金属切削过程

切屑 M 终滑移线
金属切削变形过程
A
Φ剪切角 始滑移线：τ=τs O
刀具
图3-3 切屑根部金相照片
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1、切削变形的本质： 是被切削层金属在刀具切削 M Ⅱ A Ⅰ 刃和前刀面作用下，因受挤压而 O Ⅲ 产生剪切滑移变形转变为切屑的 过程。 减少切削变形的目的是降低切削抗力和切削温度。 OA到OM之间的区域为第一变形区， 之间的区域为第一变形区 在OA到OM之间的区域为第一变形区，在一般切削 速度范围内OA OM的距离只有0.02~ 0.2mm， OA到 的距离只有0.02 速度范围内OA到OM的距离只有0.02 0.2mm，可用 一个面表示，称为剪切面 剪切面， 一个面表示，称为剪切面，剪切面和切削速度方向 剪切角， 表示。 之间夹角称为剪切角 之间夹角称为剪切角，以φ表示。剪切角的大小反 映切削变形的大小，剪切角越大 切削变形越小 变形的大小 映切削变形的大小，剪切角越大，切削变形越小。 刀具前角越大，剪切角越大。第一变形区是切屑形 刀具前角越大，剪切角越大。第一变形区是切屑形 成的主要区域，是切削抗力和切削热的主要来源。 成的主要区域，是切削抗力和切削热的主要来源。
1、了解金属切削基本原理，掌握金属切削变形过程 了解金属切削基本原理， 规律。 规律。 2、了解三个切削变形区的变形特点和切屑类型。 了解三个切削变形区的变形特点和切屑类型。 3、了解影响切削变形的因素。 了解影响切削变形的因素。 4、掌握切削力、切削热、刀具磨损等概念。 掌握切削力、切削热、刀具磨损等概念。
3.1.4 积屑瘤 摩擦特点
在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑 与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。
两个摩擦区
粘结区：高温高压使切屑底 层软化，粘嵌在前刀面高低不 平的凹坑中，形成长度为lfi 的 粘接区。切屑的粘接层与上层 金属之间产生相对滑移，其间 的摩擦属于内摩擦。 滑动区：切屑在脱离前刀面 之前，与前刀面只在一些突出 点接触，切屑与前刀面之间的 摩擦属于外摩擦。
第 3 章 金属切削过程
3.1 金属切削过程
切削变形与切削的形成、切削的类型 、切削变形程度的表示、 积屑瘤、已加工表面的形成过程、影响切削变形的因素。
3.2 切削过程的基本规律
切削力、切削热与切削温度、刀具磨损
【重点】 重点】 切削变形、切削力、切削热、 切削变形、切削力、切削热、刀具磨损
学习目的与要求： 学习目的与要求：
cos γ 0 ∆S ε = = ∆y sin φ cos( φ − γ 0 )
γ0
（3-3）
当γ0 = 0～30°，ξh 0～30° ≥1.5时， ≥1.5时， ξh与ε相近 ε主要反映第Ⅰ变形区 主要反映第Ⅰ 的变形， 的变形 ， ξh 还包含了第 Ⅱ变形区的影响。 变形区的影响。
M
φ
O
图3-9 相对滑移系数
形成 条件
影响
切削力波动较大， 切削力波动大，有 切削过程不平稳， 冲击，表面粗糙度 恶劣，易崩刀 表面粗糙度不佳
切屑类型视频 切屑类型视频
带状切屑
挤裂切屑
粒状切屑 图3-5 切屑形态照片
崩碎切屑
切屑控制
为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切 屑卷曲和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果（图3-6） 断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置， 图3-7）
影响积屑瘤的因素： （2）影响积屑瘤的因素：
1）工件材料的塑性；塑性大，切削温度高易形成积屑瘤。正 工件材料的塑性；塑性大，切削温度高易形成积屑瘤。 火或调质处理可避免积屑瘤的生成。 火或调质处理可避免积屑瘤的生成。 切削速度；用低速或较高速切削时，不易产生积屑瘤。 2）切削速度；用低速或较高速切削时，不易产生积屑瘤。 刀具前角；增大前角，可减少切屑变形，降低切削温度， 3）刀具前角；增大前角，可减少切屑变形，降低切削温度， 抑制积屑瘤的产生。 抑制积屑瘤的产生。 冷却润滑条件。用切削液可降低切削温度和摩擦， 4）冷却润滑条件。用切削液可降低切削温度和摩擦，抑制积 屑瘤的产生。 屑瘤的产生。 脆性材料不易产生积屑瘤。 提高切削速度是控制切屑瘤 的最有效的方法（视频）。
切屑的形成
图3-4 金属切削过程中的滑移线和流线
3.1.2 切屑类型
表3-1 切屑类型及形成条件
