第二章第二節(jié)-金屬切削原理

第二節(jié)金屬切削過程本節(jié)要點切屑的形態(tài)切屑變形的度量變形區(qū)的劃分前刀面的摩擦及其對切屑的影響切屑變形的變形規(guī)律積屑瘤切削方式a）非自由切削主、副切削刃同時參加切削的切削方式。

1.非自由切削

切削方式b）直角自由切削2.自由切削只有一個切削刃參加切削的切削方式。

在自由切削方式中，如果主切削刃又垂直于切削速度方向就稱為直角自由切削。3.直角切削主切削刃垂直于切削速度方向（λs=0°）的切削方式。切削方式c）斜角自由切削在自由切削方式中，如果主切削刃不垂直于切削速度方向則稱為斜角自由切削。

若主切削刃與切削速度方向不垂直（λs≠0°）的切削方式。4.斜角切削

金屬切削過程與金屬受壓縮過程比較：a）壓縮b）切削下圖a所示,塑性金屬受壓縮時,隨著外力的增加,金屬先后產生彈性變形、塑性變形,并使金屬晶格產生滑移,而后斷裂。下圖b所示,以直角自由切削為例,如果忽略了摩擦、溫度和應變速度的影響,金屬切削過程如同壓縮過程,切削層受刀具擠壓后也產生塑性變形。一、金屬切削過程概述FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削切削層刀具一、金屬切削過程概述切屑的形成金屬切削過程的實質是被切削金屬層在刀具擠壓作用下產生剪切滑移的塑形變形過程。塑形金屬的切削過程一般要經過彈性變形、塑形變形、擠裂、切離四個階段。圖2-4金屬切削過程示意圖一、金屬切削過程概述動畫切削變形過程示意圖工件刀具一、金屬切削過程概述

切削變形區(qū)以塑性材料的切屑形成為例，金屬切削區(qū)可大致劃分為：三個變形區(qū)：

第一變形區(qū)第二變形區(qū)第三變形區(qū)一、金屬切削過程概述刀具后刀面摩擦區(qū)變形區(qū)第一變形區(qū)第三變形區(qū)第二變形區(qū)

第Ⅰ變形區(qū)：滑移變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。切削力和切削熱的主要來源。切削部位三個變形區(qū)ⅠⅢⅡ

第Ⅲ變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產生變形。是造成后刀面磨損、已加工表面的質量（表面粗糙度、加工硬化和殘余應力）的主要原因。

第Ⅱ變形區(qū)：靠近前刀面的切屑底層，切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。是造成前刀面磨損和產生積屑瘤的主要原因。變形區(qū)的劃分一、金屬切削過程概述剪切角：剪切面OM與切削速度方向的夾角?；圃皆絿乐兀瑒t剪切角越小，變形越大。OA—始滑移線；OM—終滑移線（1）第Ⅰ變形區(qū)的變形特征金屬的剪切滑移變形一般速度范圍內，第Ⅰ變形區(qū)的寬度為0.02～0.2mm。速度越高，寬度越小，可看作一個平面——剪切面。剪切面與切削速度vc方向之間的夾角稱為剪切角Φ

。1.第Ⅰ變形區(qū)（剪切滑移區(qū)）滑移變形區(qū)切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角第Ⅰ變形區(qū)的變形剪切面變形系數ξ

（2）變形程度的表示方法變形系數是通過切屑外形尺寸變化來衡量變形大小的。變形系數ξ表示切屑收縮的程度,即:變形系數的計算

（2）變形程度的表示方法

由上式可知：φ越大，γo越大，則ξ越小。該方法簡便，但很粗略，有時不能反映剪切變形的真實情況，因而有必要研究標志變形程度的其他方法。

（2）變形程度的表示方法相對滑移ε

（2）變形程度的表示方法切削過程中金屬變形的主要形式是剪切滑移，采用“相對滑移——單位厚度上的剪切滑移量”

