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a）
b）
c）
图2.6 积屑瘤
a）内摩擦应力分布； b）积屑瘤外形 ；c）积屑瘤外形尺寸
2.1切削变形
研究切削变形与切屑的形成非常复杂，下面以正交（直 角）自由切削为研究模型进行简要说明。
4
2.1.1金属切削层的切削变形
1.切削变形的力学本质
金属切削过程类似于金属材料受挤压的过程，当塑 性金属材料受挤压时，金属先产生弹性变形而后是塑性 变形，最大剪应力方向与最大主应力方向之间大致成45o 夹角，即沿着OM或AB产生剪切滑移（如图2.1a所示）。
3
金属切削加工过程是指通过切削运动，刀具从工件的表 面上切下多余的金属层，形成切屑和合格的已加工表面的过 程。在此过程中将产生许多物理现象，如切削变形、积屑瘤、 鳞刺、振动、表面硬化、切削力、切削热和切削温度、刀具 磨损等。本章主要研究产生上述诸多现象的成因、本质及变 化规律。掌握这些基本规律，对合理使用与设计刀具、夹具、 机床，保证加工质量、降低加工成本、提高生产效率以及促 进切削加工技术的进步都将具有非常重要的意义。
6
（2）第二变形区。它是指刀—屑接触区，即 与前面接触的切屑底层内产生的变形区域（Ⅱ）， 切屑沿刀具前面流出时进一步受到刀具前面的挤压 和摩擦，切屑卷曲，靠近前面处晶粒纤维化，其方 向基本上和刀具前面平行。
（3）第三变形区。它是指刀—工件接触区， 亦即近切削刃处已加工表面层内产生的变形区域 （Ⅲ）。已加工表面受到切削刃钝圆部分与刀具后 面的挤压和摩擦产生变形，造成晶粒纤维化与表面 加工硬化。
图2.1 金属的挤压与切削的比较
5
图2.1 金属的挤压与切削的比较
2.切削过程中的三个变形区
在切削过程中存在着三个变形区（如图2.2所示）：
（1）第一变形区。由始滑移面OA与终滑移面OM所 围成的区域（Ⅰ）称为第一变形区，也称剪切滑移区。这 是主要变形区（产生塑性变形形成切屑）。
滑移面与切削速度的夹角称为剪切角φ。
当温度和压力适当时，滞流层金属就会黏附在刀具前 面上，依次层层堆积，高度逐渐增大而形成了积屑瘤，它代 替切削刃继续剪切较软的金属层，长高的积屑瘤在外力或振 动作用下可能会发生局部断裂或脱落，条件合适时又会继续 生成、长高。这样生成、长大、脱落，再生成、再长大、再 脱落……经历着一个又一个非周期性变化的过程。
机械制造技术
Mechanism Manufacture Technology
1
配 套 教 材 ：
2
Fra Baidu bibliotek2章 金属切削加工理论及其应用
【学习目标】
本章主要介绍金属切削加工过程中的切削变形、 积屑瘤、加工硬化、切削力、切削热和切削温度、刀 具磨损和刀具寿命等物理现象以及磨削当中的特点， 同时介绍这些现象的影响因素和控制方法。通过对本 章的学习，让学生了解产生这些现象的基本规律，能 够通过调整某些影响因素来控制切削过程，从而达到 实现工件切削加工要求之目的。
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2.1.4切屑与刀具前面间的摩擦和积屑瘤 在塑性金属切削过程中，因切屑底层与刀具前面间挤
压摩擦严重，使切屑底层金属的流动速度低于上层的流动速 度而形成滞流层。当滞流层金属与刀具前面之间的摩擦力超 过切屑内部的结合力时，滞流层的一部分金属就会黏结在切 削刃附近（亦称冷焊），不断沉积便形成小硬块称为积屑瘤。
7
三个变形区的变形相互牵连，切削变形是一个整体， 且整个变形过程是在极短的时间内完成的。
a)
b)
图2.2 切削变形状态
a) 正交平面中的受力情况 b) 金相照片
8
2.1.2切屑的形成与切屑类型
1.切屑的形成过程
切削层在刀具挤压
和摩擦的作用，产生弹
性变形和塑性变形，当
切削层的承受的切应力
达到材料的屈服强度极
Ah
lD lch
hch hD
＞1
（2.1）
A h 值越大，切屑
越厚越短，则切削变
形就越大。
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a）
b）
c）
图2.5 变形程度表示
a）切屑与切削层的外形尺寸； b） 切屑的厚度增加、长度缩短； c）前角、剪切角与切削变形的关系 需要说明的是：在切削某些材料时，可能会出现 A h ＜1，这就不能正确反映切削变形的实际情况。
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2.1.3变形程度的表示方法
通常可用切削变形系数来衡量切削变形程度。如果 把切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，会发现切屑厚
度增加（ h ch ＞h D ）、切屑长度缩短（l ch ＜ l D ），切
屑宽度基本没发生变化。
