金属切削过程的基本规律课件

机械制造技术基础第二章金属切削过程的基本规律山东大学机械工程学院2005年8月本科生专业课程2023/10/101赵军机械制造技术基础本科生专业课程2023/10/91赵军第二章金属切削过程的基本规律目的要求：掌握金属切削过程的四大规律。1)

切屑的形成

牢固掌握切屑变形过程及表示变形程度的方法；

掌握刀

屑变形区的变形与摩擦规律；

掌握影响切屑变形的因素；2023/10/102第二章金属切削过程的基本规律目的要求：掌握金属切削过程的2)

切削力

掌握切削力的来源、切削合力、分力及切削功率

牢固掌握影响切削力的主要因素；2023/10/1032)

切削力2023/10/933）切削热和切削温度掌握切削热的来源及传出规律；掌握切削区的温度分布规律；牢固掌握影响切削温度的主要因素；2023/10/1043）切削热和切削温度2023/10/944)

刀具磨损、破损牢固掌握刀具的磨损形态及刀具磨损的主要原因；牢固掌握刀具磨钝标准及刀具耐用度的概念；掌握各切削参数与刀具耐用度的关系及合理耐用度的选择原则；掌握刀具破损形态及破损原因。2023/10/1054)

刀具磨损、破损2023/10/95第一节金属切削过程中的变形

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。一、切屑的种类及变化

金属切削刀具切除工件上的多余金属层，被切离工件的金属以切屑(Chip)形式与工件分离。

2023/10/106第一节金属切削过程中的变形切屑变形规律是切削过程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。2023/10/107带状挤裂切屑类型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。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。2023/10/108切屑类型1．带状切屑2023/10/982．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。

2023/10/1092．挤裂切屑2023/10/993．单元切屑生产中很少见到。在挤裂切屑的基础上切削厚度增大，切削速度、前角减小，使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。2023/10/10103．单元切屑2023/10/910可见：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。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。2023/10/1011可见：2023/10/9114．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。

2023/10/10124．崩碎切屑2023/10/912切削层金属的变形二、切削层金属的变形1.变形区的划分（以直角自由切削方式切削塑性材料为例）

根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑大体可划分三个变形区。2023/10/1013切削层金属的变形二、切削层金属的变形根据实验，切削层金属在刀金属切削过程中滑移线和流线示意图2023/10/1014赵军金属切削过程中滑移线和流线示意图2023/10/914赵军（l）第一变形区（Ⅰ）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。2023/10/1015（l）第一变形区（Ⅰ）2023/10/915（2）第二变形区（Ⅱ）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。2023/10/1016（2）第二变形区（Ⅱ）2023/10/916（3）第三变形区（Ⅲ）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。2023/10/1017（3）第三变形区（Ⅲ）2023/10/9172.第一变形区内金属的剪切变形金属在第一变形区滑移过程设切削层中某点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P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。2023/10/10182.第一变形区内金属的剪切变形2023/10/918位置P12（3）44以后应力状态

<s

=s

>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2023/10/1019位置P12（3）44以后应力状态<s=金属在第一变形区滑移过程切削层金属是在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。

OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。2023/10/1020金属在第一变形区滑移过程2023/10/920第一变形区金属的滑移晶粒滑移：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。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。

o

2023/10/1021第一变形区金属的滑移晶粒滑移：切削层金属的变形，从晶体结构看晶粒滑移示意图滑移与晶粒伸长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。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致，它们成一

（凯帕）角。2023/10/1022晶粒滑移示意图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2023/10/1023卡片模型卡片模型2023/10/923研究切削变形的实验方法侧面变形观察法高速摄影法快速落刀法SEM观察法光弹性、光塑性实验法其它方法，如：X射线衍射等2023/10/1024赵军研究切削变形的实验方法侧面变形观察法2023/10/924赵表示变形程度的方法剪切角

剪应变

变形系数

刀屑接触长度L2023/10/1025赵军表示变形程度的方法2023/10/925赵军(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。

o

2023/10/1026(1)剪切角o2023/10/926(2)变形系数

（克赛）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。变形系数

l

切削层长度与切屑长度之比

l=lc/lch

a=ach/ac忽略切屑宽度的变化，有

a=

l=

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

求法2023/10/1027(2)变形系数（克赛）变形系数求法2023/10/92(3)剪应变

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2023/10/1028(3)剪应变剪切变形示意图2023/10/928(4)刀屑接触长度l

o2023/10/1029赵军(4)刀屑接触长度lo2023/10/929赵军变形系数

、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。2023/10/1030变形系数、剪切角和剪应变的关系以上是按纯剪切观三、刀

屑接触区的变形与摩擦根据前述，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。2023/10/1031三、刀屑接触区的变形与摩擦2023/10/931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。2023/10/1032特征：2023/10/9321.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2023/10/10331.剪切角与前刀面上摩擦角的关系作用在切屑上的力及其与Fr

切削合力；

Fn与Fr的夹角，即摩擦角；Fz

Fr在切削运动方向的分力；Fy

Fr与切削运动方向垂直的分力。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。2023/10/1034Fr切削合力；Fn与Fr的夹角，即摩擦角；(-0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。2023/10/1035可得如下结论2023/10/9352.前刀面上的摩擦与积屑瘤现象(1)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。2023/10/10362.前刀面上的摩擦与积屑瘤现象切屑与前刀面摩擦示意图切削塑刀具前刀面的摩擦特性

，

法应力

=

s

剪应力，=

OAB

刀具2023/10/1037赵军刀具前刀面的摩擦特性，2023/10/937赵OA—粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的AB—滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数2023/10/1038赵军OA—粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的2023/10/9粘结区

内摩擦切塑性金属时，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”；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。单位切向力=材料的剪切屈服极限

s2023/10/1039粘结区内摩擦2023/10/939滑动区

外摩擦单位切向力由

s逐渐减小到0。刀

屑接触面上正应力

在刀尖处最大，逐渐减小到0。2023/10/1040滑动区外摩擦2023/10/940影响前刀面摩擦系数的主要因素工件材料：强度硬度增大，减小切削厚度：切削厚度增大，减小切削速度：低速，V大，

越大；高速，V大，

越小刀具前角：

o增大，

越大2023/10/1041赵军影响前刀面摩擦系数的主要因素2023/10/941赵军切削速度：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。2023/10/1042切削速度：在不同v范围，影响不同。v低时，温度较低，前刀面与积屑瘤积屑瘤

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，叫积屑瘤。形成原因：高温、高压，粘结、冷焊2023/10/1043赵军积屑瘤积屑瘤由于刀屑接触面的摩擦，当切削速度不高又形成连材料硬化指数愈大（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。2023/10/1044材料硬化指数愈大（塑性越高），愈易形成积屑瘤。2023/10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。2023/10/1045积屑瘤的作用：2023/10/945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；当积清瘤不稳定时，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2023/10/1046不利方面：2023/10/946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）增大刀具前角，减小刀—屑接触压力；

（4）使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，降低刀—屑接触压力

（5）提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。

2023/10/1047抑制积屑瘤的措施：

2023/10/947四、切屑变形的规律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：2023/10/1048四、切屑变形的规律2023/10/948（一）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。2023/10/1049（一）工件材料方面2023/10/949工件材料强度对变