第三章 金属切削的变形过程

金属切削

第三章 金属切削的变形过程3.1 研究金属切削变形过程的意义和方法一、意义 金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下 金属切削过程是指：通过切削运动， 多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。 多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。即被加工 工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形， 工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形，形成切屑 而被切下来的过程。 而被切下来的过程。 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑 切削力、 切屑、 热与切削温度、刀具磨损等 热与切削温度、刀具磨损等，它们产生的根本原因时切削 过程中的弹性变形和塑性变形 金属切削变形过程的研究是金属切削原理的基础理论研究。 金属切削变形过程的研究是金属切削原理的基础理论研究。 是适应生产发展的需要，有助于保证加工质量， 是适应生产发展的需要，有助于保证加工质量，提高生产 率和降低成本。 率和降低成本。

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二、研究切削变形的实验方法侧面变形观察法 高速摄影法 快速落刀法 SEM观察法 SEM观察法 光弹性、 光弹性、光塑性实验法 其它方法， 其它方法，如：X射线衍射等

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3.2 金属切削层的变形 直角切削没有副刃参加切削，且λs = 0°。 没有副刃参加切削， 0°

a)直角切削 )

b)斜角切削 )

c)不自由切削 )

图 a)、b)、c)直角、斜角自由切削与非自由切削

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一、切屑的形成过程 挤压与切削切屑的形成与切离过程， 切屑的形成与切离过程 ， 是切削 层受到刀具前刀面的挤压而产生以 剪切滑移为主的塑性变形过程。 剪切滑移为主的塑性变形过程。 正挤压： 金属材料受挤压时， 最 正挤压 ： 金属材料受挤压时 ， 大剪应力方向与作用力方向约成45 45° 大剪应力方向与作用力方向约成45° 偏挤压： 偏挤压 ： 金属材料一部分受挤压 OB线以下金属由于母体阻碍 线以下金属由于母体阻碍， 时，OB线以下金属由于母体阻碍，不 能沿AB线滑移，而只能沿OM AB线滑移 OM线滑移 能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移 切削：与偏挤压情况类似。 切削：与偏挤压情况类似。弹性变 剪切应力增大， 达到屈服点→ 形 → 剪切应力增大 ， 达到屈服点 → 产 生塑性变形， OM线滑移 线滑移→ 生塑性变形 ， 沿 OM 线滑移 → 剪切应力 与滑移量继续增大， 达到断裂强度→ 与滑移量继续增大 ， 达到断裂强度 → 切屑与母体脱离。OM平面是剪切平面 切屑与母体脱离。OM平面是剪切平面

45°

M

A F

O B a)正挤压 ) 45° M A B b)偏挤压 ) M F O O F

c)切削 )

图

金属挤压与切削比较

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金属切削变形过程切屑 M 终滑移线

A

Φ剪切角 始滑移线：τ=τs O

刀具

图 切屑根部金相照片

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金属切削变形过程

切削变形实验设备与录像装置

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二、变形区的划分 金属在加工过程中会发生剪切和滑移，下图表示了金属的 金属在加工过程中会发生剪切和滑移， 滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线， 滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向 线是金属的剪切滑移线。 线是金属的剪切滑移线。可划分为三个变形区

金属切削过程中滑移线和流线示意图 金属切削过程中滑移线和流线示意图 滑移线

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三个变形区第Ⅰ变形区：即剪切变形 变形区： 金属剪切滑移， 区，金属剪切滑移，成为切屑 。金属切削过程的塑性变形主 要集中于此区域。 要集中于此区域。Ⅱ Ⅰ Ⅲ

第Ⅱ变形区：靠近前刀面 变形区： 图 切削部位三个变形区 处，切屑排出时受前刀面挤压 摩擦。 摩 摩擦 与擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。 主要原因。 第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生 变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦， 变形。 变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主 要原因。 要原因。

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第Ⅰ变形区： 变形区： 从OA线(始滑移线)金属开始发生剪切变形，到 OA线 始滑移线)金属开始发生剪切变形， OM线 终滑移线)金属晶粒剪切滑移基本结束， OM线(终滑移线)金属晶粒剪切滑移基本结束，AOM 区域叫第一变形区。 区域叫第一变形区。 是切屑变形的基本区， 是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移 伴随产生加工硬化。 ,伴随产生加工硬化。 第一变形区是金属切削变形过程中 最大的变形区，在这个区域内， 最大的变形区，在这个区域内，金 属将产生大量的切削热， 属将产生大量的切削热，并消耗大 部分功率。此区域较窄， 部分功率。此区域较窄，宽度仅 0.02~0.2㎜ 0.02~0.2㎜ 。