來衡量變形程度應該是比較合理的。當平行四邊形OHNM發(fā)生剪切滑移變形后，變?yōu)镺GPM，其相對滑移為

（2）變形程度的表示方法相對滑移ε的計算

由上式知：φ越大，γo

越大，則ε越小，變形也越小。

（2）變形程度的表示方法綜上所述，ξ主要從塑性壓縮方面分析，而ε主要是從剪切變形考慮的，所以，ε與ξ都只能近似表示變形程度的大小。相對來講，ε能比較真實地反映變形的程度。

一、金屬切削過程概述第Ⅱ變形區(qū)2.第Ⅱ變形區(qū)（擠壓摩擦區(qū)）（1）第Ⅱ變形區(qū)的變形此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產生積屑瘤的主要原因。2.第Ⅱ變形區(qū)刀-屑接觸區(qū)可分兩部分：粘接區(qū)lf1:高溫高壓—材料軟化—微熔—底層金屬在前刀面上滯留、粘結（內摩擦）?；瑒訁^(qū)lf2:

切屑即將脫離前刀面，切屑底層與前刀面間只是突出的點接觸（外摩擦）。一般內摩擦力約占總摩擦力的85%在中速切削塑性金屬材料，形成帶狀切屑的情況下，常常在刀具前刀面近切削刃處粘結或冷焊有硬度很高的楔塊，這一小楔塊稱為積屑瘤。（2）積屑瘤積屑瘤刀刃鈍圓半徑

rβ

后刀面磨損帶VB彈性恢復區(qū)CD

第Ⅲ變形區(qū)的變形

已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩擦，產生變形與回彈，造成纖維化、加工硬化和殘余應力。3.第Ⅲ變形區(qū)（擠壓摩擦回彈區(qū)）彈性恢復——影響零件的尺寸硬化層表面出現細微裂紋——降低表面加工質量表面硬度提高——產生殘余應力——影響零件使用性能后刀面磨損帶VB——加速刀具磨損，減少刀具壽命

已加工表面的金屬纖維被拉伸的又細又長，纖維方向平行于已加工表面，金屬晶粒被破壞，發(fā)生了劇烈的塑性變形，產生加工硬化，表面殘余應力，稱之為加工變質層。3.第Ⅲ變形區(qū)金屬進入第一變形區(qū)時，晶粒因壓縮而變長，因剪切滑移而傾斜。

金屬層接近刀刃時，晶粒更為伸長，成為包圍在刀刃周圍的纖維層，最后在O點斷裂?！?/p>

一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接◆粘接金屬嚴重塑性變形，產生加工硬化滯留—粘接—長大二、積屑瘤積屑瘤的產生切屑刀具積屑瘤積屑瘤二、積屑瘤積屑瘤對前角和切削厚度的影響1)

積屑瘤硬度很高，包圍著切削刃，代替刀具進行切削，能保護刀具，減少了刀具的磨損。2)

積屑瘤使刀具的實際工作前角增大，刀具變鋒利，切屑變形和切削力減小。3)

積屑瘤的頂端從刀尖伸向工件內層，將影響工件的尺寸精度，使切削厚度增大。4)

積屑瘤直接影響工件加工表面的形狀精度和表面粗糙度。碎片的脫落與再生，造成切削力的波動，引起振動，而且加劇刀具的磨損。二、積屑瘤積屑瘤的作用影響積屑瘤產生的因素

積屑瘤的形成主要決定于切削溫度以及接觸面的壓力、粗糙程度、粘結程度等。這些因素與以下切削條件有關。

工件材料的塑性越好，刀屑之間的接觸長度lf越大，摩擦系數μ越大，切削溫度越高，就越容易產生粘結，易產生積屑瘤。1）工件材料

前角γo越大，刀具和切屑之間的接觸長度lf就越小，摩擦越小，所以不易產生積屑瘤。2）前角3）進給量

進給量減小，ac減小，切屑與前刀面接觸長度lf減小，摩擦系數減小，切削溫度降低，不易產生積屑瘤。二、積屑瘤4）切削速度

在低速切削（vc≤3m／min）中碳鋼時，切削溫度較低；而在高速切削時（vc≥60m／min），切削溫度又較高，在這兩種情況下刀屑之間摩擦系數均較小，不易粘結，也就不易形成積屑瘤。切削速度在兩者之間時，有積屑瘤產生，而在中速時（vc=20m／min）積屑瘤高度最大。切削速度對積屑瘤的影響二、積屑瘤積屑瘤的利弊粗加工時：保護刀具、增大前角。（利）

