金属切削变形过程
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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
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❖ 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。
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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。
晶粒滑移示意图
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滑移与晶粒伸长
• 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
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三、变形程度的表示方法 剪切角 剪应变 变形系数
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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。
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㎜ 。
第4页/共55页
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。
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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
为切屑。
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R2 R1
ac ＝
max
l
f
45° M
45° 45° 45°
4
A P
B 1
3 4' 2 3'
c
＝ 2' s
O
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
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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。
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二、第一变形区内金属的剪切变形
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
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第二节 金属切削层的变形 一、 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
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第三节 前刀面的挤压与磨擦及其对切屑变形的影响
根据前述，切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，靠近 前刀面的切屑底层进一步变成第二变形区。 特征： ➢切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前刀面上 ➢切屑发生弯曲； ➢刀—屑接触区温度升高； ➢第二变形区的挤压和摩擦影响切屑的流出，从而影响第一 变形区金属的变形，影响剪切角的大小。
cos o
sin Φ cos(Φ o )
第15页/共55页
剪切变形示意图
3、变形系数
➢由实验和生产可知，切屑厚度 ach 大于切削层厚度ac，切屑长度 lch 小于 切削层长度 lc。 ➢长度变形系数L切削层长度lc与切屑长度lch之比L= lc/lch ➢ 厚度变形系数 a = ach/ ac ➢忽略切屑宽度的变化，有a=L= ➢ 大于1，值大表示切屑越厚越短，变形越大 ➢变形系数能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。
在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所
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
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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， 它们成一角。
金属切削过程中滑移线和流线示意图
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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。
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。
第3页/共55页
Βιβλιοθήκη Baidu
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。
• 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。
o
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2、剪应变
• 平行四边形OHNM剪切变形为OGPM，按剪应变即相对滑移
关系有
• = s / y， 而 s = NP，y = MK 故
• =NP / MK = (NK+KP) / MK = ctg + tg(-0)
变形系数求法
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变形系数、剪切角和剪应变的关系
ach cos( o )
ac
sin
2 2 sin o 1 cos o
以上是按纯剪切观点提出的，而切削过程是复杂的，既 有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。 如=1时，ach=ac，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有 相对滑移存在。也只当ξ>1.5时， ξ与ε基本成正比。
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
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❖ 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。
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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。
晶粒滑移示意图
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滑移与晶粒伸长
• 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
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三、变形程度的表示方法 剪切角 剪应变 变形系数
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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。
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㎜ 。
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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。
第18页/共55页
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
为切屑。
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R2 R1
ac ＝
max
l
f
45° M
45° 45° 45°
4
A P
B 1
3 4' 2 3'
c
＝ 2' s
O
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
第5页/共55页
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。
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二、第一变形区内金属的剪切变形
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
第1页/共55页
第二节 金属切削层的变形 一、 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
第17页/共55页
第三节 前刀面的挤压与磨擦及其对切屑变形的影响
根据前述，切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，靠近 前刀面的切屑底层进一步变成第二变形区。 特征： ➢切屑底层晶粒纤维化，流速减慢甚至会停滞在前刀面上 ➢切屑发生弯曲； ➢刀—屑接触区温度升高； ➢第二变形区的挤压和摩擦影响切屑的流出，从而影响第一 变形区金属的变形，影响剪切角的大小。
cos o
sin Φ cos(Φ o )
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剪切变形示意图
3、变形系数
➢由实验和生产可知，切屑厚度 ach 大于切削层厚度ac，切屑长度 lch 小于 切削层长度 lc。 ➢长度变形系数L切削层长度lc与切屑长度lch之比L= lc/lch ➢ 厚度变形系数 a = ach/ ac ➢忽略切屑宽度的变化，有a=L= ➢ 大于1，值大表示切屑越厚越短，变形越大 ➢变形系数能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。
在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所
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
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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， 它们成一角。
金属切削过程中滑移线和流线示意图
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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。
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。
第3页/共55页
Βιβλιοθήκη Baidu
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。
• 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。
o
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2、剪应变
• 平行四边形OHNM剪切变形为OGPM，按剪应变即相对滑移
关系有
• = s / y， 而 s = NP，y = MK 故
• =NP / MK = (NK+KP) / MK = ctg + tg(-0)
变形系数求法
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变形系数、剪切角和剪应变的关系
ach cos( o )
ac
sin
2 2 sin o 1 cos o
以上是按纯剪切观点提出的，而切削过程是复杂的，既 有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。 如=1时，ach=ac，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有 相对滑移存在。也只当ξ>1.5时， ξ与ε基本成正比。