这是切屑流出时受到刀具前面摩擦作用的结果。切 削变形系数就是切屑厚度hch与切削层厚度hD的比值，或 者是切削层长Lc度和切屑长度Lch的比值。即：
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（3）粒状（单元）切屑
采用小前角或负前角，以极低的切削速度和大的 切削厚度切削粗晶粒金属时，会产生粒状屑型，此时， 切削过程更不稳定，加工表面的质量也会更差。
（4）崩碎切屑
在切削铸铁等脆性金属时，由于脆性材料抗拉强 度低，刀具切入后，切削层未经塑性变形，就会在材 料组织的石墨与铁素体之间疏松界上产生不规则崩裂， 形成崩碎切屑。这种切屑的形状很不规则，加工出的 工件表面也凹凸不平。工件材料越脆、切削厚度越大、 刀具前角越小，就越容易产生这种切屑。
图2.4 切屑的类型
a）带状切屑 b）节状切屑 c）粒状切屑 d） 崩碎切屑
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（1）带状切屑 。 产生条件：切削塑性材料（如软钢、铝等）时，如 果切削速度较高、切削厚度较薄、刀具前角较大，容易形 成内表面光滑、外表面呈毛茸状的带状切屑。 优点：切削过程较平稳，切削力波动较小，已加工 表面粗糙度较小。 缺点：切屑连绵不断，有时会缠绕在刀具或工件上 影响加工过程。 （2）节状（挤裂）切屑 产生条件：大多在切削塑性金属材料时，如果切削 速度较低、进给量较大（亦即切削厚度较大）、刀具前角 较小，容易产生这种屑型。 特点：切削中切应变较大，切削力有波动和和振动， 已加工表面粗糙度较大。对硬质合金刀具易产生崩刃。
限时，便产生剪切滑移，
a）
b）
切削层经过第一变形区
图2.3 切屑的形成过程
形后即沿着刀具前面流
a) 形成切屑的剪切滑移过程
出，便形成了切屑。
b) b) 切屑形成模型
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2.切屑的类型 由于工件材料和切削条件的不同，切削中的变形程度 也不相同，因此，会形成多种类型的切屑，如图2.4所示。
a）
b）
c）
d）
a）
b）
c）
图2.6 积屑瘤
a）内摩擦应力分布； b）积屑瘤外形 ；c）积屑瘤外形尺寸
2.1切削变形
研究切削变形与切屑的形成非常复杂，下面以正交（直 角）自由切削为研究模型进行简要说明。
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2.1.1金属切削层的切削变形
1.切削变形的力学本质
金属切削过程类似于金属材料受挤压的过程，当塑 性金属材料受挤压时，金属先产生弹性变形而后是塑性 变形，最大剪应力方向与最大主应力方向之间大致成45o 夹角，即沿着OM或AB产生剪切滑移（如图2.1a所示）。
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金属切削加工过程是指通过切削运动，刀具从工件的表 面上切下多余的金属层，形成切屑和合格的已加工表面的过 程。在此过程中将产生许多物理现象，如切削变形、积屑瘤、 鳞刺、振动、表面硬化、切削力、切削热和切削温度、刀具 磨损等。本章主要研究产生上述诸多现象的成因、本质及变 化规律。掌握这些基本规律，对合理使用与设计刀具、夹具、 机床，保证加工质量、降低加工成本、提高生产效率以及促 进切削加工技术的进步都将具有非常重要的意义。
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（2）第二变形区。它是指刀—屑接触区，即 与前面接触的切屑底层内产生的变形区域（Ⅱ）， 切屑沿刀具前面流出时进一步受到刀具前面的挤压 和摩擦，切屑卷曲，靠近前面处晶粒纤维化，其方 向基本上和刀具前面平行。
（3）第三变形区。它是指刀—工件接触区， 亦即近切削刃处已加工表面层内产生的变形区域 （Ⅲ）。已加工表面受到切削刃钝圆部分与刀具后 面的挤压和摩擦产生变形，造成晶粒纤维化与表面 加工硬化。
图2.1 金属的挤压与切削的比较
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图2.1 金属的挤压与切削的比较
2.切削过程中的三个变形区
在切削过程中存在着三个变形区（如图2.2所示）：
（1）第一变形区。由始滑移面OA与终滑移面OM所 围成的区域（Ⅰ）称为第一变形区，也称剪切滑移区。这 是主要变形区（产生塑性变形形成切屑）。
滑移面与切削速度的夹角称为剪切角φ。
当温度和压力适当时，滞流层金属就会黏附在刀具前 面上，依次层层堆积，高度逐渐增大而形成了积屑瘤，它代 替切削刃继续剪切较软的金属层，长高的积屑瘤在外力或振 动作用下可能会发生局部断裂或脱落，条件合适时又会继续 生成、长高。这样生成、长大、脱落，再生成、再长大、再 脱落……经历着一个又一个非周期性变化的过程。
