金属切削原理 3第三章 金属切削的变形过程

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一、 切断作用与切削作用 1. 切断作用
楔角大，刀具强度高 楔角较大情况
工件塑性变形较大 工件尺寸精度很低 工件表面十分粗糙 工件表面加工硬化严重
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2. 切断向切削过渡
工件塑性变形减小 工件尺寸精度低 工件表面粗糙 工件表面加工硬化 严重
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3. 切削加工
形成后角 后刀面所对的工件塑 性变形大大减小 工件尺寸精度高 工件表面平整
实际前角增大，起积极作用 增大切削厚度，可能引起震动
图3－22 积屑瘤前角和伸出量
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使加工表面粗糙度增大，精加工时需设法避免 或减小积屑瘤；
工件表面的积屑瘤 对刀具寿命的影响,稳定时，可减少刀具磨损， 提高刀具耐用度。不稳定时，使刀具磨损加剧。
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5、抑制或消除积屑瘤的措施
1) 降低切削速度，使温度较低，使粘结现象不易发生 。以切削45钢为例，低速vc＜3m/min； 2) 采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应 温度。以切削45钢为例，较高速度vc≥60m/min； 3) 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； 4) 增加刀具前角，以减小刀屑接触区压力； 5) 适当提高工件材料的硬度，以减少加工硬化倾向。
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3. 变形系数ξ
切屑厚度ach与切削层的 厚度ac之比称为厚度变 形系数，用ξa 表示， ξa = ach/ac 切削层长度lc与切屑长 度lch之比称为长度变形 系数，用ξl表示， ξl=lc/lch 根据体积不变原理, 则 ξa ＝ξl ＝ξ 变形系数ξ↑,切屑越厚 越短,切削变形↑ 。
c
工件材料强度、硬 度↑， μ ↓ 切削厚度ac↑，μ↓ 切削速度对μ也有 影响 刀具前角γ0 ↑， μ↑
τs σav
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μ=
第三章 金属切削的变形过程
3.4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
1、什么是积屑瘤（ Built-up Edge，BUE ） 在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面 刃口处粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的 楔块，称之为积屑瘤。 2、积屑瘤的形成原因 产生这种现象，是滞流层金属不断堆积的结果。 3、影响积屑瘤的因素 积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的 硬化程度有关，也与刀刃前区的温度和压力状况 有关。积屑瘤高度与切削速度关系（图3-21）。
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切屑变形参数的讨论
ξ 2 - 2ξ sinγ 0 + 1 ε= ξ cosγ 0
ε
ξ>=1.5: ξ大， ε也大，比较接近 实际情况 ξ<1.5，特别 ξ≈1，或者前角 为负时，不能用ξ 来表示变形程度 切削变形的参数计 算都是近似的，有 相当的局限性
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第三章 金属切削的变形过程
3.3 前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 一、作用在切屑上的力 二、剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系 三、前刀面上的摩擦 四、影响前刀面摩擦系数的主要因素
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2. 挤裂切屑
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第三章 金属切削的变形过程
3.5 影响切屑变形的主要因素
1、工件材料对切削变形的影响 材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小 。
图3-23 工件材料强度对变形系数的影响
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2、刀具前角对切削变形的影响 刀具前角愈大，切削变形愈小（图3-24）。
图 前角对变形系数的影响
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3、切削速度对切削变形的影响
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积屑瘤的产生原因
前刀面和切 屑底面的挤 切屑底 压和摩擦 层产生 滞留层
积屑瘤产生动画
f内>f外 滞留层与切屑分 离，粘结在前刀 面。“冷焊”、“内 摩擦” 逐层滞 留粘结 冲击 振动 加工硬化 不断破 形成楔块 裂，脱落 再生
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图3－21 积屑瘤高度与切削速度关系示意图
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4、积屑瘤对切削过程的影响
