03第三章金属切削的变形过程
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金属切削过程中滑移线和流线示意图
三个变形区
➢ 第Ⅰ变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。
Baidu Nhomakorabea
Ⅱ Ⅰ
Ⅲ
➢ 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 图 切削部位三个变形区 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此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：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。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。
➢切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦 ，经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为△h ，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削 层在OB，BC，CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面 的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生 很大影响。
三、第一变形区内金属的剪切变形
45° M A F
B
O
a）正挤压
45° M A F
➢ 偏挤压：金属材料一部分受挤压时
BO
，OB线以下金属由于母体阻碍，不 能 沿 AB 线 滑 移 ， 而 只 能 沿 OM 线 滑
b）偏挤压
移➢ 切削：与偏挤压情况类似。弹性变
M
形→剪切应力增大，达到屈服点→产
O
生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应
F
力与滑移量继续增大，达到断裂强度
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
一、意义
• 金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切 下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。即被 加工工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形，形 成切屑而被切下来的过程。
• 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切 削热与切削温度、刀具磨损等，它们产生的根本原因时 切削过程中的弹性变形和塑性变形
以可看成一个面—即剪切面。
剪切面与切削速度之夹角 叫剪切角，以表示。
剪 切 面 切屑
c
刀具
假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中晶面滑移，粒变 椭圆形，AB变为长轴AB；随剪应力增大，晶格纤维化， AB成为纤维化方向 。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致， 它们成一（凯帕）角。
晶粒滑移示意图
滑移与晶粒伸长
→切屑与母体脱离。OM平面是剪切
c）切削
平面
图 金属挤压与切削比较
金属切削变形过程
M A
终滑移线
切屑
Φ剪切角
始滑移线：τ=τs
刀具 O
图 切屑根部金相照片
金属切削变形过程
切削变形实验设备与录像装置
二、变形区的划分
• 金属在加工过程中会发生剪切和滑移，下图表示了金属的 滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向 线是金属的剪切滑移线。可划分为三个变形区
设切削层中某点P向切削刃逼近，到1点时切应力达到 材料剪切屈服强度s（ = s），1点向前移动的同时， 也沿剪切方向滑移，其合成运动轨迹从1点运动到2点 而不是2点，22是滑移距离
P点继续逼近刀刃，由于硬化现象，剪应力增大，因 此P点经过1—2—3—4，到达4点时剪切滑移结束， 沿平行前刀面方向流出成为切屑。
第Ⅰ变形区：
➢从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到 OM线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束， AOM区域叫第一变形区。
➢是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移 ，伴随产生加工硬化。
第一变形区是金属切削变形过程中 最大的变形区，在这个区域内，金 属将产生大量的切削热，并消耗大 部分功率。此区域较窄，宽度仅 0.02～0.2㎜ 。
• 金属切削变形过程的研究是金属切削原理的基础理论研 究。是适应生产发展的需要，有助于保证加工质量，提 高生产率和降低成本。
二、研究切削变形的实验方法
侧面变形观察法 高速摄影法 快速落刀法 SEM观察法 光弹性、光塑性实验法 其它方法，如：X射线衍射等
3.2 金属切削层的变形 直角切削
粘结现象时的摩擦状况
第Ⅲ变形区：
➢刀工接触区。
➢已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒 进一步剪切滑移。
➢有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬 化和回弹现象。
➢三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个 变形区内的变形又相互影响。
刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程
第Ⅱ变形区：
➢刀屑接触区 ➢切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶 粒进一步剪切滑移。 ➢特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀 面，有时有滞流层。 ➢切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，由此摩擦产 生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切 屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。
• 卡片模型
• 切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后沿卡 片间滑移而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向。
卡片模型
四、变形程度的表示方法
剪切角 剪应变 变形系数 刀屑接触长度 L
1、剪切角
• 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，变形越小。
• 剪切角可采用快速落刀实验获得切屑 根部照片再测量得到，比较麻烦。
没有副刃参加切削，且λs = 0°。
a）直角切削
b）斜角切削
c）不自由切削
图 a）、b）、c）直角、斜角自由切削与非自由切削
一、切屑的形成过程
挤压与切削
➢ 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 剪切滑移为主的塑性变形过程。
➢ 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°
ac ＝
max
l
f
R2 R1
45° M
45° 45° 45°
4
A P
B 1
3 4' 2 3'
c
＝ 2' s
O
金属切削的形成 过程.swf
位置 应力状态 流动方向
区域
P < s 切削速度v
切削层金属
1
2（3）
4
= s 合成运动
> s 合成运动
> s 合成运动
第一变形区
4以后 无剪应力 前刀面
切屑
❖ 金属在第一变形区滑移过程 切削层金属是在AOM区内通过剪应力产生滑移变
成切屑 (Chip) 的。 AOM区叫做第一变形区。 OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。 其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。
晶粒滑移：切削层金属的变形，从晶体结构看，就是沿晶 格中晶面的滑移。
