金屬切削過程的基本規(guī)律課件

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第二章金屬切削過程的基本規(guī)律山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2005年8月本科生專業(yè)課程2023/10/101趙軍機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)本科生專業(yè)課程2023/10/91趙軍第二章金屬切削過程的基本規(guī)律目的要求：掌握金屬切削過程的四大規(guī)律。1)

切屑的形成

牢固掌握切屑變形過程及表示變形程度的方法；

掌握刀

屑變形區(qū)的變形與摩擦規(guī)律；

掌握影響切屑變形的因素；2023/10/102第二章金屬切削過程的基本規(guī)律目的要求：掌握金屬切削過程的2)

切削力

掌握切削力的來源、切削合力、分力及切削功率

牢固掌握影響切削力的主要因素；2023/10/1032)

切削力2023/10/933）切削熱和切削溫度掌握切削熱的來源及傳出規(guī)律；掌握切削區(qū)的溫度分布規(guī)律；牢固掌握影響切削溫度的主要因素；2023/10/1043）切削熱和切削溫度2023/10/944)

刀具磨損、破損牢固掌握刀具的磨損形態(tài)及刀具磨損的主要原因；牢固掌握刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及刀具耐用度的概念；掌握各切削參數(shù)與刀具耐用度的關(guān)系及合理耐用度的選擇原則；掌握刀具破損形態(tài)及破損原因。2023/10/1054)

刀具磨損、破損2023/10/95第一節(jié)金屬切削過程中的變形

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(chǔ)。一、切屑的種類及變化

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。

2023/10/106第一節(jié)金屬切削過程中的變形切屑變形規(guī)律是切削過程帶狀擠裂單元崩碎由于不同工件材料和切削條件，切屑形態(tài)不同，常見的切屑有四種類型。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。2023/10/107帶狀擠裂切屑類型1．帶狀切屑最常見。內(nèi)側(cè)表面光滑，外側(cè)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。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。2023/10/108切屑類型1．帶狀切屑2023/10/982．?dāng)D裂切屑

外側(cè)面呈鋸齒狀，內(nèi)側(cè)面有時有裂紋加工塑性金屬材料，切削厚度較大，切削速度較低，刀具前角較小時得到切削力波動較大，切削過程產(chǎn)生一定的振動，已加工表面較粗糙。

2023/10/1092．?dāng)D裂切屑2023/10/993．單元切屑生產(chǎn)中很少見到。在擠裂切屑的基礎(chǔ)上切削厚度增大，切削速度、前角減小，使剪切裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展而斷裂成單元體。2023/10/10103．單元切屑2023/10/910可見：從帶狀

擠裂

單元切屑的變化：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(dá)控制切屑（卷屑、斷屑）和改善已加工表面質(zhì)量的目的。2023/10/1011可見：2023/10/9114．崩碎切屑切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(yīng)力已超過其抗拉強(qiáng)度。切削力波動甚大，有沖擊負(fù)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。

2023/10/10124．崩碎切屑2023/10/912切削層金屬的變形二、切削層金屬的變形1.變形區(qū)的劃分（以直角自由切削方式切削塑性材料為例）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，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)。2023/10/1013切削層金屬的變形二、切削層金屬的變形根據(jù)實(shí)驗(yàn)，切削層金屬在刀金屬切削過程中滑移線和流線示意圖2023/10/1014趙軍金屬切削過程中滑移線和流線示意圖2023/10/914趙軍（l）第一變形區(qū)（Ⅰ）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(jié)束，AOM區(qū)域叫第一變形區(qū)。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。2023/10/1015（l）第一變形區(qū)（Ⅰ）2023/10/915（2）第二變形區(qū)（Ⅱ）刀

屑接觸區(qū)切屑沿前刀面流出時受到擠壓和摩擦，使靠近前刀面的晶粒進(jìn)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。2023/10/1016（2）第二變形區(qū)（Ⅱ）2023/10/916（3）第三變形區(qū)（Ⅲ）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，晶粒進(jìn)一步剪切滑移。有時也呈纖維化，其方向平行已加工表面，也產(chǎn)生加工硬化和回彈現(xiàn)象。三個變形區(qū)匯集在切削刃附近，應(yīng)力集中而又復(fù)雜。三個變形區(qū)內(nèi)的變形又相互影響。2023/10/1017（3）第三變形區(qū)（Ⅲ）2023/10/9172.第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形金屬在第一變形區(qū)滑移過程設(shè)切削層中某點(diǎn)P向切削刃逼近，到1點(diǎn)時切應(yīng)力達(dá)到材料剪切屈服強(qiáng)度

s（=s），1點(diǎn)向前移動的同時，也沿剪切方向滑移，其合成運(yùn)動軌跡從1點(diǎn)運(yùn)動到2點(diǎn)而不是2

點(diǎn)，2

2是滑移距離P點(diǎn)繼續(xù)逼近刀刃，由于硬化現(xiàn)象，剪應(yīng)力增大，因此P點(diǎn)經(jīng)過1—2—3—4，到達(dá)4點(diǎn)時剪切滑移結(jié)束，沿平行前刀面方向流出成為切屑。2023/10/10182.第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形2023/10/918位置P12（3）44以后應(yīng)力狀態(tài)

