第二章第二節(jié)-金屬切削原理

第二節(jié)金屬切削過(guò)程本節(jié)要點(diǎn)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(duì)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(shí)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(gè)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(guò)程與金屬受壓縮過(guò)程比較：a）壓縮b）切削下圖a所示,塑性金屬受壓縮時(shí),隨著外力的增加,金屬先后產(chǎn)生彈性變形、塑性變形,并使金屬晶格產(chǎn)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(yīng)變速度的影響,金屬切削過(guò)程如同壓縮過(guò)程,切削層受刀具擠壓后也產(chǎn)生塑性變形。一、金屬切削過(guò)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(guò)程概述切屑的形成金屬切削過(guò)程的實(shí)質(zhì)是被切削金屬層在刀具擠壓作用下產(chǎn)生剪切滑移的塑形變形過(guò)程。塑形金屬的切削過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)彈性變形、塑形變形、擠裂、切離四個(gè)階段。圖2-4金屬切削過(guò)程示意圖一、金屬切削過(guò)程概述動(dòng)畫(huà)切削變形過(guò)程示意圖工件刀具一、金屬切削過(guò)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(gè)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(guò)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(guò)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(lái)源。切削部位三個(gè)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(chǎn)生變形。是造成后刀面磨損、已加工表面的質(zhì)量（表面粗糙度、加工硬化和殘余應(yīng)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(shí)受前刀面擠壓與摩擦。是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。變形區(qū)的劃分一、金屬切削過(guò)程概述剪切角：剪切面OM與切削速度方向的夾角?；圃皆絿?yán)重，則剪切角越小，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(nèi)，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(gè)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(shù)ξ

（2）變形程度的表示方法變形系數(shù)是通過(guò)切屑外形尺寸變化來(lái)衡量變形大小的。變形系數(shù)ξ表示切屑收縮的程度,即:變形系數(shù)的計(jì)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(jiǎn)便，但很粗略，有時(shí)不能反映剪切變形的真實(shí)情況，因而有必要研究標(biāo)志變形程度的其他方法。

（2）變形程度的表示方法相對(duì)滑移ε

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

來(lái)衡量變形程度應(yīng)該是比較合理的。當(dāng)平行四邊形OHNM發(fā)生剪切滑移變形后，變?yōu)镺GPM，其相對(duì)滑移為

（2）變形程度的表示方法相對(duì)滑移ε的計(jì)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(duì)來(lái)講，ε能比較真實(shí)地反映變形的程度。

一、金屬切削過(guò)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(chǎn)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(jié)（內(nèi)摩擦）?；瑒?dòng)區(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(diǎn)接觸（外摩擦）。一般內(nèi)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(jié)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(fù)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(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化、加工硬化和殘余應(yīng)力。3.第Ⅲ變形區(qū)（擠壓摩擦回彈區(qū)）彈性恢復(fù)——影響零件的尺寸硬化層表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋——降低表面加工質(zhì)量表面硬度提高——產(chǎn)生殘余應(yīng)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(xì)又長(zhǎng)，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(chǎn)生加工硬化，表面殘余應(yīng)力，稱之為加工變質(zhì)層。3.第Ⅲ變形區(qū)金屬進(jìn)入第一變形區(qū)時(shí)，晶粒因壓縮而變長(zhǎng)，因剪切滑移而傾斜。

金屬層接近刀刃時(shí)，晶粒更為伸長(zhǎng)，成為包圍在刀刃周圍的纖維層，最后在O點(diǎn)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(yán)重塑性變形，產(chǎn)生加工硬化滯留—粘接—長(zhǎng)大二、積屑瘤積屑瘤的產(chǎn)生切屑刀具積屑瘤積屑瘤二、積屑瘤積屑瘤對(duì)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(jìn)行切削，能保護(hù)刀具，減少了刀具的磨損。2)

積屑瘤使刀具的實(shí)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(nèi)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(dòng)，引起振動(dòng)，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(chǎn)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(jié)程度等。這些因素與以下切削條件有關(guān)。

工件材料的塑性越好，刀屑之間的接觸長(zhǎng)度lf越大，摩擦系數(shù)μ越大，切削溫度越高，就越容易產(chǎn)生粘結(jié)，易產(chǎn)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(zhǎng)度lf就越小，摩擦越小，所以不易產(chǎn)生積屑瘤。2）前角3）進(jìn)給量

進(jìn)給量減小，ac減小，切屑與前刀面接觸長(zhǎng)度lf減小，摩擦系數(shù)減小，切削溫度降低，不易產(chǎn)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(shí)，切削溫度較低；而在高速切削時(shí)（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(shù)均較小，不易粘結(jié)，也就不易形成積屑瘤。切削速度在兩者之間時(shí)，有積屑瘤產(chǎn)生，而在中速時(shí)（vc=20m／min）積屑瘤高度最大。切削速度對(duì)積屑瘤的影響二、積屑瘤積屑瘤的利弊粗加工時(shí)：保護(hù)刀具、增大前角。（利）

精加工時(shí)：嚴(yán)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(dāng)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(jìn)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(jiǎn)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(dá)到斷裂程度局部剪切應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度剪切應(yīng)力完全達(dá)到斷裂強(qiáng)度未經(jīng)塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進(jìn)給量較小，刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進(jìn)給量較大，刀具前角較小加工塑性材料,進(jìn)一步降低切削速度，增大進(jìn)給量，減小前角時(shí)加工硬脆材料，刀具前角較小切削過(guò)程平穩(wěn)，表面粗糙度小，妨礙切削工作，應(yīng)設(shè)法斷屑切削過(guò)程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動(dòng)較大，切削過(guò)程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動(dòng)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(jié)：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(dòng)小滑移量較大，局部切削不平穩(wěn)，力波動(dòng)大加工面光潔，斷屑難剪應(yīng)力達(dá)斷裂強(qiáng)度加工表面粗糙少見(jiàn)↑γ0↑v↓ap↓γ0↓v↑ap↓γ0↓v↑ap↑γ0↑v↓apFfFsFnsFnFrFzFy四、前刀面的磨擦及其對(duì)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(dāng)前角增大時(shí)，角隨之增大，變形減小。（2）當(dāng)摩擦角增大時(shí)，角隨之減小，變形增大。四、前刀面的磨擦及其對(duì)切屑變形的影響切削方程式

主應(yīng)力方向與最大剪應(yīng)力方向的夾角應(yīng)為45°，即Fr與Fs的夾角應(yīng)為45°，故有

作用角1.工件材料工件材料強(qiáng)度硬度越高，摩擦系數(shù)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(qiáng)度對(duì)切屑變形的影響2.刀具幾何參數(shù)（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(shù)μ↓——剪切角φ↑——變形系數(shù)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(zhǎng)↑——使平均切削厚度↓——切削變形↑。五、影響切削變形的因素前角對(duì)剪切角的影響a)負(fù)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(guò)積屑瘤使剪切角φ改變和通過(guò)切削溫度使摩擦系數(shù)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(duì)切削變形的影響vc=（3～20）m／min，vc↑→h積↑→γoe↑→φ↑→ξ↓vc=20m／min左右時(shí)，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(jìn)給量進(jìn)給量f↑——切削厚度ac↑——正壓力Fn↑，平均正應(yīng)力σfav↑——因此摩擦系數(shù)μ↓——剪切角φ↑——變形系數(shù)ξ↓五、影響切削變形的因素第二節(jié)總結(jié):概念：三個(gè)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(shù)和相對(duì)滑移