金属切削原理与刀具：03 第三章 第一节 切削变形与切屑形成过程

1、第一节 切削变形与切屑形成过程第二节 切削力第三节 切削热与切削温度第四节 刀具磨损与刀具寿命第三章 金属切削变形的基本规律研究金属切削过程的意义金属切削加工中各种物理现象,生产实践中出现的许多问题,都同切削过程有关。难加工材料的应用愈来愈多，对零件的质量要求亦不断提高。第三章 金属切削变形的基本规律第三章 金属切削变形的基本规律研究金属切削过程的方法侧面方格变形观察法：适用于低速，显微镜or长焦镜头+摄像机和显示器，工件测画上方格便于观察；高速摄影法：高速切削时适用，显微镜or长焦镜头+高速摄像机+强光源；快速落刀法：使刀具快速脱离工件，以保持切削时的状态，便于观察研究；第三章 金属切削变形

2、的基本规律研究金属切削过程的方法在线瞬态体视摄影系统：体视显微镜+照相机+频闪光源，工件测画上平行线；扫描电镜显微观察法：SEM，可达20万倍，分辨率 1 nm；光弹性、光塑性实验法：用光弹性实验，获取切削时应力的情况；其它方法：显微硬度计测定切屑标本的显微硬度，X射线衍射仪研究加工表面层的塑性变形。本节主要内容：一、切削变形区的特点二、切屑类型及切屑控制三、变形程度的表示方法四、刀屑接触区的变形与摩擦五、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响六、已加工表面变形和加工硬化七、影响切削变形的主要因素第一节 切削变形与切屑形成过程第三章 金属切削变形的基本规律变形区的划分（以直角自由切削方式切削塑性材料

3、为例） 一、切削变形区的特点 6一、切削变形区的特点 三个变形区分析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：第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。第变形区：靠近前刀面处,切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。7l）第一变形区（）剪切变形区：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。金属切削过程中的滑移线和流线示意图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。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。82）第二变形区（）刀屑接触区：切屑沿前刀面流出

4、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。金属切削过程中的滑移线和流线示意图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。93）第三变形区（）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。有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，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。金属切削过程中的滑移线和流线示意图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。10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

5、点向前移动的同时，第一变形区内金属的剪切变形第一变形区金属的滑移 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，22是滑移距离。11金属在第一变形区滑移过程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。第一变形区内金属的剪切变形第一变形区金属的滑移12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第一变形区金属的滑移13从金属晶体结构看：剪切变形就是晶粒沿晶格中晶面的滑移。第一变形区内金属的剪切变形晶粒滑移示意图14在

6、一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02 mm，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。这一过程可以形象地以卡片表示。o金属切削过程示意图15M刀具切屑OA剪切角终滑移线始滑移线：=s切屑根部金相照片16切屑形成过程17切屑形成过程FEM模拟18切屑形成过程FEM模拟19切屑形成过程FEM模拟20二、切屑类型及切屑控制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。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。21由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不同，从变形的观点出发，常见的切屑有

7、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。切屑类型二、切屑类型及切屑控制带状切屑 节状切屑 粒状切屑 崩碎切屑22带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑 切屑形态照片切屑类型23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。切屑类型带状切屑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。24 带状切屑25切屑类型加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时得到。切削过程中切削力波动较大，产生一定的振动，已加工表面较粗糙。 节状切屑2）节状切

8、屑（挤裂切屑）外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹。26 节状切屑（挤裂切屑）27切屑类型3）粒状切屑（单元切屑）在节状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。粒状切屑28切屑类型可见：从带状 节状 粒状切屑的变化：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。29切屑类型切削力波动甚大，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。 崩碎切屑4）崩碎切屑切

9、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。30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

