3.2 金属切削过程金属切削过程中的变形中的变形一、切屑的形成过程一、切屑的形成过程1.变形区的划分变形区的划分n切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。n切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：n(1)(1)第一变形区第一变形区 从从OAOA线开始发生塑性变形，到线开始发生塑性变形，到OMOM线金属晶粒的剪切滑移线金属晶粒的剪切滑移基本完成。基本完成。OAOA线和线和OMOM线之间的区域线之间的区域( (图中图中I I区区) )称为第一变形区。称为第一变形区。n(2)(2)第二变形区第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化、基本上和前刀面平行。这一区域使靠近前刀面处的金属纤维化、基本上和前刀面平行。这一区域图中图中区区) )称为第二变形区。称为第二变形区。n(3)(3)第三变形区第三变形区 已加工表面受到已加工表面受到 切削刃钝圆部分和后刀面的挤压切削刃钝圆部分和后刀面的挤压 和摩擦，造成表层金属纤维化和摩擦，造成表层金属纤维化 与与 加工硬化。这一区域加工硬化。这一区域( (图中图中区区) )称称 为第三变形区。为第三变形区。 n1 1）在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。变形，以及随之产生的加工硬化。n在图中，在图中，OAOA、OB,OMOB,OM线都是等剪应力曲线。线都是等剪应力曲线。P P点金属在切削点金属在切削过程中向刀具移动，到达点过程中向刀具移动，到达点1 1时，其剪应力达到材料的屈服时，其剪应力达到材料的屈服强度。过点强度。过点1 1后，后，P P点在继续向前移动的同时，也沿点在继续向前移动的同时，也沿OAOA滑移，滑移，合成运动特使其从点合成运动特使其从点1 1流动到点流动到点2 2，2222就是它的滑移量。就是它的滑移量。随着滑移的产生，剪应变将逐渐增加，直到随着滑移的产生，剪应变将逐渐增加，直到P P点金属移动到点金属移动到超过点超过点4 4位置后，其流动方向与前刀面平行，不再沿滑移线位置后，其流动方向与前刀面平行，不再沿滑移线滑移，滑移， OAOA称作始滑移线，称作始滑移线，OMOM 称作终滑移线。称作终滑移线。 在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02mm0.2mm0.02mm0.2mm，切削速度越高、其宽度越小，故可近似看成，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。一个平面，称剪切面。 剪切面与切削速度间的夹角称剪切角，以剪切面与切削速度间的夹角称剪切角，以表示表示。 当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。 2)2)第二变形区的变形及其第二变形区的变形及其特特征征3)3)第三变形区变形及加工表面质量第三变形区变形及加工表面质量 由于刀刃有钝圆半径由于刀刃有钝圆半径r rb b，整个切削层厚，整个切削层厚度度a ac c中，将有一层金属中，将有一层金属 a a无法沿无法沿OMOM方向方向滑移，而是从刀刃钝园部分滑移，而是从刀刃钝园部分O O点下面挤点下面挤压过去，即切削层金属在压过去，即切削层金属在O O点处分离为点处分离为两部分两部分。已加工表面的形成过程 如如果果将将三三个个变变形形区区联联系系起起来来，当当切切削削层层金金属属进进入入第第一一变变形形区区时时，晶晶粒粒因因压压缩缩而而变变长长，因因剪剪切切滑滑移移而而倾倾斜斜。当当切切削削层层金金属属逐逐渐渐接接近近刀刀刃刃时时，晶晶粒粒更更伸伸长长，成成为为包包围围刀刀刃刃周周围围的的纤纤维维层层，最最后后在在O点点断断裂裂，一一部部分分金金属属成成为为切切屑屑沿沿前前刀刀面面流流出出，另另一一部部分分金金属属绕绕过过刀刀刃刃沿沿后后刀刀面面流流出出，并并继继续续经经受受变变形形而而成成为为已已加加工工表表面面的的表表层层。因因此此，已已加加工工表表面面表表层层的的金金属属纤纤维维被被拉拉伸伸得得更更长长更更细细，其其纤纤维维方方向向平平行行于于已已加加工工表表面面。这这个个表表层层的的金金属属具具有有与与基基体体组组织织不不同的性质，所以称为加工变质层。同的性质，所以称为加工变质层。2.切屑的受力分析切屑的受力分析n在直角自由切削的情况下，作在直角自由切削的情况下，作用在切削上的力有：前刀面上用在切削上的力有：前刀面上的法向力的法向力Fn,摩擦力摩擦力Ff，正压力，正压力Fns，剪切力，剪切力Fs，这两对力的，这两对力的合力互相平衡。合力互相平衡。n如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力FcFc和和FpFp，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可由上式推导求得前刀面对切屑作用的件下，即可由上式推导求得前刀面对切屑作用的摩擦角摩擦角，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数擦系数。二、切削变形程度二、切削变形程度 1.1.变形系数变形系数h h 变形系数是衡量变形的另一个参数，用它变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸变化大小。来表示切屑的外形尺寸变化大小。