金屬切削原理與刀具：03 第三章 第一節(jié) 切削變形與切屑形成過程

1、第一節(jié) 切削變形與切屑形成過程第二節(jié) 切削力第三節(jié) 切削熱與切削溫度第四節(jié) 刀具磨損與刀具壽命第三章 金屬切削變形的基本規(guī)律研究金屬切削過程的意義金屬切削加工中各種物理現(xiàn)象,生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的許多問題,都同切削過程有關。難加工材料的應用愈來愈多，對零件的質量要求亦不斷提高。第三章 金屬切削變形的基本規(guī)律第三章 金屬切削變形的基本規(guī)律研究金屬切削過程的方法側面方格變形觀察法：適用于低速，顯微鏡or長焦鏡頭+攝像機和顯示器，工件測畫上方格便于觀察；高速攝影法：高速切削時適用，顯微鏡or長焦鏡頭+高速攝像機+強光源；快速落刀法：使刀具快速脫離工件，以保持切削時的狀態(tài)，便于觀察研究；第三章 金屬切削變形

2、的基本規(guī)律研究金屬切削過程的方法在線瞬態(tài)體視攝影系統(tǒng)：體視顯微鏡+照相機+頻閃光源，工件測畫上平行線；掃描電鏡顯微觀察法：SEM，可達20萬倍，分辨率 1 nm；光彈性、光塑性實驗法：用光彈性實驗，獲取切削時應力的情況；其它方法：顯微硬度計測定切屑標本的顯微硬度，X射線衍射儀研究加工表面層的塑性變形。本節(jié)主要內(nèi)容：一、切削變形區(qū)的特點二、切屑類型及切屑控制三、變形程度的表示方法四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦五、積屑瘤的形成及其對切削過程的影響六、已加工表面變形和加工硬化七、影響切削變形的主要因素第一節(jié) 切削變形與切屑形成過程第三章 金屬切削變形的基本規(guī)律變形區(qū)的劃分（以直角自由切削方式切削塑性材料

3、為例） 一、切削變形區(qū)的特點 6一、切削變形區(qū)的特點 三個變形區(qū)分析切削層金屬在刀具作用下變成切屑大體可劃分三個變形區(qū)：第變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。第變形區(qū)：靠近前刀面處,切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。第變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形。7l）第一變形區(qū)（）剪切變形區(qū)：從OA線（始滑移線）金屬開始發(fā)生剪切變形，到OM線（終滑移線）金屬晶粒剪切滑移基本結束，AOM區(qū)域叫第一變形區(qū)。金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖是切屑變形的基本區(qū)，其特征是晶粒的剪切滑移，伴隨產(chǎn)生加工硬化。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。82）第二變形區(qū)（）刀屑接觸區(qū)：切屑沿前刀面流出

4、時受到擠壓和摩擦，使靠近前刀面的晶粒進一步剪切滑移。特征是晶粒剪切滑移劇烈呈纖維化，纖維化方向平行前刀面，有時有滯流層。金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。93）第三變形區(qū)（）刀工接觸區(qū)：已加工表面受到刀具刃口鈍圓和后刀面擠壓和摩擦。有時也呈纖維化，其方向平行已加工表面，此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應力的主要原因。金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖三個變形區(qū)匯集在切削刃附近，應力集中而又復雜。三個變形區(qū)內(nèi)的變形又相互影響。10金屬在第一變形區(qū)滑移過程設切削層中某點 P 向切削刃逼近，到1點時切應力達到材料剪切屈服強度s（ = s），1