10、冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑节状(挤裂)切屑粒状(单元)切屑崩碎切屑 切屑类型及形成条件31二、切屑类型及切屑控制切屑形状的分类3233理想的屑形是在短屑中定向流出的“C”、“6”形切屑和不超过50 mm 长度的短螺旋切屑。3435二、切屑类型及切屑控制切屑的流向A点：主切削刃切削的终了点。B点：副切削刃切削的终了点。vch：切屑流速，方向垂直A、B点的连线。流屑角c ：vch流向与正交平面夹角。影响流屑方向的主要参数：刃倾角、主偏角、前角。36影响流屑方向的主要参数：刀具刃倾角s：-s：切屑流向已加工表面；+s：切屑流向待加工表面。主偏角r r=90时，切屑流向是偏向已加工表面 。前

11、角o-o 切屑易流向加工工件一侧。-s+s37两种断屑方式切屑的折断38有利于断屑的因素：切屑厚度 hch，切屑卷曲半径 及切屑材料的极限应变值 b 。如：断屑槽宽度 LBn ，刀-屑接触长度 l 和断屑台高度hBn 都可 ，并有利断屑 。切屑的折断切屑受力后卷曲影响卷曲半径的参数39二、切屑类型及切屑控制断屑措施1作出断屑槽 1）断屑槽的型式影响断屑效果的主要参数是：槽宽LBn和槽深hBn。 折线型直线圆弧型全圆弧型40外倾式：-s，切屑易折小段，并流向已加工表面；平行式：s=0，切屑呈较短盘螺旋状，并碰在加工表面上折断；内斜式：+s，使切屑流向刀具后刀面而折断。1作出断屑槽 2）断屑槽的位

12、置及刃倾角的作用外倾式平行式内斜式41 2改变切削用量f ，使切屑厚度hch，在切屑较易折断；ap对断屑作用不大，只有当同时 f 时，才能有效地断屑；切削速度对断屑影响较小。 3其它断屑方法1) 固定附加断屑挡块；2) 采用间断切削；3) 切削刃上开分屑槽。断屑措施42切屑控制为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果。断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）。 切屑的卷曲 断屑的产生43关于切屑的希望为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，希望得到“C” 状切屑。有时希望得到发条状或短螺卷状切屑。切屑

13、的折断切削过程中变形程度超过了材料的断裂应变造成折断。多数情况下切屑的卷曲变形不足以使切屑折断。需用断屑台或卷屑槽使切屑产生附加变形撞到工件或后刀面折断。螺卷状切屑甩断。44三、变形程度的表示方法 剪切角 （希腊字母fai） 剪应变 （希腊字母epsilon）（相对滑移 ）变形系数 （希腊字母ksi ）（切屑厚度压缩比h）刀屑接触长度 L45(1) 剪切角剪切角 ：剪切面与切削速度方向之间的夹角。三、变形程度的表示方法 46o(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。三、变形程度的表示方法 47hch

14、hchhD三、变形程度的表示方法 (2) 变形系数（切屑厚度压缩比h ）变形系数：切削层尺寸与切屑对应尺寸的比值。由实验和生产可知，切屑厚度 hch 大于切削层厚度hD，切屑长度 lch 小于切削层长度 lD。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。48厚度变形系数长度变形系数自由切削宽度变形可忽略(2) 变形系数 （切屑厚度压缩比h ）49(3) 剪应变（相对滑移：滑移距离s与单元厚度y之比） OHNM 剪切变形 OGPM，相对滑移为：剪切变形示意图50(4) 刀屑接触长度l三、变形程度的表示方法 o51刀屑接触长度增加，切削变形程度减小。 变形系数、剪切角 和剪应变 的

15、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，hch=hD，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有相对滑移存在。 三、变形程度的表示方法 52四、刀屑接触区的变形与摩擦 切削部位三个变形区根据前述，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。53四、刀屑接触区的变形与摩擦切屑弯曲；由摩擦而产生的热量使接触区域温度升高；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。第二变形区特点 切削部位三个变形区强烈的挤压与摩擦；切屑底层纤维化，流动缓慢甚至停滞；54前刀面上的法

