金属切削过程

1、第 3 章 金 属 切 削 过 程, 3.1 切 屑 的 形 成 过 程 3.2 切削过程中的三个变形区 3.3 切削变形的表示方法 3.4 剪 切 角 3.5 前刀面上的摩擦与积屑瘤现象 3.6 影响切屑（削）变形的因素 3.7 切削类型及其控制, 3.1 切 屑 的 形 成 过 程,切屑究竟是如何被切下来的呢？ 根据实验结果发现，切屑是被切材料受到刀具前刀面的推挤，沿着某一斜面剪切滑移形成的。如图3.1所示。,图3.1 切削过程示意图,图中未变形的切削层AGHD可看成是由许多个平行四边 形扁块组成的，如ABCD、BEFC、EGHF当这些平行四边形扁块受到前刀面的推挤时，便沿着BC方向向斜上

2、方滑移，形成另一些扁块，即ABCD 、BEFC 、 EGHF 由此不难看出，切削层是靠前刀面的推挤与滑移而来的。金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面的推挤后产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。 这非常类似于材料力学试验中材料的压缩破坏之情况。 图3.2给出了压缩变形破坏与切削变形二者的比较。,图3.2(a) 试件受到压缩变形破坏之情况。此时，试件产生剪切变形，其方向约与作用力F 方向成45 。当作用力F 增加时，在DA 、CB 线的两侧还会产生一系列滑移线，但分别交与、处。 图.（b）切削时，工件上DB线以下还有基体材料的障碍，故DB线以下的材料将不发生剪切滑移变形，即剪切滑移变形只在DB

3、线以上沿DA方向进行， DA就是切削过程的剪切滑移线。当然，由于刀具有前角及工件间有摩擦作用，切削滑移变形会比较复杂罢了。,图3.2 压缩变形与切削变形的比较, 3.2 切削过程中的三个变形区,切削过程的实际情况要复杂得多。因为切削层金属受到 刀具前刀面的推挤产生剪切滑移变形后，还要继续沿着前刀 面流出变成切屑。在这个过程中，切削层底层金属要产生一 系列变形，通常将其划分为三个变形区（图3.3）。,图3.3切削滑移线与三个变形区示意图,图3.3中的区（AOM）为第一变形区。在AOM内将产生剪切滑移变形。 在区，切屑沿前刀面流出时将进一步受到前刀面的挤 压和摩擦，靠近前刀面的金属纤维化方向基本与

4、前刀面平行，此区称第二变形区。 区是已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压 摩擦与回弹，造成纤维化与加工硬化区，此区称第三变形区。,3.2.1 第一变形区 正如图3.4所示，图中OA、OB、 OM 均为剪切等应力线，OA线上的应力 ，OM 线的应力达最大 。,图3.4 第一变形区金属的滑移,当切削层金属的某点P向切削刃逼近到达点1位置时，由于OA 线上的剪应力 已到达材料屈服强度 ，故点1在向前移动到点 的同时还要沿OA线滑移到点2，即合成运动的结果将使点1流动到点2， 则为滑移量。由于塑性变形过程中材料的强化，不同等应力线上的应力将逐渐增大，OM 线上的应力已达最大值 ，故点2流动至点3

5、处，点3再流动至4处，此后流动方向就与前刀面基本平行而不再沿OM 线滑移了，即终止了滑移，故开始滑移的OA线称始滑移线，称OM 线为终滑移线。 OA与OM线所组成的区域即为第一变形区，该区产生的是沿滑移线（面）的剪切滑移变形。,在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为 0.020.2mm，切削速度越高，其宽度越小，故可看成一个平面，称剪切面。在切削理论研究和实践中应用较广。 剪切面与切削速度间的夹角，称剪切角，以 表示。 当切削层金属沿剪切面滑移时，剪切面滑移时间很短，滑移速度 很高，切削速度 与滑移速度 的合成速度即为切屑流动速度 。 在观察切屑根部金相照片(图3.5)时，可看到切屑明显呈

