第二章第二節(jié)_金屬切削原理

1、切屑的形態(tài)切屑變形的度量變形區(qū)的劃分前刀面的摩擦及其對切屑的影響切屑變形的變形規(guī)律積屑瘤切削方式切削方式a）非自由切削非自由切削主、副切削刃同時主、副切削刃同時參加切削的切削方參加切削的切削方式。式。 1.1.非自由切削非自由切削 切削方式切削方式b）直角自由切削直角自由切削2.2.自由切削自由切削 只有只有一個切削一個切削刃參加切刃參加切削的切削方式。削的切削方式。 在自由切削方式中，如果在自由切削方式中，如果主切削刃又垂直于切削速度主切削刃又垂直于切削速度方向就稱為方向就稱為直角自由切削直角自由切削。3.3.直角切削直角切削 主切削刃垂直于切削速主切削刃垂直于切削速度方向（度方向（s=0）

2、的切削方）的切削方式。式。切削方式切削方式c）斜角自由切削斜角自由切削 在自由切削方式中，如在自由切削方式中，如果主切削刃不垂直于切削速果主切削刃不垂直于切削速度方向則稱為度方向則稱為斜角自由切削斜角自由切削。 若主切削刃與切削速度方若主切削刃與切削速度方向不垂直（向不垂直（s0）的切削）的切削方式。方式。4.4.斜角切削斜角切削 金屬切削過程與金屬受壓縮過程比較：金屬切削過程與金屬受壓縮過程比較：a a）壓縮）壓縮b b）切削）切削下下圖圖a a所示所示, ,塑性金屬受壓縮時塑性金屬受壓縮時, ,隨著外力的增加隨著外力的增加, ,金屬先后產(chǎn)生金屬先后產(chǎn)生彈性變形、塑性變形彈性變形、塑性變形,

3、 ,并使金屬晶格產(chǎn)生滑移并使金屬晶格產(chǎn)生滑移, ,而后斷裂。而后斷裂。下下圖圖b b所示所示, ,以直角自由切削為例以直角自由切削為例, ,如果忽略了摩擦、溫度和應(yīng)如果忽略了摩擦、溫度和應(yīng)變速度的影響變速度的影響, ,金屬切削過程如同壓縮過程金屬切削過程如同壓縮過程, ,切削層受刀具擠壓切削層受刀具擠壓后也產(chǎn)生塑性變形。后也產(chǎn)生塑性變形。FABOM45a）正擠壓）正擠壓FABOM45b）偏擠壓）偏擠壓OMFc）切削）切削切削層刀具金屬切削過程的實質(zhì)是被切削金屬層在刀具擠壓作用下產(chǎn)生金屬切削過程的實質(zhì)是被切削金屬層在刀具擠壓作用下產(chǎn)生剪切滑移的塑形變形過程。剪切滑移的塑形變形過程。塑形金屬的切削

4、過程一般要經(jīng)過塑形金屬的切削過程一般要經(jīng)過彈性變形、塑形變形、彈性變形、塑形變形、擠裂、切離擠裂、切離四個階段。四個階段。 圖圖2-4 金屬切削過程示意圖金屬切削過程示意圖動畫切削變形過程示意圖切削變形過程示意圖工工 件件刀 具 切削變形區(qū)切削變形區(qū)以塑性材料的切屑形成為例，金屬切削區(qū)可大致劃分為：以塑性材料的切屑形成為例，金屬切削區(qū)可大致劃分為： 三個變形區(qū)：三個變形區(qū)： 第一變形區(qū)第一變形區(qū) 第二變形區(qū)第二變形區(qū) 第三變形區(qū)第三變形區(qū)刀具刀具后刀面摩擦區(qū)后刀面摩擦區(qū)變形區(qū)變形區(qū)第一變形區(qū)第一變形區(qū)第三變形區(qū)第三變形區(qū)第二變形區(qū)第二變形區(qū) 第第變形區(qū)：變形區(qū)：滑移變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切