16、向力Fn，摩擦力Ff；剪切面上的正压力Fns，剪切力Fs；（这两对立的合力Fr和Fr应平衡）作用在切屑上的力四、刀屑接触区的变形与摩擦：Fn和Fr的夹角， 称为摩擦角55直角自由切削时力与角度的关系切削层剖面积：剪切面剖面积： 剪切面上的剪切力（剪切必需的力）作用在切屑上的力hDhch56在总切削力不变的前提下，摩擦角影响切削分力的分布直角自由切削时力与角度的关系hDhch作用在切屑上的力四、刀屑接触区的变形与摩擦57四、刀屑接触区的变形与摩擦剪切角 与前刀面摩擦角的关系o 切削变形 应尽量增大 o 切削变形 应尽量减小 该公式仅是理论分析（基于剪切理论）。只能定性地解释问题，定量上有出入。5

17、8前刀面的摩擦四、刀屑接触区的变形与摩擦切屑和前刀面摩擦情况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。特点：在高温（800）高压（2-3GPa）作用下，切屑底层与前刀面发生粘接（冷焊），切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。59前刀面的摩擦四、刀屑接触区的变形与摩擦OA粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的 正应力 =f 剪应力，=OAB 刀具粘结区：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。60前刀面的摩擦四、刀屑接触区的变形与摩擦切削塑性金属时，切屑与前刀面间

18、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”；单位切向力 = 材料的剪切屈服极限 fOA粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的 正应力 =f 剪应力，=OAB 刀具61前刀面的摩擦四、刀屑接触区的变形与摩擦AB滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数 正应力 =f 剪应力，=OAB 刀具滑动区：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。62前刀面的摩擦四、刀屑接触区的变形与摩擦单位切向力由 f 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。AB滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数 正应力 =f 剪应力，=OAB

19、 刀具63前刀面的摩擦四、刀屑接触区的变形与摩擦影响前刀面摩擦系数的主要因素工件材料：强度硬度增大， 减小切削速度： 低速，v 大， 越大；高速， v大， 越小切削厚度：切削厚度增大， 减小刀具前角：o 增大， 越大64前刀面的摩擦四、刀屑接触区的变形与摩擦工件材料强度和硬度，切削温度 ，摩擦系数略为减小切削厚度增加，摩擦系数略为减小影响前刀面摩擦系数的主要因素65前刀面的摩擦四、刀屑接触区的变形与摩擦切削速度：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。

20、66五、积屑瘤的形成及其对切削的影响积屑瘤：在切削速度不高切削塑性金属形成带状切屑的情况下，滞流层金属粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬块，称为积屑瘤。形成原因： 高温、高压，粘结、冷焊67切屑底层产生滞留层滞留层与切屑分离，粘结在前刀面前刀面和切屑底面的挤压和摩擦逐层滞留粘结形成楔块冲击振动不断破裂，脱落再生五、积屑瘤的形成及其对切削的影响积屑瘤的产生原因切屑刀具 积屑瘤照片积屑瘤68五、积屑瘤的形成及其对切削的影响材料塑性越高，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。积屑瘤的形成条件69五、积屑瘤的形成及其对切

21、削的影响 切削45钢时切削速度与积屑瘤、 、粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428变形系数1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m） 0200400600hRz切削速度与积屑瘤和变形系数的关系70五、积屑瘤的形成及其对切削的影响积屑瘤对切削加工的影响（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。切屑刀具 积屑瘤照片积屑瘤71五、积屑瘤的形成及其对切削的影响积屑瘤对切削加工的影响（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，影响工件尺寸

22、精度；当积屑瘤不稳定时，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。72五、积屑瘤的形成及其对切削的影响抑制积屑瘤的措施降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象； 采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度； 增大刀具前角，减小刀屑接触压力； 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；提高工件材料硬度，减小 材料硬化指数（塑性）。 73刀刃钝圆半径 rn弹性恢复区CD变形特征：挤压、摩擦与回弹六、已加工表面变形和加工硬化74hD六、已加工表面变形和加工硬化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。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。 75六、已加工表面变形和加工硬化经过严重塑性变形而使表面层硬度增高的现象称为加工硬化亦称冷硬。 H1是已加工表面显微硬度， H是金属材料基体显微硬度硬化程度的指标:加工硬化程度N硬