【机械制造基础课件】2.1切削过程中的变形-切削过程规律

第二章金属切削基础第1讲切削过程中的变形12/23/20241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；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；4)

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。3）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；2.1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。2.1.1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。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。带状挤裂单元崩碎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。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。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。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。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。

45°F45°Fν挤压与切削

切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。FABOM45°a）正挤压FABOM45°b）偏挤压OMFc）切削正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°.偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移.切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。金属挤压与切削比较挤压与切削金属切削变形过程切削变形实验设备与录像装置切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角金属切削变形过程1.切屑的形成金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。2.1.2切削层金属的变形1.变形区的划分根据实验，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。（以直角自由切削方式切削塑性材料为例）金属切削过程中滑移线和流线示意图（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。（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。（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。2.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2.第一变形区内金属的剪切变形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。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。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

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射线衍射等研究切削变形的实验方法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L(1)剪切角

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

剪切角的计算1)麦钱特(M．E．Merchant)公式

求微商，并令，可求出Fr为最小值时φ之值。β：前刀面摩擦角剪切角的计算1)麦钱特(M．E．Merchant)公式

β：前刀面摩擦角2)李和谢弗(LeeandShaffer)公式也称为切削第一定律，是根据主应力方向与最大切应力方向之间的夹角为45°的原理来计算剪切角。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。(1)当前角γo增大时，φ角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的。(2)当摩擦角β增大时，φ角随之减小，变形增大。因此在低速切削时，采用切削液以减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。(2)变形系数

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。(2)变形系数

变形系数

l

切削层长度与切屑长度之比

l=Lc/Lch

=

LD/Lch

a=ach/ac=hch/hD忽略切屑宽度的变化，有

a=

l=>1变形系数

求法变形系数

能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。(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

o(4)刀屑接触长度l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。2.1.3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。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。1.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在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff，在剪切面上也有一个正压力Fns和剪切力Fs，这两对力的合力应该互相平衡。主切削力背向力切削合力剪切力前刀面摩擦角

作用角

=:切削速度方向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)其中(

-

0)

为切削合力Fr

与切削速度方向的夹角，称作用角，以

表示。

为剪切角复习如下结论前角

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。2.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：黏结区和滑动区。前刀面上的摩擦

，

法应力

=

s

剪应力，=

OAB

刀具刀具前刀面的摩擦特性黏结区滑动区OA—黏结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的AB—滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数黏结区

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黏结，亦称“冷焊”；黏结区并非一般的外摩擦，而是黏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

s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。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：影响前刀面摩擦系数的主要因素两种情况低速时，V大，

越大；高速时，V大，

越小切削速度：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黏结。黏结情况随速度和温度的增大而发展，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。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，黏结、冷焊积屑瘤材料硬化指数愈大（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。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。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。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黏结现象；

（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。

2.1.4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：1.工件材料2.刀具前角3.切削速度4.切削厚度（进给量）1.工件材料1－00 2－103－15 4－20Cr5－20 6－9Cr7－T8-1 8－309－2Cr13 10－40CrWSi11－35Cr3MoNi12－40 13－6014－5015－18CrNi316－1Cr18Ni9Ti17－T8 18－T1219－35CrNi3变形系数强度增大

表3-1不同材料的摩擦系数μ工件材料σb/MPaHBShD/mm0.10.140.180.22铜213550.780.760.750.7410钢3621020.740.730.720.7210Cr4801250.730.720.720.711Cr18Ni9Ti6341700.710.700.680.67工件材料的强度和硬度增大，变形系数减小。这是由于工件材料的强度和硬度增大，使前刀面上的法向应力σav增大，摩擦系数μ减小，摩擦系数μ减小，摩擦角β减小，剪切角φ增大，所以变形系数减小。2.刀具前角刀具几何参数中影响变形系数最大的是前角γo。实验结果表明：(1)刀具前角γo越大，变形系数越小。变形系数(2)刀具前角γo越大，摩擦系数μ越大。一方面由于前角γo增大，剪切角φ增大，变形系数减小，这是前角γo对变形的直接影响。另一方面前角γo还通过摩擦角β间接的影响变形程度。即前角γo增大，作用在前刀面上