5、屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。切削力和切削熱的主要來源。切削部位三個變形區(qū)第第變形區(qū)：變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形。是造成后刀面磨損、已加工表面的質(zhì)量（表面粗糙度、加工硬化和殘余應(yīng)力）的主要原因。第第變形區(qū)：變形區(qū)：靠近前刀面的切屑底層，切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。刀具第二變形區(qū)第一變形區(qū)切屑第三變形區(qū)u剪切角：剪切角：剪切面OM與切削速度方向的夾角?；圃皆絿?yán)重，則剪切角越小，變形越大。滑移越越嚴(yán)重，則剪切角越小，變形越大。OA始滑移線始滑移線；OM終滑移線終滑移線（1 1）第）第變形區(qū)的變形特征變形區(qū)的變形特征 金屬

6、的剪切滑移變形金屬的剪切滑移變形 一般速度范圍內(nèi)，第一般速度范圍內(nèi)，第變形區(qū)的寬度為變形區(qū)的寬度為0.020.2mm。速。速度越高，寬度越小，可看作一個平面度越高，寬度越小，可看作一個平面剪切面剪切面。剪切面與切削速度剪切面與切削速度vc方向之間的夾角稱為方向之間的夾角稱為剪切角剪切角 。1.1.第第變形區(qū)變形區(qū)（剪切滑移區(qū)）（剪切滑移區(qū)）滑移變形區(qū)滑移變形區(qū)切屑根部金相照片切屑根部金相照片M刀具刀具切屑切屑OA終滑移線終滑移線始滑移線：始滑移線：=s剪切角剪切角剪切面剪切面變形系數(shù)變形系數(shù) （2 2）變形程度的表示方法）變形程度的表示方法變形系數(shù)是通過切屑外形尺寸變化來衡量變形大小的。變形系

7、數(shù)是通過切屑外形尺寸變化來衡量變形大小的。 變形系數(shù)變形系數(shù)表示切屑收縮的程度表示切屑收縮的程度, ,即即: :1cchchcaall變形系數(shù)的計算變形系數(shù)的計算 sin)cos(sin)cos(0occhOMOMaa（2 2）變形程度的表示方法）變形程度的表示方法90090 由上式可知：由上式可知：越大，越大，o o越大，則越大，則越小。該方法簡越小。該方法簡便，但很粗略，有時不能反映剪切變形的真實情況，因而便，但很粗略，有時不能反映剪切變形的真實情況，因而有必要研究標(biāo)志變形程度的其他方法。有必要研究標(biāo)志變形程度的其他方法。（2 2）變形程度的表示方法）變形程度的表示方法相對滑移相對滑移 y

8、s（2 2）變形程度的表示方法）變形程度的表示方法 切削過程中金屬變形的主要形式是剪切滑移，采用切削過程中金屬變形的主要形式是剪切滑移，采用“相對相對滑移滑移單位厚度上的剪切滑移量單位厚度上的剪切滑移量” 來衡量變形程度應(yīng)該是來衡量變形程度應(yīng)該是比較合理的。比較合理的。 當(dāng)平行四邊形當(dāng)平行四邊形OHNMOHNM發(fā)生剪切滑移變形后，變?yōu)榘l(fā)生剪切滑移變形后，變?yōu)镺GPMOGPM，其相，其相對滑移為對滑移為 MKKPNKMKNPys)tan(coto （2 2）變形程度的表示方法）變形程度的表示方法相對滑移相對滑移的計算的計算 由上式知：由上式知：越大，越大，o o 越大，則越大，則越小，變形也越小

9、。越小，變形也越小。（2 2）變形程度的表示方法）變形程度的表示方法 綜上所述，綜上所述，主要從塑性壓縮方面分析，而主要從塑性壓縮方面分析，而主要是從剪主要是從剪切變形考慮的，所以，切變形考慮的，所以，與與都只能近似表示變形程度的大小。都只能近似表示變形程度的大小。相對來講，相對來講，能比較真實地反映變形的程度。能比較真實地反映變形的程度。第第變形區(qū)變形區(qū)2.2.第第變形區(qū)變形區(qū)（擠壓摩擦區(qū)）（擠壓摩擦區(qū)）（1）第）第變形區(qū)的變形變形區(qū)的變形此此變形區(qū)的變形是造成前變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。的主要原因。2.2.第第變形區(qū)變形區(qū)刀刀- -屑接觸區(qū)可分