机械制造技术
Mechanism Manufacture Technology
1
配 套 教 材 ：
2
Fra Baidu bibliotek2章 金属切削加工理论及其应用
【学习目标】
本章主要介绍金属切削加工过程中的切削变形、 积屑瘤、加工硬化、切削力、切削热和切削温度、刀 具磨损和刀具寿命等物理现象以及磨削当中的特点， 同时介绍这些现象的影响因素和控制方法。通过对本 章的学习，让学生了解产生这些现象的基本规律，能 够通过调整某些影响因素来控制切削过程，从而达到 实现工件切削加工要求之目的。
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2.1.4切屑与刀具前面间的摩擦和积屑瘤 在塑性金属切削过程中，因切屑底层与刀具前面间挤
压摩擦严重，使切屑底层金属的流动速度低于上层的流动速 度而形成滞流层。当滞流层金属与刀具前面之间的摩擦力超 过切屑内部的结合力时，滞流层的一部分金属就会黏结在切 削刃附近（亦称冷焊），不断沉积便形成小硬块称为积屑瘤。
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三个变形区的变形相互牵连，切削变形是一个整体， 且整个变形过程是在极短的时间内完成的。
a)
b)
图2.2 切削变形状态
a) 正交平面中的受力情况 b) 金相照片
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2.1.2切屑的形成与切屑类型
1.切屑的形成过程
切削层在刀具挤压
和摩擦的作用，产生弹
性变形和塑性变形，当
切削层的承受的切应力
达到材料的屈服强度极
Ah
lD lch
hch hD
＞1
（2.1）
A h 值越大，切屑
越厚越短，则切削变
形就越大。
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a）
b）
c）
图2.5 变形程度表示
a）切屑与切削层的外形尺寸； b） 切屑的厚度增加、长度缩短； c）前角、剪切角与切削变形的关系 需要说明的是：在切削某些材料时，可能会出现 A h ＜1，这就不能正确反映切削变形的实际情况。
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2.1.3变形程度的表示方法
通常可用切削变形系数来衡量切削变形程度。如果 把切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，会发现切屑厚
度增加（ h ch ＞h D ）、切屑长度缩短（l ch ＜ l D ），切
屑宽度基本没发生变化。
这是切屑流出时受到刀具前面摩擦作用的结果。切 削变形系数就是切屑厚度hch与切削层厚度hD的比值，或 者是切削层长Lc度和切屑长度Lch的比值。即：
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（3）粒状（单元）切屑
采用小前角或负前角，以极低的切削速度和大的 切削厚度切削粗晶粒金属时，会产生粒状屑型，此时， 切削过程更不稳定，加工表面的质量也会更差。
（4）崩碎切屑
在切削铸铁等脆性金属时，由于脆性材料抗拉强 度低，刀具切入后，切削层未经塑性变形，就会在材 料组织的石墨与铁素体之间疏松界上产生不规则崩裂， 形成崩碎切屑。这种切屑的形状很不规则，加工出的 工件表面也凹凸不平。工件材料越脆、切削厚度越大、 刀具前角越小，就越容易产生这种切屑。
图2.4 切屑的类型
a）带状切屑 b）节状切屑 c）粒状切屑 d） 崩碎切屑
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（1）带状切屑 。 产生条件：切削塑性材料（如软钢、铝等）时，如 果切削速度较高、切削厚度较薄、刀具前角较大，容易形 成内表面光滑、外表面呈毛茸状的带状切屑。 优点：切削过程较平稳，切削力波动较小，已加工 表面粗糙度较小。 缺点：切屑连绵不断，有时会缠绕在刀具或工件上 影响加工过程。 （2）节状（挤裂）切屑 产生条件：大多在切削塑性金属材料时，如果切削 速度较低、进给量较大（亦即切削厚度较大）、刀具前角 较小，容易产生这种屑型。 特点：切削中切应变较大，切削力有波动和和振动， 已加工表面粗糙度较大。对硬质合金刀具易产生崩刃。
限时，便产生剪切滑移，
a）
b）
切削层经过第一变形区
图2.3 切屑的形成过程
形后即沿着刀具前面流
a) 形成切屑的剪切滑移过程
出，便形成了切屑。
b) b) 切屑形成模型
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2.切屑的类型 由于工件材料和切削条件的不同，切削中的变形程度 也不相同，因此，会形成多种类型的切屑，如图2.4所示。
a）
b）
c）
d）