【機械制造基礎課件】2.1切削過程中的變形-切削過程規(guī)律

第二章金屬切削基礎第1講切削過程中的變形12/23/20241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；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；4)

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準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。3）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；2.1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。2.1.1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。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。帶狀擠裂單元崩碎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。2．擠裂切屑外側(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。

3．單元切屑生產(chǎn)中很少見到。在擠裂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?？梢姡簭膸?/p>

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)以達控制切屑（卷屑、斷屑）和改善已加工表面質(zhì)量的目的。4．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：材料受到拉應力已超過其抗拉強度。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。

45°F45°Fν擠壓與切削

切屑的形成與切離過程，是切削層受到刀具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變形過程。FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削正擠壓：金屬材料受擠壓時，最大剪應力方向與作用力方向約成45°.偏擠壓：金屬材料一部分受擠壓時，OB線以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線滑移，而只能沿OM線滑移.切削：與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪切應力增大，達到屈服點→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應力與滑移量繼續(xù)增大，達到斷裂強度→切屑與母體脫離。金屬擠壓與切削比較擠壓與切削金屬切削變形過程切削變形實驗設備與錄像裝置切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角金屬切削變形過程1.切屑的形成金屬切削過程是切削層金屬在刀具的前刀面推擠下，發(fā)生以剪切滑移為主的塑性變形而形成切屑的過程。2.1.2切削層金屬的變形1.變形區(qū)的劃分根據(jù)實驗，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)。（以直角自由切削方式切削塑性材料為例）金屬切削過程中滑移線和流線示意圖（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。（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。（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，應力集中而又復雜。三個變形區(qū)內(nèi)的變形又相互影響。2.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點向前移動的同時，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，2

2是滑移距離2.第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形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(jié)束，沿平行前刀面方向流出成為切屑。位置P12（3）44以后應力狀態(tài)

<s

=s

>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。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，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

卡片模型切削層金屬就象一摞卡片，在刀具作用下受剪應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蛡?cè)面變形觀察法高速攝影法快速落刀法SEM觀察法光彈性、光塑性實驗法其它方法，如：X射線衍射等研究切削變形的實驗方法表示變形程度的方法剪切角

剪應變

變形系數(shù)

刀屑接觸長度L(1)剪切角

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。

o

剪切角的計算1)麥錢特(M．E．Merchant)公式

求微商，并令，可求出Fr為最小值時φ之值。β：前刀面摩擦角剪切角的計算1)麥錢特(M．E．Merchant)公式

β：前刀面摩擦角2)李和謝弗(LeeandShaffer)公式也稱為切削第一定律，是根據(jù)主應力方向與最大切應力方向之間的夾角為45°的原理來計算剪切角。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。(1)當前角γo增大時，φ角隨之增大，變形減小。可見在保證切削刃強度的前提下，增大刀具前角對改善切削過程是有利的。(2)當摩擦角β增大時，φ角隨之減小，變形增大。因此在低速切削時，采用切削液以減小前刀面上的摩擦系數(shù)是很重要的。(2)變形系數(shù)

由實驗和生產(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。(2)變形系數(shù)

變形系數(shù)

l

切削層長度與切屑長度之比

l=Lc/Lch

=

LD/Lch

a=ach/ac=hch/hD忽略切屑寬度的變化，有

a=

l=>1變形系數(shù)

求法變形系數(shù)

能直觀反映切屑的變形程度，且容易求得，生產(chǎn)中常用。(3)剪應變

按剪應變即相對滑移關(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

o(4)刀屑接觸長度l變形系數(shù)

、剪切角

和剪應變

的關(guān)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，ach=ac，似乎切屑沒有變形，但事實上切屑有相對滑移存在。2.1.3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一步變成第二變形區(qū)。特征：切屑底層晶粒纖維化，流速減慢甚至會停滯在前刀面上切屑發(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。1.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)系在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff，在剪切面上也有一個正壓力Fns和剪切力Fs，這兩對力的合力應該互相平衡。主切削力背向力切削合力剪切力前刀面摩擦角

作用角

=:切削速度方向Fr

切削合力；

Fn與Fr的夾角，即摩擦角；Fz

Fr在切削運動方向的分力；Fy

Fr與切削運動方向垂直的分力。切削合力Fr與剪切力Fs之夾角為(

+

-

0)其中(

-

0)

為切削合力Fr

與切削速度方向的夾角，稱作用角，以

表示。

為剪切角復習如下結(jié)論前角

o

增大時，

增大，變形減小。故在保證刀刃強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。2.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：黏結(jié)區(qū)和滑動區(qū)。前刀面上的摩擦

，

法應力

=

s

剪應力，=

OAB

刀具刀具前刀面的摩擦特性黏結(jié)區(qū)滑動區(qū)OA—黏結(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)黏結(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)生黏結(jié)，亦稱“冷焊”；黏結(jié)區(qū)并非一般的外摩擦，而是黏結(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

s滑動區(qū)

外摩擦單位切向力由

s逐漸減小到0。刀

屑接觸面上正應力

在刀尖處最大，逐漸減小到0。工件材料：強度硬度增大，

減小切削厚度：切削厚度增大，

減小切削速度：影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素兩種情況低速時，V大，

越大；高速時，V大，

越小切削速度：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黏結(jié)。黏結(jié)情況隨速度和溫度的增大而發(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。積屑瘤

由于刀

屑接觸面的摩擦，當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，黏結(jié)、冷焊積屑瘤材料硬化指數(shù)愈大（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。積屑瘤的作用：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。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。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)生黏結(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)。

2.1.4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：1.工件材料2.刀具前角3.切削速度4.切削厚度（進給量）1.工件材料1－00 2－103－15 4－20Cr5－20 6－9Cr7－T8-1 8－309－2Cr13 10－40CrWSi11－35Cr3MoNi12－40 13－6014－5015－18CrNi316－1Cr18Ni9Ti17－T8 18－T1219－35CrNi3變形系數(shù)強度增大

表3-1不同材料的摩擦系數(shù)μ工件材料σb/MPaHBShD/mm0.10.140.180.22銅213550.780.760.750.7410鋼3621020.740.730.720.7210Cr4801250.730.720.720.711Cr18Ni9Ti6341700.710.700.680.67工件材料的強度和硬度增大，變形系數(shù)減小。這是由于工件材料的強度和硬度增大，使前刀面上的法向應力σav增大，摩擦系數(shù)μ減小，摩擦系數(shù)μ減小，摩擦角β減小，剪切角φ增大，所以變形系數(shù)減小。2.刀具前角刀具幾何參數(shù)中影響變形系數(shù)最大的是前角γo。實驗結(jié)果表明：(1)刀具前角γo越大，變形系數(shù)越小。變形系數(shù)(2)刀具前角γo越大，摩擦系數(shù)μ越大。一方面由于前角γo增大，剪切角φ增大，變形系數(shù)減小，這是前角γo對變形的直接影響。另一方面前角γo還通過摩擦角β間接的影響變形程度。即前角γo增大，作用在前刀面上