在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与 前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比 上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层 。 所谓“内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的 摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦 力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有
四、影响前刀面摩擦系数的因素
图3-26 切削速度对变形系数的影响
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切削速度对切削变形的影响（图3-26） 切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变 形大小。 在积屑瘤增长的速度范围内, 因积屑瘤导致实际工 作前角增加、剪切角φ增大、变形系数减小。 在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减 小、变形系数ξ不断上升至最大值，此时积屑瘤完全 消失。 在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形 系数愈小。 切削铸铁等脆性金属时,一般不产生积屑瘤。随着 切削速度增大，变形系数逐渐地减小。 38
π
−ω
1.前角γ0 ↑，Φ ↑，变形减小。在保证切削刃强度前提 下，增大刀具前角利于改善切削过程。 2.摩擦角β↑，Φ↓ ，变形增大↑ 。提高刀具刃磨质量 ，施加切削液以减少前刀面上的摩擦对切削有利。
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三、前刀面上的摩擦
前刀面摩擦系数 μ=
τs σav
图3－16
切屑和前面摩擦情况示意图
切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑 间的摩擦仅为外摩擦。 刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和 滑动(外摩擦)区。 金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应 27 着重考虑内摩擦。
4、切削厚度（进给量）对切削变形的影响 切削厚度↑，前刀面上的摩擦系数↓，使β与ω↓ ，剪切角↑ φ= π/4-（γo- β)。切削厚度（进给量） ↑，变形系数ξ↓。
图
切削厚度与变形系数的关系
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图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响
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第三章 金属切削的变形过程
3.6 切屑的类型
a) 、b)、C)可转化， 切屑颜色判断
图3－15 切屑类型
a) 带状切屑 b) 挤裂切屑 C) 单元切屑 d) 崩碎切屑
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切屑形态照片
带状切屑
Real
挤裂切屑
Real
单元切屑
Real
崩碎切屑
Real
Байду номын сангаас42
1. 带状切屑
切屑 形貌 产生 原因 特点
产生 条件
1. 内表面光滑； 2. 外表面毛茸状； 3. 连续、带状。 1. 剪切位移未达到破裂程度， 2. 剪应力未超过材料极限强度 1.切削力波动小，切削过程平 稳； 2.已加工表面粗糙度小； 3.需要断屑措施。 1. 塑性金属； 2. v较高； 3. ac较小； 4. γ0较大。
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二、剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系
剪切角Φ可衡量切屑变形程度，如果能建立 φ=(γ0,β)的理论公式，对预测切屑变形程度和切削 力的大小有重要的实际意义。 最大主应力方向与最大剪应力方向夹角为π/4。
φ + β −γ0 = φ= π π
4
4 4 ω为合力与切削速度方向的夹角，称作用角
− (β − γ 0 ) =
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变形区的划分
第一变形区
（剪切滑移） 刀具
第二变形区
（前刀面挤压摩 擦）
形区 变
后刀面摩擦区
第三变形区12
三、 第一变形区内金属的剪切变形
剪切面OM
图3-7 第一变形区金属的滑移
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切屑形成本质
在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层 金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。 切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结 构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。 金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到 达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方 向性，仍为圆形（图3-8 a） 。 晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑 移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶 粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的 方向不重合，两者之间成一夹角Ψ（图3-9）。 14
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2. 相对滑移 ε