5、點向前移動的同時，第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形第一變形區(qū)金屬的滑移 也沿剪切方向滑移，其合成運動軌跡從1點運動到2點而不是2點，22是滑移距離。11金屬在第一變形區(qū)滑移過程P 點繼續(xù)逼近刀刃，由于硬化現(xiàn)象，剪應力增大，因此P點經(jīng)過1-2-3-4，到達4點時剪切滑移結束，沿平行前刀面方向流出成為切屑。第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形第一變形區(qū)金屬的滑移12位 置P12（3）44以后應力狀態(tài) s s無剪應力流動方向切削速度v合成運動合成運動合成運動前刀面區(qū) 域切削層金屬第一變形區(qū)切屑第一變形區(qū)金屬的滑移13從金屬晶體結構看：剪切變形就是晶粒沿晶格中晶面的滑移。第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形晶粒滑移示意圖14在

6、一般速度范圍內(nèi)，第一變形區(qū)寬度僅0.20.02 mm，所以可看成一個面即剪切面。剪切面與切削速度之夾角叫剪切角，以 表示。這一過程可以形象地以卡片表示。o金屬切削過程示意圖15M刀具切屑OA剪切角終滑移線始滑移線：=s切屑根部金相照片16切屑形成過程17切屑形成過程FEM模擬18切屑形成過程FEM模擬19切屑形成過程FEM模擬20二、切屑類型及切屑控制切屑變形規(guī)律是切削過程中諸如切削力、切削熱和切削溫度、刀具磨損等規(guī)律的重要理論基礎。金屬切削刀具切除工件上的多余金屬層，被切離工件的金屬以切屑（Chip）形式與工件分離。21由于不同工件材料和切削條件，切屑形態(tài)不同，從變形的觀點出發(fā)，常見的切屑有

7、四種類型。前三種為切削塑性材料的切屑，最后一種為切削脆性材料的切屑。切屑類型二、切屑類型及切屑控制帶狀切屑 節(jié)狀切屑 粒狀切屑 崩碎切屑22帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑崩碎切屑 切屑形態(tài)照片切屑類型23通常加工塑性金屬材料，切削厚度較小，切削速度較高，刀具前角較大時得到。切削力波動很小，切削過程平穩(wěn)，已加工表面粗糙度較小。切屑類型帶狀切屑1）帶狀切屑最常見。內(nèi)側表面光滑，外側表面呈毛茸狀，用顯微鏡觀察可見到有均勻整齊的剪切裂紋。24 帶狀切屑25切屑類型加工塑性金屬材料，切削厚度較大，切削速度較低，刀具前角較小時得到。切削過程中切削力波動較大，產(chǎn)生一定的振動，已加工表面較粗糙。 節(jié)狀切屑2）節(jié)狀切

8、屑（擠裂切屑）外側面呈鋸齒狀，內(nèi)側面有時有裂紋。26 節(jié)狀切屑（擠裂切屑）27切屑類型3）粒狀切屑（單元切屑）在節(jié)狀切屑的基礎上切削厚度增大，切削速度、前角減小，使剪切裂紋進一步擴展而斷裂成單元體。粒狀切屑28切屑類型可見：從帶狀 節(jié)狀 粒狀切屑的變化：切削厚度由小到大，切削速度和刀具前角由大到小。掌握其變化規(guī)律，就可改變切屑形態(tài)以達控制切屑（卷屑、斷屑）和改善已加工表面質量的目的。29切屑類型切削力波動甚大，有沖擊負荷，已加工表面凹凸不平。改變切削條件，如大前角，大刃傾角，小切削厚度，高切削速度，可得到針狀切屑或松散的帶狀切屑。此時切削過程平穩(wěn)，已加工表面粗糙度較小。 崩碎切屑4）崩碎切屑切

9、削脆性金屬材料如灰鑄鐵時得到的。產(chǎn)生原因：材料受到拉應力已超過其抗拉強度。30形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達到斷裂程度局部剪切應力達到斷裂強度剪切應力完全達到斷裂強度未經(jīng)塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小， 刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大， 刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料， 刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小， 妨礙切削工作，應設法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有