10、兩部分：屑接觸區(qū)可分兩部分：粘接區(qū)粘接區(qū)lf1: :高溫高壓高溫高壓材料軟化材料軟化微熔微熔底層金屬在底層金屬在前前刀面刀面 上滯留、粘結(jié)上滯留、粘結(jié)（內(nèi)摩擦）。內(nèi)摩擦）?；瑒訁^(qū)滑動區(qū)lf2: : 切屑即將脫離前刀面，切屑底層與前刀面間只是切屑即將脫離前刀面，切屑底層與前刀面間只是 突出的點(diǎn)接觸（外摩擦）。突出的點(diǎn)接觸（外摩擦）。一般內(nèi)摩擦力約占總摩擦力的一般內(nèi)摩擦力約占總摩擦力的85%85% 在中速切削在中速切削塑性金屬材料，塑性金屬材料，形成帶狀切屑的形成帶狀切屑的情況下，常常在情況下，常常在刀具前刀面近切刀具前刀面近切削刃處削刃處粘結(jié)或冷粘結(jié)或冷焊焊有硬度很高的有硬度很高的楔塊，這一小楔

11、楔塊，這一小楔塊稱為塊稱為積屑瘤積屑瘤。（2）積屑瘤）積屑瘤積屑瘤積屑瘤刀刃鈍圓半徑刀刃鈍圓半徑 r 后刀面磨損帶后刀面磨損帶VB彈性恢復(fù)區(qū)彈性恢復(fù)區(qū)CD第第變形區(qū)的變形變形區(qū)的變形 已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化、加工硬化擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化、加工硬化和殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)力。3.3.第第變形區(qū)變形區(qū)（擠壓摩擦回彈區(qū)）（擠壓摩擦回彈區(qū)）彈性恢復(fù)彈性恢復(fù)影響零件的尺寸影響零件的尺寸硬化層表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋硬化層表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋降低表面加工質(zhì)量降低表面加工質(zhì)量表面硬度提高表面硬度提高產(chǎn)生殘余應(yīng)力產(chǎn)生殘

12、余應(yīng)力影響零件使用性能影響零件使用性能后刀面磨損帶后刀面磨損帶VB加速刀具磨損，減少刀具壽命加速刀具磨損，減少刀具壽命 已加工表面的金屬纖維被拉伸的又細(xì)又長，纖維方向平行已加工表面的金屬纖維被拉伸的又細(xì)又長，纖維方向平行于已加工表面，金屬晶粒被破壞，發(fā)生了劇烈的塑性變形，于已加工表面，金屬晶粒被破壞，發(fā)生了劇烈的塑性變形，產(chǎn)生產(chǎn)生加工硬化，表面殘余應(yīng)力加工硬化，表面殘余應(yīng)力，稱之為，稱之為加工變質(zhì)層加工變質(zhì)層。3.3.第第變形區(qū)變形區(qū) 金屬進(jìn)入第一變形區(qū)金屬進(jìn)入第一變形區(qū)時，晶粒因壓縮而變長，時，晶粒因壓縮而變長，因剪切滑移而傾斜。因剪切滑移而傾斜。 金屬層接近刀刃時，金屬層接近刀刃時，晶粒更

13、為伸長，成為包晶粒更為伸長，成為包圍在刀刃周圍的纖維層，圍在刀刃周圍的纖維層，最后在最后在O點(diǎn)斷裂。點(diǎn)斷裂。 一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接粘接金屬嚴(yán)重塑性變形，產(chǎn)生加工硬化滯留粘接長大切屑刀具積屑瘤積屑瘤ooeac積屑瘤對前角和切削厚度的影響1)1) 積屑瘤硬度很高，包圍著切削刃，代替刀具積屑瘤硬度很高，包圍著切削刃，代替刀具進(jìn)行切削，能進(jìn)行切削，能保護(hù)刀具保護(hù)刀具，減少了刀具的磨損。，減少了刀具的磨損。2)2) 積屑瘤使刀具的實際工作前角增大，積屑瘤使刀具的實際工作前角增大，刀具變刀具變鋒利鋒利，切屑變形和切削力減小。，切屑變形和切削力減小。3)3) 積屑瘤的頂端從刀尖伸向