精加工時：嚴重影響加工表面的尺寸精度和粗糙度。（弊）二、積屑瘤積屑瘤的控制

：（切削速度影響積屑瘤的主要因素）1）控制切削速度；2）塑性材料的熱處理；適當提高工件材料的硬度，減小加工硬化傾向3）增大前角、減小進給量；減小刀具前刀面與切屑之間的壓力4）采用切削液。目的在于減小切屑底層材料與刀具前刀面間的摩擦二、積屑瘤三、切屑的形態(tài)

圖2-9

切屑類型a)帶狀切屑b)節(jié)狀切屑c)粒狀切屑d)崩碎切屑三、切屑的形態(tài)切屑類型圖切屑形態(tài)照片三、切屑的形態(tài)形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達到斷裂程度局部剪切應力達到斷裂強度剪切應力完全達到斷裂強度未經塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小，刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大，刀具前角較小加工塑性材料,進一步降低切削速度，增大進給量，減小前角時加工硬脆材料，刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小，妨礙切削工作，應設法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑總結：切屑類型及形成條件三、切屑的形態(tài)②脆性金屬：三、切屑的形態(tài)切屑形態(tài)控制：①塑性金屬：①針狀切屑②不能太大，因有沖擊

帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑切削平穩(wěn)，力波動小滑移量較大，局部切削不平穩(wěn)，力波動大加工面光潔，斷屑難剪應力達斷裂強度加工表面粗糙少見↑γ0↑v↓ap↓γ0↓v↑ap↓γ0↓v↑ap↑γ0↑v↓apFfFsFnsFnFrFzFy四、前刀面的磨擦及其對切屑變形的影響切削層的截面積Ac剪切面的截面積As剪切力：總切削力：（1）當前角增大時，角隨之增大，變形減小。（2）當摩擦角增大時，角隨之減小，變形增大。四、前刀面的磨擦及其對切屑變形的影響切削方程式

主應力方向與最大剪應力方向的夾角應為45°，即Fr與Fs的夾角應為45°，故有

作用角1.工件材料工件材料強度硬度越高，摩擦系數μ越小，剪切角φ越大，切削變形越小。工件材料的塑性越高，切削變形大。五、影響切削變形的因素圖2-19工件材料強度對切屑變形的影響2.刀具幾何參數（1）刀具前角γo前角γo↑——切削刃鋒利——越易切入金屬——阻力↓——摩擦系數μ↓——剪切角φ↑——變形系數ξ↓——切削變形↓切削輕快。（2）刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑↑——切削刃上參加切削的曲線刃的長↑——使平均切削厚度↓——切削變形↑。五、影響切削變形的因素前角對剪切角的影響a)負前角；b)正前角五、影響切削變形的因素3.切削速度vc

切削速度vc是通過積屑瘤使剪切角φ改變和通過切削溫度使摩擦系數μ變化而影響切削變形的。五、影響切削變形的因素切削速度vc對切削變形的影響vc=（3～20）m／min，vc↑→h積↑→γoe↑→φ↑→ξ↓vc=20m／min左右時，h積max→

γoemax

→

φmax

→ξminvc=（20～40）m／min，vc↑→h積↓→γoe

↓→φ↓

→ξ↑vc>40m／min后，切削溫度↑→μ↓→β↓→φ↑→ξ↓

五、影響切削變形的因素3.進給量進給量f↑——切削厚度ac↑——正壓力Fn↑，平均正應力σfav↑——因此摩擦系數μ↓——剪切角φ↑——變形系數ξ↓五、影響切削變形的因素第二節(jié)總結:概念：三個變形區(qū)、剪切角、積屑瘤、切屑類型、直角自由切削、摩擦角、作用角分析：積屑瘤的作用有哪些？切屑變形的控制方法？切屑變形的度量公式（變形系數和相對滑移