10、沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑節(jié)狀(擠裂)切屑粒狀(單元)切屑崩碎切屑 切屑類型及形成條件31二、切屑類型及切屑控制切屑形狀的分類3233理想的屑形是在短屑中定向流出的“C”、“6”形切屑和不超過50 mm 長度的短螺旋切屑。3435二、切屑類型及切屑控制切屑的流向A點：主切削刃切削的終了點。B點：副切削刃切削的終了點。vch：切屑流速，方向垂直A、B點的連線。流屑角c ：vch流向與正交平面夾角。影響流屑方向的主要參數(shù)：刃傾角、主偏角、前角。36影響流屑方向的主要參數(shù)：刀具刃傾角s：-s：切屑流向已加工表面；+s：切屑流向待加工表面。主偏角r r=90時，切屑流向是偏向已加工表面 。前

11、角o-o 切屑易流向加工工件一側。-s+s37兩種斷屑方式切屑的折斷38有利于斷屑的因素：切屑厚度 hch，切屑卷曲半徑 及切屑材料的極限應變值 b 。如：斷屑槽寬度 LBn ，刀-屑接觸長度 l 和斷屑臺高度hBn 都可 ，并有利斷屑 。切屑的折斷切屑受力后卷曲影響卷曲半徑的參數(shù)39二、切屑類型及切屑控制斷屑措施1作出斷屑槽 1）斷屑槽的型式影響斷屑效果的主要參數(shù)是：槽寬LBn和槽深hBn。 折線型直線圓弧型全圓弧型40外傾式：-s，切屑易折小段，并流向已加工表面；平行式：s=0，切屑呈較短盤螺旋狀，并碰在加工表面上折斷；內(nèi)斜式：+s，使切屑流向刀具后刀面而折斷。1作出斷屑槽 2）斷屑槽的位

12、置及刃傾角的作用外傾式平行式內(nèi)斜式41 2改變切削用量f ，使切屑厚度hch，在切屑較易折斷；ap對斷屑作用不大，只有當同時 f 時，才能有效地斷屑；切削速度對斷屑影響較小。 3其它斷屑方法1) 固定附加斷屑擋塊；2) 采用間斷切削；3) 切削刃上開分屑槽。斷屑措施42切屑控制為使切削過程正常進行和保證已加工表面質量，應使切屑卷曲和折斷。切屑的卷曲是切屑基本變形或經(jīng)過卷屑槽使之產(chǎn)生附加變形的結果。斷屑是對已變形的切屑再附加一次變形（常需有斷屑裝置）。 切屑的卷曲 斷屑的產(chǎn)生43關于切屑的希望為使切削過程正常進行和保證已加工表面質量，希望得到“C” 狀切屑。有時希望得到發(fā)條狀或短螺卷狀切屑。切屑

13、的折斷切削過程中變形程度超過了材料的斷裂應變造成折斷。多數(shù)情況下切屑的卷曲變形不足以使切屑折斷。需用斷屑臺或卷屑槽使切屑產(chǎn)生附加變形撞到工件或后刀面折斷。螺卷狀切屑甩斷。44三、變形程度的表示方法 剪切角 （希臘字母fai） 剪應變 （希臘字母epsilon）（相對滑移 ）變形系數(shù) （希臘字母ksi ）（切屑厚度壓縮比h）刀屑接觸長度 L45(1) 剪切角剪切角 ：剪切面與切削速度方向之間的夾角。三、變形程度的表示方法 46o(1) 剪切角在相同切削條件下，剪切角越大，剪切面積越小，切屑厚度越小，變形越小。剪切角 可采用快速落刀實驗獲得切屑根部照片再測量得到。三、變形程度的表示方法 47hch

14、hchhD三、變形程度的表示方法 (2) 變形系數(shù)（切屑厚度壓縮比h ）變形系數(shù)：切削層尺寸與切屑對應尺寸的比值。由實驗和生產(chǎn)可知，切屑厚度 hch 大于切削層厚度hD，切屑長度 lch 小于切削層長度 lD。變形系數(shù) 能直觀反映切屑的變形程度，且容易求得，生產(chǎn)中常用。48厚度變形系數(shù)長度變形系數(shù)自由切削寬度變形可忽略(2) 變形系數(shù) （切屑厚度壓縮比h ）49(3) 剪應變（相對滑移：滑移距離s與單元厚度y之比） OHNM 剪切變形 OGPM，相對滑移為：剪切變形示意圖50(4) 刀屑接觸長度l三、變形程度的表示方法 o51刀屑接觸長度增加，切削變形程度減小。 變形系數(shù)、剪切角 和剪應變 的