6、纤维状，但切削层在进入始滑移线前，晶粒是无方向性的圆形，而纤维状是它在剪切滑移区受到剪切应力作用变形的结果（图3.6）。,图3.6 晶粒滑移示意图,图3.7: 晶粒一旦沿OM 线开始滑移，圆形晶粒受到剪切应力变成了椭圆，其长轴与剪切面成 角。剪切变形越大，晶粒椭圆长轴方向（纤维方向）与剪切面的夹角 就越小，即越接近于剪切面。,图3.7 晶粒纤维化示意图,3.2.2 第二变形区 切削层金属经过剪切滑移后，切削底层（与前刀面接触层）在沿前刀面流动过程中却受到前刀面的进一步挤压与摩擦，即产生了第二次变形。当然这第二次变形是集中在切削底层极薄一层金属中，且该层金属的纤维化方向与前刀面是平行的。这是由于

7、切削底层金属一方面沿前刀面流动，另一方面还要受到前刀面的挤压摩擦而膨胀，使得切削底层比上层拉长造成的。,由图3.8可看出，原来的平行四边形扁块单元的底面就被前刀面的挤压给拉长了，使得平行四边形ABCD变成了梯形A CD。许多这样的梯形叠加起来后，切屑就背向底层卷曲了。由于强烈地挤压摩擦，使得切削底层非常光滑，而上层呈毛茸锯齿状。 综前所述可知，第一变形区和第二变形区也是相互关联的，前刀面的挤压会使切削层金属产生剪切滑移变形，挤压就越强烈，变形越大，在流经前刀面时挤压摩擦也越大。 . 3第三变形区 因为此变形区位于后刀面与已加工表面之间，它直接影响着已加工表面的质量，故将在已加工表面的形成过程中

8、讲述。, 3.3 切屑变形的表示方法,研究切削过程的目的在于找出切屑的变形规律，要说明这些规律，首先必须给出切削变形程度的表示方法。 前已述及，切削层金属变形主要是剪切滑移变形，用相对滑移来表示切削层变形程度。,.相对滑移 由材料力学知，剪切变形可用相对滑移来表示，如图3.9（a）所示。假定OHNM受剪切变形后变成OGPM，其相对滑移 可写成,刀具切削时的变形如图表示成图3.9（b）的情况，当工件 以切削速度 向刀具移动时，若无刀具阻碍，点M 将移至点N, 但由于有刀具的阻碍，切削层只能由MN流动到PM（OH 向OG）。此时的相对滑移 应是,（3.1）,图3.9 剪切变形,用 能较准确地表示出

9、切削层的变形程度，但它是根据纯剪切计算的，而实际切削过程除剪切外还有挤压作用，故用 表示切削层的变形有一定的近似性，且计算较复杂。,.切屑（削）变形系数 因为切削过程也类似于金属的挤压变形过程。实际切削 过程中，切削层金属受到挤压变形后，切削厚度比切削层变 厚，长度比切削层缩短（图.10），故可用切屑压缩比或 变形系数）来表示。,图3.10 切削变形系数的计算,切屑厚度 与切削层厚度 之比称厚度压缩比（或厚度变形系数） 切削层长度 与切屑长度 之比称长度压缩比（或长度变形系数） 一般情况下，切削层宽度方向变化很小，根据体积不变原 理，显然 可见此法直观简便，故定性分析问题时用得较多。外文文 献

10、中常用切削比 表示变形且有 =1/ 。,（3.2）,（3.3）,(3.4),3.3.3 相对滑移与变形系数间的关系 以上两种表示方法各有其缺点，既然均可用来表示大小， 两者必然有内在联系。由图3.10知也可改写为,（3.5）,（3.6）,也可改为,（3.7）,则,由式（3.6）可知，当前角 一定时，剪切角 增大， 变形系数 减小。所以也可用剪切角 来表示变形大小。,图3.11表示了相对滑移 与变形系数 二者间的关系。当 =1时， 0。即虽从压缩变形看，切屑无变形，但相对滑移仍存在。故只有当 1.2时， 才与 成线性关系。,图3.11 关系, 3.4 剪 切 角,剪切角是剪切滑移面与切削速度间的