<s

=s

>s

>s無剪應(yīng)力流動方向切削速度v合成運(yùn)動合成運(yùn)動合成運(yùn)動前刀面區(qū)域切削層金屬第一變形區(qū)切屑2023/10/1019位置P12（3）44以后應(yīng)力狀態(tài)<s=金屬在第一變形區(qū)滑移過程切削層金屬是在AOM區(qū)內(nèi)通過剪應(yīng)力產(chǎn)生滑移變成切屑(Chip)

的。AOM區(qū)叫做第一變形區(qū)。

OA線叫始滑移線，OM線叫終滑移線。其特征是晶粒的剪切滑移，伴隨產(chǎn)生加工硬化。2023/10/1020金屬在第一變形區(qū)滑移過程2023/10/920第一變形區(qū)金屬的滑移晶?；疲呵邢鲗咏饘俚淖冃?，從晶體結(jié)構(gòu)看，就是沿晶格中晶面的滑移。在一般速度范圍內(nèi)，第一變形區(qū)寬度僅0.2

0.02mm，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。

o

2023/10/1021第一變形區(qū)金屬的滑移晶?；疲呵邢鲗咏饘俚淖冃危瑥木w結(jié)構(gòu)看晶?；剖疽鈭D滑移與晶粒伸長假定金屬晶粒為圓形，受剪應(yīng)力后晶格中晶面滑移，粒變橢圓形，AB變?yōu)殚L軸A

B

；隨剪應(yīng)力增大，晶格纖維化，A

B

成為纖維化方向。但纖維化方向與晶?；品较虿灰恢?，它們成一

（凱帕）角。2023/10/1022晶粒滑移示意圖卡片模型切削層金屬就象一摞卡片，在刀具作用下受剪應(yīng)力后沿卡片間滑移而成為切屑?；品较蚓褪羌羟忻娣较颉？ㄆＰ?023/10/1023卡片模型卡片模型2023/10/923研究切削變形的實(shí)驗(yàn)方法側(cè)面變形觀察法高速攝影法快速落刀法SEM觀察法光彈性、光塑性實(shí)驗(yàn)法其它方法，如：X射線衍射等2023/10/1024趙軍研究切削變形的實(shí)驗(yàn)方法側(cè)面變形觀察法2023/10/924趙表示變形程度的方法剪切角

剪應(yīng)變

變形系數(shù)

刀屑接觸長度L2023/10/1025趙軍表示變形程度的方法2023/10/925趙軍(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(shí)驗(yàn)獲得切屑根部照片再測量得到。

o

2023/10/1026(1)剪切角o2023/10/926(2)變形系數(shù)

（克賽）由實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)可知，切屑厚度ach大于切削層厚度ac，切屑長度lch小于切削層長度lc。變形系數(shù)

l

切削層長度與切屑長度之比

l=lc/lch

a=ach/ac忽略切屑寬度的變化，有

a=

l=

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。變形系數(shù)

求法2023/10/1027(2)變形系數(shù)（克賽）變形系數(shù)求法2023/10/92(3)剪應(yīng)變

按剪應(yīng)變即相對滑移關(guān)系有

=

s/

y，而

s=NP，

y=MK故

=NP/MK=(NK+KP)/MK=ctg

+tg(

-

0)剪切變形示意圖2023/10/1028(3)剪應(yīng)變剪切變形示意圖2023/10/928(4)刀屑接觸長度l

o2023/10/1029趙軍(4)刀屑接觸長度lo2023/10/929趙軍變形系數(shù)

、剪切角

和剪應(yīng)變

的關(guān)系以上是按純剪切觀點(diǎn)提出的，而切削過程是復(fù)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，ach=ac，似乎切屑沒有變形，但事實(shí)上切屑有相對滑移存在。2023/10/1030變形系數(shù)、剪切角和剪應(yīng)變的關(guān)系以上是按純剪切觀三、刀

屑接觸區(qū)的變形與摩擦根據(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(jìn)一步變成第二變形區(qū)。2023/10/1031三、刀屑接觸區(qū)的變形與摩擦2023/10/931特征：切屑底層晶粒纖維化，流速減慢甚至?xí)谇暗睹嫔锨行及l(fā)生彎曲；刀—屑接觸區(qū)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。2023/10/1032特征：2023/10/9321.剪切角

與前刀面上摩擦角

的關(guān)系前刀面上：法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上：正壓力Fns剪切力Fs兩對力平衡。作用在切屑上的力及其與角度關(guān)系2023/10/10331.剪切角與前刀面上摩擦角的關(guān)系作用在切屑上的力及其與Fr