14、工件內(nèi)層，將積屑瘤的頂端從刀尖伸向工件內(nèi)層，將影響影響工件的尺寸精度，使切削厚度增大工件的尺寸精度，使切削厚度增大。4)4) 積屑瘤直接影響工件加工表面的積屑瘤直接影響工件加工表面的形狀精度形狀精度和和表面粗糙度表面粗糙度。碎片的脫落與再生，造成。碎片的脫落與再生，造成切削力切削力的波動的波動，引起振動，而且加劇，引起振動，而且加劇刀具的磨損刀具的磨損。影響積屑瘤產(chǎn)生的因素影響積屑瘤產(chǎn)生的因素 積屑瘤的形成主要決定于積屑瘤的形成主要決定于切削溫度以及接觸面的壓力、切削溫度以及接觸面的壓力、粗糙程度、粘結(jié)程度粗糙程度、粘結(jié)程度等。這些因素與以下切削條件有關(guān)。等。這些因素與以下切削條件有關(guān)。 工件

15、材料的塑性越好，刀屑之間的接觸長度工件材料的塑性越好，刀屑之間的接觸長度lf越大，摩擦越大，摩擦系數(shù)系數(shù)越大，切削溫度越高，就越容易產(chǎn)生粘結(jié)，易產(chǎn)生積越大，切削溫度越高，就越容易產(chǎn)生粘結(jié)，易產(chǎn)生積屑瘤。屑瘤。1 1）工件材料）工件材料 前角前角o越大，刀具和切屑之間的接觸長度越大，刀具和切屑之間的接觸長度lf就越小，摩擦就越小，摩擦越小，所以不易產(chǎn)生積屑瘤。越小，所以不易產(chǎn)生積屑瘤。2 2）前角）前角3 3）進(jìn)給量）進(jìn)給量 進(jìn)給量減小，進(jìn)給量減小，ac減小，減小， 切屑與前刀面接觸長度切屑與前刀面接觸長度lf減小，減小，摩擦系數(shù)減小，切削溫度降低，不易產(chǎn)生積屑瘤。摩擦系數(shù)減小，切削溫度降低，不

16、易產(chǎn)生積屑瘤。4 4）切削速度）切削速度 在低速切削（在低速切削（vc3mmin）中碳鋼時，切削溫度較低；而）中碳鋼時，切削溫度較低；而在高速切削時（在高速切削時（vc60mmin），切削溫度又較高，在這兩），切削溫度又較高，在這兩種情況下刀屑之間摩擦系數(shù)均較小，不易粘結(jié)，也就不易形種情況下刀屑之間摩擦系數(shù)均較小，不易粘結(jié)，也就不易形成積屑瘤。切削速度在兩者之間時，有積屑瘤產(chǎn)生，而在中成積屑瘤。切削速度在兩者之間時，有積屑瘤產(chǎn)生，而在中速時（速時（vc=20mmin）積屑瘤高度最大。）積屑瘤高度最大。切削速度對積屑瘤的影響切削速度對積屑瘤的影響u積屑瘤的利弊積屑瘤的利弊粗加工時：粗加工時：保護(hù)

17、刀具、增大前角。（保護(hù)刀具、增大前角。（利）利） 精加工時：精加工時：嚴(yán)重影響加工表面的尺寸精度和嚴(yán)重影響加工表面的尺寸精度和粗糙度。粗糙度。（弊）（弊）u積屑瘤的控制積屑瘤的控制 ：（切削速度影響積屑瘤的主要：（切削速度影響積屑瘤的主要因素）因素）1 1）控制切削速度；）控制切削速度；2 2）塑性材料的熱處理；）塑性材料的熱處理；適當(dāng)提高工件材料適當(dāng)提高工件材料的硬度，減小加工硬化傾向的硬度，減小加工硬化傾向3 3）增大前角、減小進(jìn)給量；）增大前角、減小進(jìn)給量；減小刀具前刀減小刀具前刀面與切屑之間的壓力面與切屑之間的壓力4 4）采用切削液。）采用切削液。目的在于減小切屑底層材目的在于減小切屑

18、底層材料與刀具前刀面間的摩擦料與刀具前刀面間的摩擦 圖圖2-9 切屑類型切屑類型a) )帶狀切屑帶狀切屑 b) ) 節(jié)狀切屑節(jié)狀切屑 c) )粒狀切屑粒狀切屑 d) )崩碎切屑崩碎切屑圖 切屑形態(tài)照片形成條件影響名稱名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達(dá)剪切滑移尚未達(dá)到斷裂程度到斷裂程度局部剪切應(yīng)力達(dá)到斷局部剪切應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度裂強(qiáng)度剪切應(yīng)力完全達(dá)剪切應(yīng)力完全達(dá)到斷裂強(qiáng)度到斷裂強(qiáng)度未經(jīng)塑性變形即未經(jīng)塑性變形即被擠裂被擠裂加工塑性材料，加工塑性材料，切削速度較高，