在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所
三个变形区
➢ 第Ⅰ变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。
Baidu Nhomakorabea
Ⅱ Ⅰ
Ⅲ
➢ 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 图 切削部位三个变形区 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此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：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。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。
➢切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦 ，经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为△h ，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削 层在OB，BC，CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面 的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生 很大影响。
三、第一变形区内金属的剪切变形
45° M A F
B
O
a）正挤压
45° M A F
➢ 偏挤压：金属材料一部分受挤压时
BO
，OB线以下金属由于母体阻碍，不 能 沿 AB 线 滑 移 ， 而 只 能 沿 OM 线 滑
b）偏挤压
移➢ 切削：与偏挤压情况类似。弹性变
M
形→剪切应力增大，达到屈服点→产
O
生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应
F
力与滑移量继续增大，达到断裂强度
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
一、意义
• 金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切 下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。即被 加工工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形，形 成切屑而被切下来的过程。
• 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切 削热与切削温度、刀具磨损等，它们产生的根本原因时 切削过程中的弹性变形和塑性变形
以可看成一个面—即剪切面。
剪切面与切削速度之夹角 叫剪切角，以表示。
剪 切 面 切屑
c
刀具
假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中晶面滑移，粒变 椭圆形，AB变为长轴AB；随剪应力增大，晶格纤维化， AB成为纤维化方向 。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致， 它们成一（凯帕）角。
晶粒滑移示意图
滑移与晶粒伸长
→切屑与母体脱离。OM平面是剪切
c）切削
平面
图 金属挤压与切削比较
金属切削变形过程
M A
终滑移线
切屑
Φ剪切角
始滑移线：τ=τs
刀具 O
图 切屑根部金相照片
金属切削变形过程
切削变形实验设备与录像装置
二、变形区的划分
• 金属在加工过程中会发生剪切和滑移，下图表示了金属的 滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向 线是金属的剪切滑移线。可划分为三个变形区
设切削层中某点P向切削刃逼近，到1点时切应力达到 材料剪切屈服强度s（ = s），1点向前移动的同时， 也沿剪切方向滑移，其合成运动轨迹从1点运动到2点 而不是2点，22是滑移距离
P点继续逼近刀刃，由于硬化现象，剪应力增大，因 此P点经过1—2—3—4，到达4点时剪切滑移结束， 沿平行前刀面方向流出成为切屑。
第Ⅰ变形区：
➢从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到 OM线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束， AOM区域叫第一变形区。
➢是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移 ，伴随产生加工硬化。
第一变形区是金属切削变形过程中 最大的变形区，在这个区域内，金 属将产生大量的切削热，并消耗大 部分功率。此区域较窄，宽度仅 0.02～0.2㎜ 。
• 金属切削变形过程的研究是金属切削原理的基础理论研 究。是适应生产发展的需要，有助于保证加工质量，提 高生产率和降低成本。
二、研究切削变形的实验方法
侧面变形观察法 高速摄影法 快速落刀法 SEM观察法 光弹性、光塑性实验法 其它方法，如：X射线衍射等
3.2 金属切削层的变形 直角切削
粘结现象时的摩擦状况
第Ⅲ变形区：
➢刀工接触区。
➢已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒 进一步剪切滑移。
➢有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬 化和回弹现象。
➢三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个 变形区内的变形又相互影响。
刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程
第Ⅱ变形区：
➢刀屑接触区 ➢切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶 粒进一步剪切滑移。 ➢特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀 面，有时有滞流层。 ➢切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，由此摩擦产 生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切 屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。
• 卡片模型
• 切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后沿卡 片间滑移而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向。
卡片模型
四、变形程度的表示方法
剪切角 剪应变 变形系数 刀屑接触长度 L
1、剪切角
• 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，变形越小。
• 剪切角可采用快速落刀实验获得切屑 根部照片再测量得到，比较麻烦。
没有副刃参加切削，且λs = 0°。
a）直角切削
b）斜角切削
c）不自由切削
图 a）、b）、c）直角、斜角自由切削与非自由切削
一、切屑的形成过程
挤压与切削
➢ 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 剪切滑移为主的塑性变形过程。
➢ 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°
ac ＝
max
l
f
R2 R1
45° M
45° 45° 45°
4
A P
B 1
3 4' 2 3'
c
＝ 2' s
O
金属切削的形成 过程.swf
位置 应力状态 流动方向
区域
P < s 切削速度v
切削层金属
1
2（3）
4
= s 合成运动
> s 合成运动
> s 合成运动
第一变形区
4以后 无剪应力 前刀面
切屑
❖ 金属在第一变形区滑移过程 切削层金属是在AOM区内通过剪应力产生滑移变
成切屑 (Chip) 的。 AOM区叫做第一变形区。 OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。 其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。
晶粒滑移：切削层金属的变形，从晶体结构看，就是沿晶 格中晶面的滑移。
在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所