切削合力；

Fn與Fr的夾角，即摩擦角；Fz

Fr在切削運(yùn)動方向的分力；Fy

Fr與切削運(yùn)動方向垂直的分力。切削合力Fr與剪切力Fs之夾角為(

+

-

0)，由材力知

(

-

0)為切削合力Fr

與切削速度方向的夾角，稱作用角，以

表示。2023/10/1034Fr切削合力；Fn與Fr的夾角，即摩擦角；(-0可得如下結(jié)論前角

o增大時，

增大，變形減小。故在保證刀刃強(qiáng)度條件下增大前角可以改善切削過程（降低切削力、溫度、提高表面質(zhì)量等）；摩擦角

增大時，

減小，變形增大。故提高刀具刃磨質(zhì)量、使用切削液可減小前刀面上的摩擦，對切削過程有利。2023/10/1035可得如下結(jié)論2023/10/9352.前刀面上的摩擦與積屑瘤現(xiàn)象(1)前刀面上的摩擦切屑與前刀面摩擦示意圖切削塑性材料時刀

屑接觸區(qū)的摩擦示意圖。可見，刀

屑接觸面分兩個區(qū)域：粘結(jié)區(qū)和滑動區(qū)。2023/10/10362.前刀面上的摩擦與積屑瘤現(xiàn)象切屑與前刀面摩擦示意圖切削塑刀具前刀面的摩擦特性

，

法應(yīng)力

=

s

剪應(yīng)力，=

OAB

刀具2023/10/1037趙軍刀具前刀面的摩擦特性，2023/10/937趙OA—粘結(jié)區(qū)（內(nèi)摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是變化的AB—滑動區(qū)（外摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是常數(shù)2023/10/1038趙軍OA—粘結(jié)區(qū)（內(nèi)摩擦區(qū)）：摩擦系數(shù)是變化的2023/10/9粘結(jié)區(qū)

內(nèi)摩擦切塑性金屬時，切屑與前刀面間高溫(幾百度)、高壓（2-3GPa）

使切屑底部與前刀面間發(fā)生粘結(jié)，亦稱“冷焊”；粘結(jié)區(qū)并非一般的外摩擦，而是粘結(jié)層金屬與相鄰切屑較上層之間的晶粒相對剪切滑移，屬內(nèi)摩擦。單位切向力=材料的剪切屈服極限

s2023/10/1039粘結(jié)區(qū)內(nèi)摩擦2023/10/939滑動區(qū)

外摩擦單位切向力由

s逐漸減小到0。刀

屑接觸面上正應(yīng)力

在刀尖處最大，逐漸減小到0。2023/10/1040滑動區(qū)外摩擦2023/10/940影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素工件材料：強(qiáng)度硬度增大，減小切削厚度：切削厚度增大，減小切削速度：低速，V大，

越大；高速，V大，

越小刀具前角：

o增大，

越大2023/10/1041趙軍影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素2023/10/941趙軍切削速度：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(jié)。粘結(jié)情況隨速度的增大而發(fā)展，使

增大；當(dāng)v超過一定值時，溫度升高，使材料塑性增大，流動應(yīng)力減小，故

降低。2023/10/1042切削速度：在不同v范圍，影響不同。v低時，溫度較低，前刀面與積屑瘤積屑瘤

由于刀

屑接觸面的摩擦，當(dāng)切削速度不高又形成連續(xù)切屑時，加工鋼料和其它塑性材料時，常常在刀刃處粘著剖面呈三角狀硬塊。硬度為工件硬度的2-3倍，叫積屑瘤。形成原因：高溫、高壓，粘結(jié)、冷焊2023/10/1043趙軍積屑瘤積屑瘤由于刀屑接觸面的摩擦，當(dāng)切削速度不高又形成連材料硬化指數(shù)愈大（塑性越高），愈易形成積屑瘤。實(shí)驗(yàn)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(dāng)溫度高于或低于此溫度時，積屑瘤高度皆減小。2023/10/1044材料硬化指數(shù)愈大（塑性越高），愈易形成積屑瘤。2023/10積屑瘤的作用：有利方面：可增大實(shí)際前角，減少變形和切削力；可保護(hù)切削刃、降低刀具磨損。2023/10/1045積屑瘤的作用：2023/10/945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

ac值，影響工件尺寸精度；當(dāng)積清瘤不穩(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2023/10/1046不利方面：2023/10/946抑制積屑瘤的措施：

（1）降低切削速度，使溫度降低到不易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象；

（2）采用高速切削，使溫度高于積屑瘤消失的極限溫度；

（3）增大刀具前角，減小刀—屑接觸壓力；

（4）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

（5）提高工件材料硬度，減小材料硬化指數(shù)。

2023/10/1047抑制積屑瘤的措施：

2023/10/947四、切屑變形的規(guī)律從前面第一和第二變形區(qū)的分析可知，變形和摩擦是影響切削過程的關(guān)鍵。影響切屑變形的主要因素可從以下四方面分析：2023/10/1048四、切屑變形的規(guī)律2023/10/948（一）工件材料方面工件材料強(qiáng)度愈高，切屑變形愈小。原因：工件材料強(qiáng)度愈高，

減小，

增大,變形系數(shù)減小。2023/10/1049（一）工件材料方面2023/10/949工件材料強(qiáng)度對變