切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后, ,与切削与切削层比较层比较, ,它的长度缩短它的长度缩短lchlchlclc , ,厚度增加即厚度增加即h hchchh hD D（宽度不变（宽度不变),),这种切屑外形尺寸变化的变形现象这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为称为切屑的收缩切屑的收缩。变形系数。变形系数h h表示切屑收缩的程表示切屑收缩的程度度, ,即即: : （2 2） 式中式中 LcLc、hDhD切屑层长度和厚度；切屑层长度和厚度； LchLch、hchhch切屑长度和厚度。切屑长度和厚度。 测量出切削层和切屑的长度和厚度测量出切削层和切屑的长度和厚度, ,能方便地能方便地求出变形系数求出变形系数 h h 。2.2.相对滑移相对滑移 相对滑移相对滑移是用来量度第是用来量度第变形区滑移变形的程度。变形区滑移变形的程度。如图，设切削层中如图，设切削层中ABAB线沿剪切面滑移至线沿剪切面滑移至A AB B时的距离为时的距离为，事实上，事实上很小，很小，可认为滑移是在剪切面上进可认为滑移是在剪切面上进行，滑移量为行，滑移量为s s。相对滑移。相对滑移表示为：表示为： 用相对滑移用相对滑移的大小能的大小能比较真实地反映切削变形比较真实地反映切削变形程度。程度。n3.3.剪切角剪切角n由上式知：剪切角由上式知：剪切角与切削变形有密切关系，我们也可以用与切削变形有密切关系，我们也可以用剪切角剪切角来衡量切削变形的程度。来衡量切削变形的程度。n在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。图为直角自由切削状态下的作用力分析，在垂直于切削上。图为直角自由切削状态下的作用力分析，在垂直于切削合力合力F F方向的平面内剪应力为零切削合力方向的平面内剪应力为零切削合力F F的方向就是主应的方向就是主应力的方向。力的方向。n主应力方向与最大剪应力方向主应力方向与最大剪应力方向 的夹角应为的夹角应为4545，即，即FsFs与与F F的的 夹角应为夹角应为4545，故有：，故有： n分析上式知：分析上式知：n1)1)前角前角r ro o增大时，剪切角增大时，剪切角随之增大，变形随之增大，变形减小减小. .这表明增大刀具前角可减少切削变形，这表明增大刀具前角可减少切削变形，对该善切削过程有利。对该善切削过程有利。n2)2)摩擦角摩擦角增大时，剪切角增大时，剪切角随之减小，变随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小的刀面和切屑之间的摩好的切削液可以减小的刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。擦系数，有利于改善切削过程。 三、前刀面上的摩擦三、前刀面上的摩擦n经测定，切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正经测定，切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正应力应力和切向应力沿前刀面的分布如图所表。在切屑与和切向应力沿前刀面的分布如图所表。在切屑与刀具前刀面接触的长度内存在两种不同的接触状态。刀具前刀面接触的长度内存在两种不同的接触状态。在靠近切削刃的粘结区，由于正应在靠近切削刃的粘结区，由于正应力值大，切屑在前刀面上形成粘结力值大，切屑在前刀面上形成粘结接触，在此区域内，各点的切应力接触，在此区域内，各点的切应力基本相同，它基本相同，它等于被切材料的剪切等于被切材料的剪切屈服强度屈服强度; ;在滑动区，由于正应力小，切屑在前刀在滑动区，由于正应力小，切屑在前刀面上形成滑动接触，切屑相对于前刀面面上形成滑动接触，切屑相对于前刀面的摩擦特性服从古典摩擦法则，各点的的摩擦特性服从古典摩擦法则，各点的摩擦系数摩擦系数相同相同 = = 。n出于在一般切削条件下，来自粘结接触区的摩擦力占前刀出于在一般切削条件下，来自粘结接触区的摩擦力占前刀面上总摩擦力的面上总摩擦力的8585，故在研究前刀面上的摩擦时应以，故在研究前刀面上的摩擦时应以粘结接触区的摩擦力主要依据。粘结接触点上各点的摩擦粘结接触区的摩擦力主要依据。粘结接触点上各点的摩擦系数：系数：n由于由于(x(x) )随随x x变化，放在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦变化，放在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦系数是一个变值，离切削刃越远，摩擦系数越大，其平均系数是一个变值，离切削刃越远，摩擦系数越大，其平均摩擦系数：摩擦系数：四、积屑瘤的形成及对切削过程的影响四、积屑瘤的形成及对切削过程的影响n1.1.积屑瘤的形成及其影响积屑瘤的形成及其影响n在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下。加工一般在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下。加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块呈三角状的埂块，硬度很高、通常是工件材料硬度的呈三角状的埂块，硬度很高、通常是工件材料硬度的2323倍，这块粘附在前刀面的金属称为积屑瘤。倍，这块粘附在前刀面的金属称为积屑瘤。