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第Ⅱ变形区： 变形区： 刀 屑接触区 切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦， 切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的 晶粒进一步剪切滑移。 晶粒进一步剪切滑移。 特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化， 特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前 刀面，有时有滞流层。 刀面，有时有滞流层。 切屑与前刀面的压力很大，高达2 3GPa, 切屑与前刀面的压力很大，高达2~3GPa,由此摩擦产生 的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温， 的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑 底部与刀具前刀面发生粘结现象

。 底部与刀具前刀面发生粘结现象。

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粘结现象时的摩擦状况

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第Ⅲ变形区： 变形区： 刀 工接触区。 工接触区。 已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦， 已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶 粒进一步剪切滑移。 粒进一步剪切滑移。 有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面， 有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工 硬化和回弹现象。 硬化和回弹现象。 三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。 三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三 个变形区内的变形又相互影响。 个变形区内的变形又相互影响。

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刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦 切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦 BC ,经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为△h 经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为△ BC段后 在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦， CD部分产生摩擦 ，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削 层在OB BC,CD段的挤压和摩擦后 OB, 段的挤压和摩擦后， 层在OB,BC,CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的 加工质量。 加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很 大影响。 大影响。

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三、第一变形区内金属的剪切变形设切削层中某点P向切削刃逼近， 设切削层中某点P向切削刃逼近，到1点时切应力达到 材料剪切屈服强度 剪切屈服强度τ 点向前移动的同时， 材料剪切屈服强度τs(τ = τs),1点向前移动的同时， 也沿剪切方向滑移，其合成运动轨迹从1点运动到2 也沿剪切方向滑移，其合成运动轨迹从1点运动到2点 剪切方向滑移 而不是2 而不是2′点，2′ 2是滑移距离 ′ 2 点继续逼近刀刃， 由于硬化现象， 剪应力增大， P 点继续逼近刀刃 ， 由于硬化现象 ， 剪应力增大 ， 因 点经过1 2 3 4 到达4点时剪切滑移结束， 此 P 点经过1—2—3—4,到达4 点时剪切滑移结束，沿 平行前刀面方向流出成为切屑。 平行前刀面方向流出成为切屑。

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R2 R1

45° 45° A ac Pc

45° B 1

45° 2 3

M 4 4' 3'

τ= τ

金属切削的形成 过程.swf 过程lf

τ= 2' τ s

O

位 置 应力状态 流动方向 区 域

max

P τ < τs 切削速度v 切削速度切削层金属

1 τ = τs 合成运动

2(3) ( ) τ > τs 合成运动 第一变形区

4 τ > τs 合成运动

4以后 以后 无剪应力 前刀面 切屑

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金属在第一变形区滑移过程 切削层金属是在AOM区内通过剪应力产生滑移变成 切削层金属是在AOM区内通过剪应力产生滑移变成 AOM AOM区叫做第一变形区

区叫做第一变形区。 切屑 (Chip) 的。 AOM区叫做第一变形区。 OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。 OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。 线叫始滑移线 线叫终滑移线 其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。 其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。

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晶粒滑移：切削层金属的变形， 晶体结构看 晶粒滑移：切削层金属的变形，从晶体结构看，就是沿晶 格中晶面的滑移。 格中晶面的滑移。 在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0 在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.2～0.02mm,所以 02mm, mm 可看成一个面—即剪切面。 可看成一个面 即剪切面。 即剪切面剪剪剪

切屑 刀具φc

剪切面与切削速度之夹角 剪切角， 表示。 叫剪切角，以φ表示。

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假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中晶面滑移， 假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中晶面滑移，粒 晶面滑移 椭圆形，AB变为长轴 变为长轴A 随剪应力增大，晶格纤维化， ′′B 变椭圆形，AB变为长轴A′B′;随剪应力增大，晶格纤维化，A′′B′′ 纤维化方向与晶粒滑移方向不一致 不一致， 成为纤维化方向 。但纤维化方向与晶粒滑移方向不一致，它们 成一ψ(凯帕)角。 成一ψ 凯帕)

晶粒滑移示意图

滑移与晶粒伸长

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卡片模型 切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后沿卡 切削层金属就象一摞卡片，在刀具作用下受剪应力后沿卡 片间滑移而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向。 片间滑移而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向。 而成为切屑 剪切面方向

卡片模型

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四、变形程度的表示方法

剪切角 Φ 剪应变 ε 变形系数 ξ 刀屑接触长度 L

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剪切角φ 1、剪切角φ 在相同切削条件下，剪切角越大，剪切 在相同切削条件下，剪切角越大， 面积越小，切屑厚度越小，变形越小。 面积越小，切屑厚度越小，变形越小。 剪切角 φ 可采用 快速落刀实验 获得切屑 剪切角φ 可采用快速落刀实验 快速落刀实验获得切屑 根部照片再测量得到，比较麻烦。 根部照片再测量得到，比较麻烦。 Φ γo

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