名称 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
简图
形态 变形
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度 加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀 具前角较大 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
（1）积屑瘤对切削过程的影响： ）
积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、 1) 积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和 切削刃进行切削， 从而保护了刀刃， 切削刃进行切削 ， 从而保护了刀刃 ， 减少了刀具 的磨损。 的磨损。 2) 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且， 屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。 屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。 积屑瘤前端伸出切削刃外， 3) 积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸 精度。 精度。 积屑瘤脱落嵌入工件， 4) 积屑瘤脱落嵌入工件，直接影响工件加工表面 的形状精度和表面粗糙度。 的形状精度和表面粗糙度。
3.1.1 切削变形与切屑的形成
直角切削 切削刃与切削速度方向垂直，即刃倾角λs为0。 自由切削：只有一条直线切削刃参加切削，没有副刃。
a）直角切削 ）
b）斜角切削 ）
c）不自由切削 ）
图3-1 直角、斜角自由切削与不自由切削
1、切削变形的本质 挤压与切削
45°
金属切削过程视频
M
A F
切屑的形成与切离过程， 切屑的形成与切离过程，是切削层受 到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主 的塑性变形过程。 的塑性变形过程。 正挤压：金属材料受挤压时 ， 正挤压： 金属材料受挤压时， 最大剪 应力方向与作用力方向约成45° 应力方向与作用力方向约成45°
2、切屑的三个变形区 三个变形区分析
第Ⅰ变形区：即剪切变形区， 即剪切变形区， 即剪切变形区 M Ⅱ A 金属在该区剪切滑移， 金属在该区剪切滑移，成为切屑 Ⅰ 。金属切削过程的塑性变形主要 O Ⅲ 集中于此区域。 集中于此区域。 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与 靠近前刀面处， 挤压与 靠近前刀面处 切屑排出时受前刀面挤压 摩擦，在切屑底层产生的变形区。该区又可分为两个区域， 摩擦，在切屑底层产生的变形区。该区又可分为两个区域， 前段靠近切削刃为粘结区， 前段靠近切削刃为粘结区，由于高温高压作用使切屑底层材 料软化粘结在前刀面上形成粘结区 粘结区。 料软化粘结在前刀面上形成粘结区。后段切屑即将脱离前刀 面时为滑动区 切屑底层与前刀面仅有凸出的点接触。 滑动区， 面时为滑动区，切屑底层与前刀面仅有凸出的点接触。第二 磨损和产生积屑瘤的主要原因 变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。 变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。 第Ⅲ变形区：已加工面金属回弹受到后刀面挤压与摩擦， 已加工面金属回弹受到后刀面挤压与摩擦， 已加工面金属回弹受到后刀面挤压 产生变形和加工硬化。此区变形是造成已加工面加工硬化 加工硬化和 产生变形和加工硬化。此区变形是造成已加工面加工硬化和 残余应力的主要原因 直接影响已加工表面的质量。 的主要原因。 加工表面的质量 残余应力的主要原因。直接影响已加工表面的质量。
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状 局部剪切应力达到断 裂强度 加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀 具前角较小 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
粒状
不规则块状颗粒
剪切应力完全达到 未经塑性变形即被 挤裂 断裂强度 工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低， 进给量大 加工硬脆材料， 刀具前角较小