15、關系以上是按純剪切觀點提出的，而切削過程是復雜的，既有剪切又有擠壓和摩擦的作用。顯然以上理論有局限性。如=1時，hch=hD，似乎切屑沒有變形，但事實上切屑有相對滑移存在。 三、變形程度的表示方法 52四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦 切削部位三個變形區(qū)根據(jù)前述，切屑沿前刀面流出時受到擠壓和摩擦，靠近前刀面的切屑底層進一步變成第二變形區(qū)。53四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦切屑彎曲；由摩擦而產(chǎn)生的熱量使接觸區(qū)域溫度升高；第二變形區(qū)的擠壓和摩擦影響切屑的流出，從而影響第一變形區(qū)金屬的變形，影響剪切角的大小。第二變形區(qū)特點 切削部位三個變形區(qū)強烈的擠壓與摩擦；切屑底層纖維化，流動緩慢甚至停滯；54前刀面上的法

16、向力Fn，摩擦力Ff；剪切面上的正壓力Fns，剪切力Fs；（這兩對立的合力Fr和Fr應平衡）作用在切屑上的力四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦：Fn和Fr的夾角， 稱為摩擦角55直角自由切削時力與角度的關系切削層剖面積：剪切面剖面積： 剪切面上的剪切力（剪切必需的力）作用在切屑上的力hDhch56在總切削力不變的前提下，摩擦角影響切削分力的分布直角自由切削時力與角度的關系hDhch作用在切屑上的力四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦57四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦剪切角 與前刀面摩擦角的關系o 切削變形 應盡量增大 o 切削變形 應盡量減小 該公式僅是理論分析（基于剪切理論）。只能定性地解釋問題，定量上有出入。5

17、8前刀面的摩擦四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦切屑和前刀面摩擦情況示意圖切削塑性材料時刀屑接觸區(qū)的摩擦示意圖?？梢?，刀屑接觸面分兩個區(qū)域：粘結區(qū)和滑動區(qū)。特點：在高溫（800）高壓（2-3GPa）作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接（冷焊），切屑與前刀面之間既有外摩擦，也有內(nèi)摩擦。59前刀面的摩擦四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦OA粘結區(qū)（內(nèi)摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是變化的 正應力 =f 剪應力，=OAB 刀具粘結區(qū)：高溫高壓使切屑底層軟化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成粘接區(qū)。切屑的粘接層與上層金屬之間產(chǎn)生相對滑移，其間的摩擦屬于內(nèi)摩擦。60前刀面的摩擦四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦切削塑性金屬時，切屑與前刀面間

18、高溫(幾百度)、高壓（2-3GPa） 使切屑底部與前刀面間發(fā)生粘結，亦稱“冷焊”；單位切向力 = 材料的剪切屈服極限 fOA粘結區(qū)（內(nèi)摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是變化的 正應力 =f 剪應力，=OAB 刀具61前刀面的摩擦四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦AB滑動區(qū)（外摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是常數(shù) 正應力 =f 剪應力，=OAB 刀具滑動區(qū)：切屑在脫離前刀面之前，與前刀面只在一些突出點接觸，切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦。62前刀面的摩擦四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦單位切向力由 f 逐漸減小到0。 刀屑接觸面上正應力在刀尖處最大，逐漸減小到0。AB滑動區(qū)（外摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是常數(shù) 正應力 =f 剪應力，=OAB

