第一节金属切削过程中的变形

演示1 积屑瘤形成过程 演示2
演示3
所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与 金属材料的硬化性质有关，也与刃前区 的温度和压力分布有关。一般说来，塑 性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生 积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积 屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用， 也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时， 积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
b)剪切角Φ
剪切面和切削速度方向间的夹角称为剪切角φ 。 纯剪切理论：剪应力与主应力方向约呈45°， 且主应力方向与作用合力的方向一致。
根据最大剪应力理论可以求出剪切角 φ =45°+ γ o -β
β ---前刀面上的平均摩擦角。
用剪切角和前角计算变形系数
ach OM cos( )0 cos( )o
带状、粒状、节状、崩碎 切屑是四种典型的切屑，但加 工现场获得的切屑，其形状是 多种多样的。在现代切削加工 中，切削速度与金属切除率达 到了很高的水平，切削条件很 恶劣，常常产生大量“不可接 受”的切屑。因此是在切削加 工中应采取适当的措施来控制 切屑的卷曲、流出与折断，使 形成“可接受”的良好屑形。 既所谓的切屑控制（又称切屑 处理，工厂中一般简称为“断 屑”）。
2、第二变形区（纤维化）
（2）剪切角Φ 与前刀面上摩擦角β 的关系
作用在切屑上的力有
前刀面上的法向力Fn、摩擦力Ff、剪切面上的正压力Fns和剪应力Fs。
简化后作用在切屑上的力 Fr为切削合力、 Φ 为剪切角、 β 是Fn与Fr之间的夹角摩擦角、Fz是切 削运动方向的分力、和Fy是与运动方向垂直的分力。
（1）变形特征
使切屑底层靠近前刀面处纤维化，切屑流动速度减慢，底层金属甚至 会滞留在前刀面上；由于切屑底层纤维化晶粒被伸长，形成切屑的卷曲； 由摩擦产生的热量使切屑底层与前刀面处温度升高。前刀面上的挤压和 摩擦不仅造成第二变形区的变形，并且对第一变形区也有影响。例如前 刀面的摩擦很大，切屑不易排出，则第一变形区的剪切滑移必将加剧。
2、第一变形区（剪切滑移）
（1）第一变形区内金属的剪切变形过程
加工过程演示 图中的OA、OM虚线实际上是等切应力曲线。
如图,当被切削层金属中某点 P，向切削刃逼近到达1点时， 其切应力达到材料的屈服强度 时点1在向前移动的同时，也沿 OA滑移其合成运动将点1流动到 2点。滑移量为2-2′。随着滑 移的产生，切应力将逐渐增大 直到4位置，此时其流动方向与 前刀面平行，不再沿OM线滑移。 所以OM为终滑移线，OA为始滑 移线。
2、第一变形区（剪切滑移）
（2）变形程度的表示方法
a)变形系数ξ b)剪切角Φ c)剪应变ε
a)变形系数ξ
（a)厚度变形系数 切屑厚度(ach)与切削层厚度 (ac)之比
称为厚度变形系数ξ a 。
(b)长度变形系数
切削层长度( lc )与切屑长度( lch )之比称为长度变形系数ξ l。 根据体积不变原理： ξ a = ξ l= ξ ＞1 由此可见变形系数ξ 越大，切屑越厚越短。利用变形系数可直观反映切屑 的变形程度，在工厂中经常采用。
2、第一变形区（剪切滑移）
（1）第一变形区内金属的剪切变形过程 在OA到OM之间整个变形区内，其变形主要特点就是沿滑移线的剪切变形以及 随之产生的加工硬化。从晶体结构看，就是沿晶格中晶面的滑移。切削过程 中的晶粒滑移见如下图
材料中晶粒 设金属晶粒是圆形，当受到剪切应力后晶格中晶面发生滑移，晶粒呈椭圆 形，直径AB变为椭圆长轴A′B′，最后A〞B〞成为晶粒纤维化方向。
学习内容
一、切屑的形成过程及其种类 二、切削层金属的变形 三、切屑变形的规律
一、切屑的形成过程及其种类
切削过程中的各种物理现象，都是以切屑形成过程为基础的。 了解切屑形成过程，对理解切削规律及其本质是非常重要。 现以塑性金属材料为例，说明切屑的形成及切削过程中的变形情况。
在切削过程中，被切金属层在前刀面的推力作用下产生剪应力，当剪 应力达到并超过工件材料的屈服极限时，被切金属层将沿着某—方向产生 剪切滑移变形而逐渐累积在前刀面上，随着切削运动的进行，这层累积物 将连续不断地沿前刀面流出，从而形成了被切除的切屑。简言之，工件上 切削层金属,在刀具前刀面的推挤作用下发生了塑性变形，最后沿某一面 剪切滑移形成了切屑。
4.对刀具寿命的影响 积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具
磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀 具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。
c)影响积屑瘤的因素
1.工件材料：材料的塑性越好刀屑之间的接触长度越大，摩擦系数越大， 切削温度越高就越易产生粘结，易产生积屑瘤。故应适当提高工件材料 硬度，减小加工硬化倾向。
二、切削层金属的变形
以直角自由切削方式切削塑性材料为基础模型研究切屑形成过程。
大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切 屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。
二、切削层金属的变形
1、变形区划分 2、第一变形区（剪切滑移） 3、第二变形区（纤维化） 4、第三变形区（纤维化与加工硬化）
1、变形区划分
由此可见， 前角增大，剪切角增大，变形减小。在保证刀刃强度条件下增大前角可 以改变切削过程。
摩擦角增大，剪切角减小，变形增大。提高刀具刃磨质量或使用切削液， 可减小刀面上的摩擦，对切削过程有利。
2、第二变形区（纤维化）
（3）前刀面上的摩擦与积屑瘤现象 根据摩擦特点不同，将切屑与前刀面接触的部分划分为两个摩擦区：
3、第二变形区（纤维化）
第二变形区的变形是指切屑在沿前刀面流动时受前刀面的挤压、摩擦 而产生的进一步变形。这一变形主要集中在和前刀面摩擦的切屑层底 面一薄层金属内。
3、第二变形区（纤维化）
（1）变形特征 （2）剪切角Φ 与前刀面上摩擦角β 的关系 （3）前刀面上的摩擦与积屑瘤现象
2、第二变形区（纤维化）
根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑的形态大体可划分为三个变形区
第一变形区（剪切滑移）
第二变形区（纤维化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）
2、第一变形区（剪切滑移）
从OA线开始金属发生剪切变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本结 束，AOM区域称为第一变形区（或剪切区），是切屑变形的基本区， 其变形主要特点就是晶粒沿滑移线的剪切变形并随之产生加工硬化。
内摩擦约占85%，只有温度低，压力小时，才考虑外摩擦的影响。
积屑瘤现象
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑 性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很 高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进 行切削。这块冷ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。
崩碎切屑
属于脆性材料的切屑。这种切屑的形 状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。
从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机 理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工 脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种 切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加 工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切
a)积屑瘤的形成 b)积屑瘤在切削过程中的作用 c)影响积屑瘤的因素
a)积屑瘤的形成
切削加工时，切屑与前刀面发生强烈摩擦而形成新鲜表面接触。当接触面具 有适当的温度和较高的压力时就会产生粘结（冷焊）。于是，切屑底层金属 与前刀面冷焊而滞留在前刀面上。连续流动的切屑从粘在刀面的底层上流过 时，在温度、压力适当的情况下，也会被阻滞在底层上。使粘结层逐层在前 一层上积聚，最后长成积屑瘤。
第一节 金属切削过程中的变形
研究切削过程意义
切削过程中的许多物理现象，如切削力、切 削热、刀具磨损等，都与金属的变形及其变化规 律有密切的关系，研究切削过程对保证加工质量、 提高生产率、降低成本和促进切削加工技术的发 展，有着十分重要的意义。
学习目的
-讨论金属材料的切削过程。 -研究切屑形成过程的物理本质及其变形规律。
挤裂切屑
这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。 这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。