n切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦，当接触面达到切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦，当接触面达到一定温度，同时又存在较高压力时，被切材料会粘结一定温度，同时又存在较高压力时，被切材料会粘结( (冷焊冷焊) )在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上流过时，如果温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在流过时，如果温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在已经已经“冷焊冷焊”在前刀向上的金属层上，粘成一体，使粘结层在前刀向上的金属层上，粘成一体，使粘结层逐步长大，形成积屑瘤。逐步长大，形成积屑瘤。n形成积屑瘤的条件：形成积屑瘤的条件： 主要决定于切削温度。主要决定于切削温度。在切削温度很低时在切削温度很低时, ,切屑与前刀面间切屑与前刀面间呈点接触呈点接触, ,摩擦系数摩擦系数较小较小, ,故不易形成粘结；在温度很高时故不易形成粘结；在温度很高时, ,接触面间切屑底层金属呈微熔状态接触面间切屑底层金属呈微熔状态, ,起润滑作用，摩擦系数也起润滑作用，摩擦系数也较小，积屑瘤同样不易形成。较小，积屑瘤同样不易形成。 积屑瘤的产生及其成长还与工件材料的性质、压力分布有积屑瘤的产生及其成长还与工件材料的性质、压力分布有关。关。 塑性材料的塑性材料的加工硬化加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；倾向越强，越易产生积屑瘤； 对碳钢来说、切削区温度处于对碳钢来说、切削区温度处于300350300350 C C时积屑瘤的高时积屑瘤的高度最大，切削区温度超过度最大，切削区温度超过500500 C C时，积屑瘤便自行消失。时，积屑瘤便自行消失。n在背吃刀量在背吃刀量 p p和进结量和进结量f f保持一定时，积屑瘤高度保持一定时，积屑瘤高度H Hb b与切削与切削速度速度VcVc，有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削，有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。速度的提高而增加的。n图中，图中，区为低速区区为低速区, ,不产生积屑瘤；不产生积屑瘤；区积屑溜高度随区积屑溜高度随VcVc的增大面增高；的增大面增高；区积屑瘤高度随区积屑瘤高度随VcVc的增大而减小；的增大而减小；区不产生积屑瘤。区不产生积屑瘤。 n2.2.积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响n(1)(1)使刀具前角变大使刀具前角变大 阻滞在前刀面上的积屑瘤有使刀具实阻滞在前刀面上的积屑瘤有使刀具实际前角增大的作用，使切削力减小。际前角增大的作用，使切削力减小。n(2)(2)使切削厚度变化使切削厚度变化 积屑瘤前端超过了切削刃，使切削厚积屑瘤前端超过了切削刃，使切削厚度增大度增大h hD D将随着积屑瘤的成长逐渐增大，一旦积屑瘤从将随着积屑瘤的成长逐渐增大，一旦积屑瘤从前刀面上脱落或断裂，前刀面上脱落或断裂，h hD D值就将迅速减小。值就将迅速减小。切削厚度变化切削厚度变化必然导致切削力产生波动。必然导致切削力产生波动。n(3)(3)使加工表面粗糙度增大使加工表面粗糙度增大 积屑瘤伸出切削刃之外的部分积屑瘤伸出切削刃之外的部分高低不平，形状也不规则，会使加工表面粗糙度增大；破高低不平，形状也不规则，会使加工表面粗糙度增大；破裂脱落的积屑瘤也有可能嵌入加工表面使加工表面质量下裂脱落的积屑瘤也有可能嵌入加工表面使加工表面质量下降。降。n(4)(4)对刀具寿命的影响对刀具寿命的影响 粘在前刀面上的积屑瘤，可代替刀粘在前刀面上的积屑瘤，可代替刀刃切削，有减小刀具磨损，提高刀具寿命的作用；但如果刃切削，有减小刀具磨损，提高刀具寿命的作用；但如果积屑瘤从刀具的刀面上频繁脱落，可能会把前刀面上刀具积屑瘤从刀具的刀面上频繁脱落，可能会把前刀面上刀具材料颗粒拽去材料颗粒拽去( (这种现象易发生在硬质合金刀具上这种现象易发生在硬质合金刀具上) )，反而，反而使刀具寿命下降。使刀具寿命下降。 积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。消极的一面。精加工的必须防止积屑瘤的产生，精加工的必须防止积屑瘤的产生，可可采取的控制措施有：采取的控制措施有：n1)1)正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。的区域。n2)2)使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。层材料与刀具前刀面间的摩擦。n3)3)增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。力。n4)4)适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。 五、影响切屑变形的因素五、影响切屑变形的因素n1.1.工件材料工件材料 工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和前刀面的接触工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和前刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角面积减小，前刀面上的平均正应力增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角减小，剪切角减小，剪切角增大，变形系数增大，变形系数AhAh将随之减小。将随之减小。n2.2.