前刀面的分布如图所表。在切屑与刀具前刀面接触的长度内存在两种不同的接触状态。在靠近切削刃的粘结区，由于正应力值大，切屑在前刀面上形成粘结接触，在此区域内，各点的切应力基本相同，它等于被切材料的剪切屈服强度;在滑动区，由于正应力小，切屑在前刀面上形成滑动接触，切屑相对于前刀面的摩擦特性服从古典摩擦法则，各点的摩擦系数μ相同τ=μσ。出于在一般切削条件下，来自粘结接触区的摩擦力占前刀面上总摩擦力的85％，故在研究前刀面上的摩擦时．应以粘结接触区的摩擦力主要依据。粘结接触点上各点的摩擦系数：由于σ(x)随x变化，放在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦系数是一个变值，离切削刃越远，摩擦系数越大，其平均摩擦系数：四、积屑瘤的形成及对切削过程的影响1.积屑瘤的形成及其影响在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下。加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块呈三角状的埂块，硬度很高、通常是工件材料硬度的2—3倍，这块粘附在前刀面的金属称为积屑瘤。切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦；当接触面达到一定温度，同时又存在较高压力时，被切材料会粘结(冷焊)在前刀面上；连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上流过时，如果温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊”在前刀向上的金属层上，粘成一体；使粘结层逐步长大，形成积屑瘤。积屑瘤形成过程：

主要决定于切削温度。在切削温度很低时,切屑与前刀面间呈点接触,摩擦系数μ较小,故不易形成粘结；在温度很高时,接触面间切屑底层金属呈微熔状态,起润滑作用，摩擦系数也较小，积屑瘤同样不易形成。形成积屑瘤的条件：积屑瘤的产生及其成长还与工件材料的性质、压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；注意：

对碳钢来说、切削区温度处于300—350ºC时积屑瘤的高度最大，切削区温度超过500ºC时，积屑瘤便自行消失。在背吃刀量ɑp和进结量f保持一定时，积屑瘤高度Hb与切削速度Vc，有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。图中，Ι区为低速区,不产生积屑瘤；Ⅱ区积屑溜高度随Vc的增大而增高；Ⅲ区积屑瘤高度随Vc的增大而减小；Ⅳ区不产生积屑瘤。

2.积屑瘤对切削过程的影响(1)使刀具前角变大

阻滞在前刀面上的积屑瘤有使刀具实际前角增大的作用，使切削力减小。(2)使切削厚度变化

积屑瘤前端超过了切削刃，使切削厚度增大．△hD将随着积屑瘤的成长逐渐增大，一旦积屑瘤从前刀面上脱落或断裂，△hD值就将迅速减小。切削厚度变化必然导致切削力产生波动。(3)使加工表面粗糙度增大

积屑瘤伸出切削刃之外的部分高低不