材料在OA之前只发生弹性变形， 材料在OA之前只发生弹性变形，从 OA之前只发生弹性变形 OA线开始产生剪切滑移塑性变形 线开始产生剪切滑移塑性变形， OM线剪切滑移基本完成 线剪切滑移基本完成。 OA线开始产生剪切滑移塑性变形，到OM线剪切滑移基本完成。 OM之后的材料已成为切屑 并沿前面流出。 之后的材料已成为切屑， OM之后的材料已成为切屑，并沿前面流出。
O B a）正挤压 ） 45° M A B O F
偏挤压：金属材料一部分受挤压时， 偏挤压：金属材料一部分受挤压时， b）偏挤压 ） OB 线以下金属由于母体阻碍， 不能沿 OB线以下金属由于母体阻碍 ， M AB线滑移，而只能沿OM线滑移 AB线滑移，而只能沿OM线滑移 O 切削：与偏挤压情况类似。 切削：与偏挤压情况类似。弹性变形 F →剪切应力增大，达到屈服点→产生塑 剪切应力增大，达到屈服点→ 性变形， OM线滑移 → 性变形 ， 沿 OM 线滑移→ 剪切应力与滑 c）切削 ） 移量继续增大，达到断裂强度→ 移量继续增大，达到断裂强度→切屑与 图3-2 金属挤压与切削比较 母体脱离。 母体脱离。
图3-12 切削速度对积屑瘤的影响
3.1.5 已加工表面的形成过程
第Ⅲ变形区是已加工表面的变形区，经切削产生的变形 使得已加工表面的金属晶格产生扭曲、挤紧和碎裂，造成 已加工面加工硬化。硬化层表面上出现细微的裂纹，并在 表层内产生残余应力，降低了表面加工质量，增加了后续 加工的难度，加速刀具磨损。 鳞刺是已加工表面上的一种鳞片状行毛刺，它对表面 粗糙度有严重的影响。通常在以较低的切削速度对塑性 金属进行加工时，可能出现鳞刺。采用高速切削、减少 切削厚度、使用润滑性能好的切削液等措施，可抑制鳞 刺。
脆性材料切削过程
◆ 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行
a）
b）
c）
d）
e）
硬脆材料切削过程视频 a）大规模挤裂（大块破碎切除） b）空切 c）小规模挤裂（小块破碎切除） d）小规模挤裂（次小块破碎切除） e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）
3.1.5 影响切削变形的因素
1、工件材料（工件材料强度、硬度越大，切削变形越小） 工件材料强度、硬度越大，切削变形越小） 工件材料强度 2、刀具前角和刀尖圆弧半径（前角越大，切削刃越锋利， 前角越大，切削刃越锋利， 前角越大 对切削层的金属的挤压也就越小，剪切角就越大， 对切削层的金属的挤压也就越小，剪切角就越大，切削变 形也越小。刀尖圆弧半径增大时，切削变形增大。 形也越小。刀尖圆弧半径增大时，切削变形增大。） 3、切削速度（切削速度主要是通过积屑瘤和切削温度使剪 切削速度主要是通过积屑瘤和切削温度使剪 切角变化而影响切削变形的。切削速度在8～ 切角变化而影响切削变形的。切削速度在 ～22m/min时， 时 切削速度增加，积屑瘤增大，刀具实际前角增大， 切削速度增加，积屑瘤增大，刀具实际前角增大，切削变形 减小。切削速度在22～ 减小。切削速度在 ～55m/min时，切削速度增加，积屑瘤 时 切削速度增加， 减小，刀具实际前角减小，切削变形增大。 减小，刀具实际前角减小，切削变形增大。切削速度在大于 55m/min时，切削速度增大，切削层金属变形不充分，切削 时 切削速度增大，切削层金属变形不充分， 变形减小。） 变形减小。） 4、切削厚度（切削厚度增大，摩擦系数减小，剪切角增大， 切削变形减小。）
图3-6 切屑的卷曲
图3-7 断屑的产生
3.1.3 切削变形程度的表示 变形系数 （切屑厚度压缩比ξ （切屑厚度压缩比ξh）
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层变的变形程度。
hch l D ξ Λh = = hD lch
图3-8 切屑厚度压缩比ξh的计算
相对滑移系数
lfi lfo
图3-10 切屑与前刀面的摩擦
积屑瘤的形成 （积屑瘤视频） 积屑瘤视频）
由于刀屑接触面很洁净，切削塑性材料时，在黏结摩擦的作 用下，当前刀面的温度和压力适宜时，切屑底层金属黏结在前 刀面的刃口附近，形成硬度很高的一个楔块，称为积屑瘤。通 通 常是工件硬度的2～ 倍 常是工件硬度的 ～3倍。 在加工过程中，积屑瘤 的高度是逐层积聚的，到 一定高度后，受振动或外 力作用会脱落，加工时积 屑瘤是一个生成、长大、 脱落的周期性过程。由于 切屑瘤改变了切削层厚度， 并且不稳定，脱落时嵌入 工件，破坏表面质量和加 工精度，精加工要避免积 图3-11 积屑瘤高度及其实际工作前角 屑瘤的产生。