11、夹角，它表示出了剪切滑移面的位置。当前角一定时，如前述， 将随 的增大而减小。 用来表达剪切角的关系式不下十几种，但至今还没有一个能完全符合实际情况的。较准确表达的是前苏联学者佐列夫的经验公式。实验证明如下： 当切削层厚度 =0.10.8mm时，前角 =020，切削速度 12m/min时，剪切角 与作用角 间的关系大致如图3.12所示，则有,（3.8）,图3.12 剪切角 的求法,式中 合力 与间 的夹角，称作用角； C 与材料有关的近似常数（表3.1）。,佐列夫虽未指出C 的物理意义，但他的经验公式完全符合 材料力学中剪切面与主应力方向约成45的理论，因此在一定 范围内，可用此式计算 的近似

12、值。,(3.9),式中 前刀面上的摩擦角（合力 与法向力 夹角）。 又因摩擦系数 ，所以,(3.11),从表3.1和式（3.11）可看出：工件材料硬（强）度越高，C 值越大， 值就越大，当然变形越小；摩擦角 越小，前角 越大，都会使 值变大，而变形减小。 此外，麦钱特（M.E.Merchant）根据切削合力最小的原则，对,不难看出，尽管以上三式的结果有些出入，但从定性的 角度看结果是一致的： （1）当前角 增大时， 值随之增大，变形系数 减小（因为 ）。可见，在实际切削中，应在保证,（3.12）,李和谢夫（Lee and shaffer）根据主应力与最大剪切应力成45滑移线场的理论得出,（3.

13、13）,刀具刃口强度的前提下，尽量增大前角 ，以改善切削过程。 （2）当摩擦角 增大时， 值随之减小，则 增大。因此在摩擦较大的低速切削使用润滑性能好的切削液来减小前刀面的摩擦系数 是很重要的。, 3.5 前刀面上的摩擦与积屑瘤现象,3.5.1 前刀面上的摩擦 前刀面上主要是内摩擦。 切削过程中，切削底层是刚刚生成的新鲜表面，前刀面在切屑的高温高压下已是无保护膜的新表面，二者的接触区极有可能粘结在一起，以致接触面上切削底层很薄的一层金属由于被粘结而流动缓慢，而上层金属仍在高速向前流动，这样就在切削底层的各层金属之间产生了剪切应力，层间剪切应力之和称内摩擦力。这种现象称为内摩擦。,图3.13给出

14、了切削钢料时，前刀面上的刀-屑接触区摩擦情况。可知，整个接触区分为两部分： 为内摩擦区（粘结区）， 为外摩擦区（滑动区）。法向应力 在整个接触区从刃口处最大呈曲线下降至零，剪切应力 在 区为恒定值，在 区呈曲线下降至零。根据摩擦系数概念可写成式（3.14）,（3.14）,前刀面上的法向力；,刀-屑接触面积。,随工件材料的硬（强）度、切削厚度 、切削速度 及刀具前角 的变化，在较大范围内变化，因此 是个变数，而 可看成是常数。 据资料介绍，在一般切削条件下，内摩擦力约占全部摩擦力的85%，即前刀面上的刀-屑接触区是以内摩擦力为主，且 是变化的，根本不遵循外摩擦定律。,在 区内， 等于工件材料本身

15、的剪切屈服强度 ， 随切削温度的升高而略有下降，如以平均法向力 代替 ， 则,(3.15),3.5.2 积屑瘤现象 当前刀面上的摩擦系数较大时，即当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度 不高又能形成带状屑的情况下，常常会有一些从切屑和工件上下来的金属粘结（冷焊）聚集在刀具刃口及前刀面上，形成硬度很高的鼻形或楔形硬块，能代替刀具进行切削，这个硬块称为积屑瘤。积屑瘤包围着刃口，并将前刀面与切屑隔开，由于它伸出刃口之外，使得实际切削深度增加；由于它代替刀具刃口切削，从而增加了工作前角 ，使变形 减小。但切屑瘤是不稳定的。对已加工表面质量也有很大的直接影响。, 3.6 影响切屑（削）变形的