刀具前角刀具前角r ro o 增大刀具前角增大刀具前角, ,剪切角剪切角将随之增大，变形系数将随之增大，变形系数AhAh将随之减小；但将随之减小；但r ro o增大后，前增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力avav减小，使摩擦角减小，使摩擦角和摩擦和摩擦系数系数增大，而导致增大，而导致减小。由于后一方面影响较小，减小。由于后一方面影响较小，A Ah h还是随还是随r ro o的增加而减小。的增加而减小。n3.3.切削速度切削速度VcVc 在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度越大，变形系数在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度越大，变形系数A Ah h越小。主要是因越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度越高，切削变形越不充分，导致变为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度越高，切削变形越不充分，导致变形系数形系数A Ah h下降；此外，提高切削速度还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服下降；此外，提高切削速度还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数强度因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数减小，使变形系数减小，使变形系数A Ah h下降。下降。n4.4.切削层公称厚度切削层公称厚度hDhD 在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度h hD D越大，变形系数越大，变形系数A Ah h越小。越小。 FnFn增大增大-平均正应力平均正应力avav增大，增大，-摩擦系数摩擦系数减小减小-剪切角剪切角将随之增大将随之增大-使变形系数使变形系数AhAh下降下降n (1) (1) 前角前角 增大前角增大前角，使剪切角，使剪切角 增大，变形系数增大，变形系数hh减小，因此，切屑变形减小，因此，切屑变形减小。减小。 如图所示，如图所示， 增大，改变了正压力增大，改变了正压力FnFn的大小和方向，使合力的大小和方向，使合力FrFr减小、减小、作用角作用角减小，故剪切角减小，故剪切角增大。由于增大了增大。由于增大了，切屑厚度，切屑厚度h hchch减小，使变减小，使变形系数形系数h h减小。减小。 生产实践表明，采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切生产实践表明，采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度屑与前刀面接触长度L Lf f 减短，流屑阻力小，因此，切屑变形小、切屑省力。减短，流屑阻力小，因此，切屑变形小、切屑省力。 前角对剪切角的影响a) 负前角； b)正前角n(2)(2)切削速度切削速度 切削速度切削速度v vc c是通过积屑瘤使剪切角是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削改变和通过切削温度使摩擦系数温度使摩擦系数变化而影响切削变形的。变化而影响切削变形的。n如图中碳钢为例。如图中碳钢为例。 v vc c在在3 320m/min20m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数增大，故变形系数h h减减小；小； v vc c =20m/min =20m/min左右时，左右时， h h值最小，值最小， v vc c在在202040m/min40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使具实际前角减小，使减小，减小，h h增大。增大。 v vc c超过超过40m/min40m/min继续增高，由于切削温度继续增高，继续增高，由于切削温度继续增高，致使摩擦系数致使摩擦系数下降，故变形系数下降，故变形系数h h减小。减小。 此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。n（4 4）工件材料）工件材料 工件材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬工件材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度提高，正压力度提高，正压力FnFn增大，平均正应力增大，平均正应力avav增大，因此，摩擦系数增大，因此，摩擦系数下降，剪切角下降，剪切角增大，切屑变形减小。增大，切屑变形减小。 所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，若需达到一所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，若需达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大。材料，则变形较大。 下图为采用不同前角下图为采用不同前角 切削不同材料时的变形系数切削不同材料时的变形系数h h值。值。n加工硬化加工硬化n金属材料在金属材料在再结晶再结晶温度以下温度以下塑性变形时强度和硬度升塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象高，而塑性和韧性降低的现象。又称。又称冷作硬化冷作硬化。n产生原因是：产生原因是：金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。