19、切削速度較高，進(jìn)給量較小，進(jìn)給量較小， 刀具前角較大刀具前角較大加工塑性材料，加工塑性材料，切削速度較低，切削速度較低，進(jìn)給量較大，進(jìn)給量較大， 刀具前角較小刀具前角較小加工塑性材料加工塑性材料, ,進(jìn)一步降低切削進(jìn)一步降低切削速度，增大進(jìn)給速度，增大進(jìn)給量，減小前角時量，減小前角時加工硬脆材料，加工硬脆材料， 刀具前角較小刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小，表面粗糙度小， 妨礙切削工作，妨礙切削工作，應(yīng)設(shè)法斷屑應(yīng)設(shè)法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳表面粗糙度不佳切削

20、力波動大，有切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑總結(jié)：總結(jié)：切屑類型及形成條件切屑類型及形成條件cav 針狀切屑針狀切屑 不能太大，因有沖擊不能太大，因有沖擊 0r 帶狀切屑帶狀切屑 節(jié)狀切屑節(jié)狀切屑 粒狀切屑粒狀切屑切削平穩(wěn)，力波動小切削平穩(wěn)，力波動小 滑移量較大，局部滑移量較大，局部 切削不平穩(wěn)，力波動大切削不平穩(wěn)，力波動大加工面光潔，斷屑難加工面光潔，斷屑難 剪應(yīng)力達(dá)斷裂強(qiáng)度剪應(yīng)力達(dá)斷裂強(qiáng)度 加工表面粗糙加工表面粗糙 少見少見0vap0 v ap0 v ap0vapFfFsFnsFnFr0FzFy 切削層的截面積Acwc

21、caaA 剪切面的截面積AssincsAA sincssAAF剪切力：)cos(0rsFF)cos(sin)cos(00csrAFF)cos(0rzFF)sin(0ryFF總切削力：)(0tgFFzy44400）（0（1）當(dāng)前角）當(dāng)前角 增大時，增大時， 角隨之增大，變形減小。角隨之增大，變形減小。（2）當(dāng)摩擦角）當(dāng)摩擦角 增大時，增大時， 角隨之減小，變形增大。角隨之減小，變形增大。FrFs 作用角作用角1.1.工件材料工件材料 工件材料強(qiáng)度硬度越高，摩擦系數(shù)工件材料強(qiáng)度硬度越高，摩擦系數(shù)越小，剪切角越小，剪切角越越大，切削變形越小。大，切削變形越小。 工件材料的塑性越高，切削變形大。工件材

22、料的塑性越高，切削變形大。五五、影響切削變形的因素、影響切削變形的因素圖圖2-19 工件材料強(qiáng)度對切屑變形的影響工件材料強(qiáng)度對切屑變形的影響2.2.刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)（1 1）刀具前角）刀具前角o 前角前角o切削刃鋒利切削刃鋒利越易切入金屬越易切入金屬阻力阻力摩摩擦系數(shù)擦系數(shù)剪切角剪切角變形系數(shù)變形系數(shù)切削變形切削變形切削輕快。切削輕快。（2 2）刀尖圓弧半徑）刀尖圓弧半徑 刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑切削刃上參加切削的曲線刃的長切削刃上參加切削的曲線刃的長使平均切削厚度使平均切削厚度切削變形切削變形。五五、影響切削變形的因素、影響切削變形的因素前角對剪切角的影響前角對剪切角的影響a) a) 負(fù)前角；負(fù)前角； b)b)正前角正前角五五、影響切削變形的因素、影響切削變形的因素3.3.切削速度切削速度vc 切削速度切削速度vc是通過積屑瘤使剪切角是通過積屑瘤使剪切角改變和通過切削溫改變和通過切削溫度使摩擦系數(shù)度使摩擦系數(shù)變化而影響切削變形的。變化而影響切削變形的。五五、影響切削變形的