16、因素,影响切屑变形的因素固然很多，但归纳起来有三个方面：工件材料、刀具几何参数及切削用量。其影响规律均可用前述的四个关系式得到解释，即,3.6.1 工件材料 工件材料的强（硬）度越高，变形越小。因为工件材料的强度越高，前刀面上的法向应力 越大，摩擦系数 越小，摩擦角 越小，剪切角 越大，变形 越小。切削试验也证明：工件材料的强度越高，摩擦系数 越小（表3.2）；工件材料的强度越高，变形越小（图3.15）。,3.6.2 刀具几何参数 刀具几何参数中影响变形最大的是前角 。刀具前角 越大，变形 越小，如图3.16所示。,因为前角 越大，剪切角 越大，变形 越小。这是前角 对变形的直接影响。 此外，

17、前角 还通过摩擦角 间接影响变形 。即前角 越大，刀-屑接触长度越长，作用在前刀面上的法向应力 越小，摩擦角 越大（图3.17），剪切角 越小，又使变形 增大。,但前角的直接影响远大于间接影响，故前角越大，变形还是越小。这可用佐列夫的切削实验结果来说明。 3.6.3 切削用量 1. 切削速度 的影响 切削塑性材料时，在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度 越高，变形系数 越小，如图3.16所示。其原因有两点： 一是切屑的塑性变形速度低于切削速度时，切屑的塑性变形区域变窄，如图3.18所示。当切削速度 高于切屑的塑性变形速度时，金属在始滑移面上尚未来得及变形就流动到 线上，也就是始滑移面OA后移到

18、 线，就使得剪切角 增大了，变形系数 当然变小。,二是随着切削速度 的提高，切削温度升高，切削底层 金属的 下降，摩擦系数 减小，摩擦角 减小，剪切角 增大，变形系数 减小。 在能形成切削瘤的切削速度 范围内，是通过积屑瘤形 成的积屑瘤前角 （此时即工作前角 ）来影响变形系数 的（图3.19）。在积屑瘤生长区（ 84m/min时，即为无瘤区， 升高， 下降， 减小， 增大， 减小。此曲线称驼峰曲线。,2. 进给量f 的影响 进给量f 在无积屑瘤情况下，是通过切削厚度 影响变形的，而 又是完全通过摩擦系数 来影响变形的。图3.20给出了f - 关系曲线。 不难看出，进给量f 越大，变形系数 越小

19、。因为f 增大，就意味着 增大（因为 ），前刀面上的 增大，摩擦系数 减小（因为 ），即 减小， 角增大（ ），变形系数 随之减小。 3. 背吃刀量的影响 由图3.19可看出， 对变形系数 基本无影响。, 3.7 切削类型及其控制,3.7.1 切屑类型 1. 根据切屑形成机理分类 根据切屑形成的机理，可将切屑分为带状屑、节状（或 挤裂）屑、单元（粒状）屑和蹦碎屑四种（图3.21）。 （1）带状屑。一般当切削塑料材料、进给量较小、切削速度较高、刀具前角较大时，往往会生成此类切屑。 带状屑的特点是： 切削底层表面光滑、上层表面毛茸。 此时的切削过程较平稳，已加工表面粗糙度较小。,（2）节状屑。 节状屑多在切削塑性材料、切削速度较低、进给量（切 削厚度）较大时产生。 节状屑的特点是： 切屑底层表面有时有裂纹、上层表面呈锯齿状。 （3）单元屑。 当切削塑性材料、前角较小（或为负前角）、 切削速度 较低、进给量较大时易产生单元屑。 单元屑的特点是： 剪切面上的剪切应力超过工件材料破裂强度时，则整个 单元被切离成梯形单元。 以上三种切屑均是切削塑性材料时得到的，只要改变切 削条件，三种切削形态是可以相互转化的。,（4）蹦碎屑。 这是切削塑性材料经常得到的切屑形态。 因为工件材料的塑性很小，抗拉强度也很低，切削时未 经塑性变形就在拉应力作用下脆断了。 蹦碎屑的特点是： 切屑呈不规则的