19、 刀具63前刀面的摩擦四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素工件材料：強度硬度增大， 減小切削速度： 低速，v 大， 越大；高速， v大， 越小切削厚度：切削厚度增大， 減小刀具前角：o 增大， 越大64前刀面的摩擦四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦工件材料強度和硬度，切削溫度 ，摩擦系數(shù)略為減小切削厚度增加，摩擦系數(shù)略為減小影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素65前刀面的摩擦四、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦切削速度：在不同 v 范圍，影響不同。 v 低時，溫度較低，前刀面與切屑底層不易粘結。粘結情況隨速度的增大而發(fā)展，使 增大；當 v 超過一定值時，溫度升高，使材料塑性增大，流動應力減小，故降低。

20、66五、積屑瘤的形成及其對切削的影響積屑瘤：在切削速度不高切削塑性金屬形成帶狀切屑的情況下，滯流層金屬粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬塊，稱為積屑瘤。形成原因： 高溫、高壓，粘結、冷焊67切屑底層產(chǎn)生滯留層滯留層與切屑分離，粘結在前刀面前刀面和切屑底面的擠壓和摩擦逐層滯留粘結形成楔塊沖擊振動不斷破裂，脫落再生五、積屑瘤的形成及其對切削的影響積屑瘤的產(chǎn)生原因切屑刀具 積屑瘤照片積屑瘤68五、積屑瘤的形成及其對切削的影響材料塑性越高，愈易形成積屑瘤。實驗證明：形成積屑瘤有一最佳切削溫度，此時積屑瘤高度Hb最大，當溫度高于或低于此溫度時，積屑瘤高度皆減小。積屑瘤的形成條件69五、積屑瘤的形成及其對切

21、削的影響 切削45鋼時切削速度與積屑瘤、 、粗糙度關系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428變形系數(shù)1.52.02.53.0積屑瘤高度 h（m） 0200400600hRz切削速度與積屑瘤和變形系數(shù)的關系70五、積屑瘤的形成及其對切削的影響積屑瘤對切削加工的影響（有利方面）可增大實際前角，減少變形和切削力；可保護切削刃、降低刀具磨損。切屑刀具 積屑瘤照片積屑瘤71五、積屑瘤的形成及其對切削的影響積屑瘤對切削加工的影響（不利方面）積屑瘤不穩(wěn)定時（脫落時），有可能使脆性刀具顆粒剝落，反而加劇刀具磨損；產(chǎn)生積屑瘤后使切削厚度增大，影響工件尺寸

22、精度；當積屑瘤不穩(wěn)定時，由于積屑瘤產(chǎn)生成長脫落周期動態(tài)變化，易引起振動；脫落的積屑瘤碎片影響工件表面粗糙度，也易劃傷刀具，使耐用度降低。72五、積屑瘤的形成及其對切削的影響抑制積屑瘤的措施降低切削速度，使溫度降低到不易產(chǎn)生粘結現(xiàn)象； 采用高速切削，使溫度高于積屑瘤消失的極限溫度； 增大刀具前角，減小刀屑接觸壓力； 使用潤滑性好的切削液和精研刀具表面，降低刀屑接觸壓力；提高工件材料硬度，減小 材料硬化指數(shù)（塑性）。 73刀刃鈍圓半徑 rn彈性恢復區(qū)CD變形特征：擠壓、摩擦與回彈六、已加工表面變形和加工硬化74hD六、已加工表面變形和加工硬化已加工表面的金屬纖維被拉伸的又細又長，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，產(chǎn)生加工硬化，表面殘余應力，稱之為加工變質層。金屬進入第一變形區(qū)時，晶粒因壓縮而變長，因剪切滑移而傾斜。金屬層接近刀刃時，晶粒更為伸長，成為包圍在刀刃周圍的纖維層，最后在O點斷裂。 75六、已加工表面變形和加工硬化經(jīng)過嚴重塑性變形而使表面層硬度增高的現(xiàn)象稱為加工硬化亦稱冷硬。 H1是已加工表面顯微硬度， H是金屬材料基體顯微硬度硬化程度的指標:加工硬化程度N硬