定义：单位厚度的金属产生的滑移量。切削过程 中金属变形主要形式是剪切滑移，剪应变即相对 滑移ε与φ之间关系：
Δs NP NK + KP = = ε= Δy MK MK cosγ 0 ε= sinφ cos(φ − γ 0 )
四边形OHNM--OGPM
式中φ是剪切角 ε与φ和γ0有关 ε↑，变形↑
测定前刀面摩擦系数μ
τ ⋅ Ac Fs = τ ⋅ As = sin φ
Fs Fr = cos(φ + β − γ 0 ) Fz = Fr cos ( β − γ 0 ) Fy = Fr sin ( β − γ 0 ) Fy Fz = tg ( β − γ 0 )
μ = tgβ
μ前刀面摩擦系数
图3-15 直角自由切削时力 与角度的关系
金属切削原理与刀具
Principle of Metal Cutting and Cutting Tools
第三章 金属切削的变形过程
主讲：张东民
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第三章 金属切削的变形过程
3.1 研究金属切削变形过程的意义和方法 3.2 金属切削层的变形 3.3 前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 3.4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 3.5 影响切屑变形的主要因素 3.6 切屑的类型 3.7 切屑的卷曲与折断
第一变形区内金属沿滑移线的剪切变形 晶体结构模型
图3－8 晶粒滑移示意图
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图3－9 滑移与晶粒的伸长
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图3-10 金属切削过程示意图
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四、变形程度的表示方法 1. 剪切角φ
定义：剪切面与切 削速度(主运动)方 向之间的夹角，用 φ表示。 剪切角φ↑→剪切 面积↓→变形程度 图3－11 φ角与剪切面面积的关系 ↓→切削力↓。
研究金属切削变形过程的实验方法
1、侧面变形观察法 2、高速摄影法 3、快速落刀法 4、在线瞬态体视摄影系统 5、扫描电镜显微观察法 6、光弹法、光塑性试验法
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第三章 金属切削的变形过程
3.2 金属切削层的变形 一、切断作用与切削作用 二、变形区的划分 三、第一变形区内金属的剪切变形 四、变形程度的表示方法
变形系数ξ大于1
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变形系数ξ与相对滑移ε之间关系：
cos(φ - γ 0 ) ξ= sinφ
ξ 2 - 2ξ sinγ 0 + 1 ε= ξ cosγ 0
剪切角φ、相对滑移ε和变形系数ξ是通常表示 切削变形程度的三种方法。 剪切角φ比较麻烦，一般要获得切屑根部图片， 才能量出；变形系数ξ则比较直观，容易测量。
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第三章 金属切削的变形过程
3.1 研究金属切削变形过程的意义和方法
切屑是怎样被切下来的？ 金属切削过程是指通过切削运动，刀具从工件 上切下多余金属层，形成切屑和已加工表面的过 程。此过程中产生一系列现象，如切削变形、切 削力、切削热和切削温度、刀具磨损等。学习这 些规律，讨论这些现象，对于合理选择金属切削 条件，分析解决切削加工中质量、效率等问题具 有重要意义。 切削变形本质上是工件切削层材料受到刀具前 刀面的挤压作用后，产生弹性变形、塑性变形和 剪切滑移，使切削层金属与母体材料分离变为切 屑的过程。 3
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二、变形区的划分
OA线：始滑移线（受剪开
始）
OM线：终滑移线（受剪结
束）
发生变形的主要区域 随着切削速度的增加而变薄，一般 厚度0.02-0.2mm，用平面表示
流线被切削金属某点在 切削过程中流动的轨迹
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第一变形区（I）：工件材料在刀具前刀面挤压作用下 ， 从图中 OA 线开始发生塑性变形到 OM 线晶格的剪切滑移基 本完成为止。因此这一区域是切削过程中的主要变形区，又 称剪切区。 第二变形区（Ⅱ）: 切屑沿前刀面滑移排出时紧贴前刀面 的底层金属进一步受前刀面的挤压阻滞和摩擦，再次剪切滑 移变形而纤维化。因其变形主要是摩擦引起的，故这一区域 又称摩擦变形区。 第三变形区（Ⅲ）：已加工表面受到切削刃纯圆部分与后 刀面的挤压、摩擦和回弹 ，造成纤维化和加工硬化。第三变 形区直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损。 三个变形区汇集在切削刃附近，该处应力比较集中而且复 杂，被切金属在此与材料本体分离形成切屑和已加工表面。 切削刃对于切屑和已加工表面的形成，起着很重要的作用。
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一、 作用在切屑上的力
图3－14 作用在切屑上的力
a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力 b) 切屑作为隔离体的受力分析
刀具与切屑之间的作用力分析如图3-14所示。 在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对其作用的 法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的 合力分别为Fr 和 Fr′。 假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共 线，有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力， φ是剪切角；β是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角； 24 γo是刀具前角。