单元切屑
如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整 个单元被切离，成为梯形的单元切屑。
以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到
其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。 在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少 见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速 度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状 切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。
内摩擦区（粘结区）和外摩擦区（滑动区）。
2、第二变形区（纤维化）
1）粘结区：塑性金属在切削过程中，在近切削刃长度lfi内，切屑与前刀面之 间压力很大（可达到3.5GPa) ，再加上几百度的高温（可达900 ℃) ，使切 屑底层材料产生软化，从而粘结在前刀面上高低不平的凹坑形成粘结区。
故切屑与前刀面之间不是一般的 外摩擦，而是切屑与前刀面粘结层 与其上层金属之间的相对滑移，称 之为内摩擦。这种内摩擦实际上就 是金属内部的滑移剪切，它不同于 外摩擦（外摩擦力的大小与摩擦系 数以及正压力有关，与接触面积无 关），而是与材料的剪切屈服强度 以及粘结面积大小有关。
b)积屑瘤在切削过程中的作用
1.实际前角增大 它加大了刀具的实际前角，可使切削力减 小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈 高，实际前角愈大。
2.增大切削厚度
3.使加工表面粗糙度增大 积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连
附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使
由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而 产生的切屑种类也就多种多样。
主要有四种类型
带状切屑 节状（挤裂）切屑
为切削塑性材料的切屑
粒状（单元 ）切屑
崩碎切屑
为切削脆性材料的切屑。
带状切屑
它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料，当切削厚 度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。 它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。
2、第二变形区（纤维化）
2）滑动区:切屑即将脱离前刀面的长度Lfo内，切屑与刀面之间的摩擦 为外摩擦。
2、第二变形区（纤维化）
左图表示了切屑和前刀面摩 擦时的情形。 刀-屑接触部分 分二个区域，在粘结部分为 内摩擦，滑动部分为外摩擦。 图中也表示出了整个刀-屑接 触区上正应力σ f和切应力的 分布，显然金属的内摩擦力 要比外摩擦力大得多，因此， 应着重考虑内摩擦。
由图可知
2、第二变形区（纤维化）
切削合力合力Fr在主应力方向，剪应力 Fs是在最大剪应力方向。它们二者间的 夹角为(Φ +β - γ o )，根据材料力学 理论可知
(Φ +β - γ o )= 45°
或Φ = 45°-(β - γ o )= 45°-ω
ω 为切削合力与切削速度方向的夹角,称为作用角.
s / y NP / MK (NK KP) / MK c tan tan( 0 )
∵ξ = cos(φ -γ o)/sinφ tanφ =cosγ o/ξ -sinγ o
∴
2 2 sin 0 1 cos 0
由此可见
φ 越大，γ o越大，则ε 越小，变形也越小。
ac OM sin
sin
由此可见在相同切削条件下，剪切角越大，剪切面积越小，切屑厚度越 小（切削层厚度不变），变形程度越小，切削比较省力。
c)剪应变ε
由于切削过程中变形的主要形式是剪切滑移，采用剪应变更能合理 的衡量变形程度。
剪应变与相对滑移的关系为： ε = △s/△y
△s=NP，△y=MK
2、第一变形区（剪切滑移）
（1）第一变形区内金属的剪切变形过程
由图可知，刀尖前面的金属晶 粒纤维化方向与晶粒滑移方向 不一致，成一夹角Ψ ，晶粒滑 移越大，夹角Ψ 越小。
一般第一变形区的宽度仅为0.02～0.2mm。且切削速度愈高，宽度愈小。 因此可将变形区视为一个剪切平面，并把此面称为剪切面。 剪切面和切削速度方向间的夹角叫作剪切角，用φ 表示。