第2章金属切削过程的基本规律及其应用

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1、第二章第二章 金属切削过程的基本规律及其应用金属切削过程的基本规律及其应用 金属切削过程金属切削过程是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。 金属在切削过程中，由于受到刀具的推挤，通常会产生受形。这种变形直接影响切削力、切削热、刀具磨损、已加工表面质量和生产效率等。 主要内容： 1、切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损和刀具耐用度四大规律。 2、应用。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律一、切削变形下图给出了压缩变形破坏与切削变形二者的比较。 由于存在摩擦力，剪切滑移变形会更加复杂一些。 金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面

2、的推挤后而产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。切削层受挤压后，先后产生弹性变形、塑性变形，弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑金属晶格产生滑移移，而后断裂。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区（如图）：第I变形区 靠近切削刃处切削层内产生的塑性变形区。第II变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区。第III变形区 靠近切削刃处已加工表面内产生的变形区。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律1. 切屑的形成及变形特点 (1)(1)第一变形区金属的剪切滑移变形第一变形区金属的剪切滑移变形 上图中AC、AB、AE均为

3、剪切等应力线，AC线上的应力s，AE线的应力达最大值max。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 称AE线（面）为终止滑移线（面） 。开始滑移的AC线（面）称始滑移线（面） 。AC与AE线所组成的区域即为第一变形区，该区产生的是沿滑移线（面）的剪切滑移变形。 在一般切削速度范围内，第I变形区的宽度仅为0.02mm0.2mm，切削速度越高、其宽度越小，故可近似看成一个平面，称剪切面。 剪切面与切削速度vc间的夹角称剪切角，以表示。 作用力Fr与Vc之间的夹角称为作用角作用角。 结论：结论： 第I变形区是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。第一节第一节 金属

4、切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律(2)(2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形第二变形区内金属的挤压摩擦变形 切削层金属经过剪切滑移后，切屑底层（与刀具前刀面接触的层）在沿前刀面流动过程中，受到前刀面的进一步挤压与摩擦，产生了第二次变形第二次变形。 从图可以看出，原来的平行四边形单元的底面被前刀面的挤压给拉长了，使得平行四边形变成了梯形。许多这样的梯形叠加起来后，切屑就背向底层卷曲了。由于强烈地挤压摩擦，使得切屑底层非常光滑，而上层呈锯齿状的毛茸。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 第二变形区的特点特点是变形集中在切屑底层极薄一层金属中，且该层金属的晶粒纤维化方向

5、与前刀面是平行的。 第一变形区和第二变形区是相互关联的，前刀面的挤压会使切削层金属产生剪切滑移变形，挤压越强烈，变形越大，在流经前刀面时挤压摩擦也越大。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 (3)(3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，产生变形与回弹，形成纤维化与加工硬化。它直接影响着已加工表面的质量。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律2. 切屑的种类 由于工件材料不同，切削条件不同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类： 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过

6、程的基本规律(1)(1)带状切屑（图带状切屑（图a a） 使用较大前角的刀具并选用较高切速，较小的进给量和切深，切削硬度较低的塑性材料时，切削层金属经过终滑移面，虽然产生了最大的塑性变形，但尚未达到破裂程度即被切离母体，从而形成连绵不断的带状切屑。 带状切屑的顶面呈毛茸状，底面光滑。形成带状切屑的切削过程比较平稳，切削力波动也较小，加工的表面较光洁。但它会缠绕在刀具或工件上，损坏刀刃，刮伤工件，且清除和运输也不方便，影响正常切削加工。所以需要在刀具前刀面上磨出各种不同形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽，以促使切屑成卷或折断。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律(2)(2)挤裂切屑

7、（节状切屑）（图挤裂切屑（节状切屑）（图b b） 一般用较低的切速粗加工中等硬度的塑性材料时，容易得到这类切屑。当切削层金属到达终止滑移面时，材料局部已达到破裂程度，使切屑上与前刀面接触的一面较光洁，有时有裂纹，其背面局部开裂成节状。这是最典型的切削过程，经过弹性变形、塑性变形、挤裂、切离等阶段。由于变形较大，切削力也较大，且有波动，工件表面较粗糙。 (3)(3)单元切屑（图单元切屑（图c c） 切削铅或用很低的速度切削钢时，可得到这类切屑。当剪切面上的剪切应力超过材料的剪切强度时，产生剪切破坏，使切屑沿厚度方向断裂成均匀的颗粒状。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律

8、(4)(4)崩碎切屑（图崩碎切屑（图d d） 在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩碎形成不规则的碎块状屑片，即形成崩碎切屑。 工件材料越是脆硬，越容易产生这类切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖容易磨损，并容易产生振动，影响表面粗糙度。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 3. 切削变形的表示方法 （1 1）相对滑移）相对滑移 由

9、材料力学知，剪切变形可用相对滑移来表示。假定四边形OHNM剪切变形后变成OGPM，其相对滑移可写成： 则对于切削层来说，其相对滑移为： s ycottan()oBCCBys yB用来衡量第一变形区滑移变形的程度。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律chchDchhlhll ； （2 2）变形系数）变形系数hh 实际切削过程中，切削层金属受到挤压变形后，切屑厚度比切削层厚度变厚。长度比切削层长度缩短（如图），故可用厚度变形系数h或长度变形系数l表示其变形程度：根据体积不变原则，显然：h = l 从上图中的几何关系不难推出变形系数与剪切角存在如下关系：0cos()cotcos

10、sinsinchhooDhABhAB结论：剪切角与前角是影响切削变形的两个主要因素。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律4. 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 （1 1）作用力分析）作用力分析 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律Fr可分解为二组分力：在运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。 剪切力Fs可按下式计算：coscossinsryFFFoz （-）=F剪切面上产生的剪切应力为：sinsinsinZySsSDDDF cosFFFAAhb结论：减小FZ、增大AD、减小，均可减小。第一节第一节 金属切削过程的基本规律

11、金属切削过程的基本规律摩擦系数可用下式求得：tanfnFF摩擦角也可用测得的分力FZ、FY求出：tan()YoZFF tan即等于前刀面的平均摩擦系数，这就是通常测定前刀面摩擦系数的方法。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（2 2）剪切角）剪切角的确定的确定 剪切角是剪切滑移面与切削速度间的夹角，它表示出了剪切滑移面的位置。当前角一定时，切削变形系数h将随的增大而减小，说明此时剪切滑移面上变形消耗能量少。 麦钱特（M.E. Merchant）根据切削合力最小的原则，对下式进行微分求极值，dF/d=0，000cos()cos()cos()cos()sincos()sDoZ