3.1 金属切削过程与切屑类型

安徽工程科技学院教师备课教案
本章节讲稿共6 页教案第1 页备课时间：05年2月22日教师签名：
第二章金属切削基本理论及应用
金属切削过程中，刀具与工件相互作用，产生切削变形、形成切屑、产生切削力、切削热与切削温度、刀具磨损、卷屑与断屑等现象。

为了保证产品加工质量、减少能耗、提高生产率、必须合理使用与设计刀具、夹具和机床，必须研究切削过程，分析金属切削变形及其规律。

第一节金属切削过程及切屑类型
一、切屑形成过程及变形区的划分
实验1：金属压缩实验
金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45°方向的斜截面内，产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。

刀具切削时相当于局部挤压，使金属沿最大剪应力方向产生滑移。

实验2：制作金属切削层变形图片(如图2-1)
试验条件：选用塑性金属棒、爆炸分离车刀、车床、抛光机、显微镜、视频卡及其相应软件、打印机等。

观察图片发现：在刀具、工件、切屑接触区域，金属材料发生很大的塑性变形。

在图片上可绘制出金属切削层的滑移线和流线。

流线表示切削层内某点在切削过程中的流动轨迹。

切削层金属有三个变形区：
第I变形区OAMO：塑性变形区。

因为晶粒的位错滑移而形成。

第II变形区：纤维化区。

在切屑底部靠近前刀面处，纤维方向基本上与前刀面平行。

因为切屑沿前刀面流出时，受前刀面挤压和摩擦阻力作用，与前刀面接触的金属层再次产生剪切变形，使流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层，即第II变形区。

第III变形区：已加工面与后刀面的接触部分。

由于工件已加工面受钝圆弧切削刃的挤压和后刀面的摩擦，造成纤维化、加工硬化、变形与回弹。

三个变形区无明显分界，汇聚在切削刃附近。

二、第一变形区内金属变形特点
见图2-2，考察任意一点P的流线，P点到达1位时，剪应力达到材料屈服强度 s，产生剪切滑移，P点在向前移动的同时，也沿起始滑移线OA线滑移，合成运动使P点流动到2位，2-2’为其滑移量。

P点依次到达3、4点后，其流动方向与前刀面平行，不再滑移，OM为终止滑移线。

第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。

一般地，第一变形区OAMO的宽度很窄，仅为0.02～0.2mm，故用OM剪切面(滑移面)表示。

剪切面即第一变形区。

见p24 图2-7
剪切角Φ：剪切面和切削速度的夹角。

三、切屑的类型与控制
1.切屑类型图2-3
当工件材料、切削条件不同时，切屑形状不同，分四种类型。

2.切屑的控制
带状切屑连绵不断，易刮伤工件已加工表面，损伤刀具、夹具和机床；
小片状切屑四处飞溅，威胁操作者安全。

因此，必须采取有效措施，控制屑形及断屑。

●主要措施——开断屑槽
)。

➢确定断屑槽尺寸的依据是：切屑厚度h D。

h D大时，槽宽大。

●辅助措施——适当调整刀具工作角度、切削用量
➢增大Κr、减小γ0，使切削厚度h D增大，易断屑；
➢减小γ0，使基本变形增大，易断屑；
➢合理的刃倾角λs，以控制切屑流向，使其碰到刀具或工件的适当部位，以使切屑折断；
➢增大f，使h D增大，卷曲时弯曲应力增大，易断屑；
➢增大Vc时，切屑基本变形减小，断屑变得困难。

四、切削变形程度的定量表示
1.变形系数Ah
如图2-6。

切屑厚度h ch大于工件上切削层厚度h D；而切屑长度L ch 小于切削层长度Lc。

定义：
●厚度变形系数A ha＝切屑厚度h ch/切削层厚度h D>1
●长度变形系数A hl＝切削层长度Lc/切屑长度L ch>1
假设：工件上切削层材料变成切屑后，宽度不变，体积不变。

因变化很小。

因而，由截面积相等可推出两变形系数相等
h ch L ch＝h D Lc即h ch/h D＝Lc/L ch即A ha＝A hl记为A h
易于测量。

试件长度L c可精确测出，L ch可用细铜丝量出。

2.剪切角Φ
剪切角Φ与变形系数A h的关系由图2-6可得
A h＝h ch/h D＝OMsin(90－Φ＋γ0)/OMsinΦ＝cos(Φ－γ0)/sinΦ
可知：
●前角一定时，若剪切角增大，则剪切面积变小，变形系数减小，
切削省力。

●若刀具前角增大，则剪切角增大，变形系数减小。

但因剪切角Φ测量不便，用得较少。

五、前刀面上的摩擦与积屑瘤
1.前刀面上的摩擦特性见图2-8
(1)具有两种摩擦：外摩擦与内摩擦
刀-屑接触区可分为滑动区和粘结区两部分。

●外摩擦：发生在滑动区，为滑动摩擦，外摩擦力＝摩擦系数×
正压力，与接触面积无关。

●内摩擦：发生在粘结区，切削时由于高温高压作用，刀-屑接触
面局部产生粘结(冷焊)，形成很薄的滞流层(粘结层)，导致粘结
层与其上层较软金属间的剪切滑移。

粘结区产生的内摩擦力＝工件材料剪切屈服应力τs×粘结面积
内摩擦力约占总摩擦力的85％以上，远大于外摩擦力。

因此，研究刀-屑之间的摩擦问题，应以内摩擦为主。

(2)前刀面上的平均摩擦系数μ是变量
由于μ＝总摩擦力/总正压力
≈内摩擦力/粘结区正压力
＝τs/бav
●切削温度升高，τs略有下降；
●工件材料强度和硬度越高，或切削厚度越大或刀具前角越小，
刀-屑间正压力бav越大，摩擦系数越小。

2.积屑瘤
●积屑瘤
中低速切削塑性金属、形成连续切屑时，在前刀面上粘着一个楔形硬块。

见图2-10
●积屑瘤的成因
切削时由于高温高压作用，刀-屑接触面局部产生粘结(冷焊)，形成很薄的滞流层(粘结层)，粘结区中粘结层不断层积，形成积屑瘤。

●积屑瘤特性
➢硬度高，约为工件的2～3倍，由于加工硬化而产生；
➢高度随切削速度不同而变，见图2-9；
✧切削速度低于3m/min时，由于摩擦系数小，切削温度低，
无积屑瘤；
✧在3～20m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加；
✧在20m/min 左右时，积屑瘤达最高；
✧在20～40m/minn范围内提高，积屑瘤逐渐消失；
✧高于40m/min 时，由于切削温度较高，无积屑瘤。

➢对于碳素钢，切削温度约为300℃时，积屑瘤高度最大，500℃以上时趋于消失；
➢金相组织与工件材料相比未发生相变；
➢生成、逐渐长大、脱落，周期性发生。

●积屑瘤对加工质量的影响
➢增大刀具工作前角，减小切削变形；
➢伸出刃口，保护刀刃；
➢形成钝圆弧刃口，造成挤压和过切现象，降低加工精度；
➢易碎脱落，导致切削力波动而引起振动，碎瘤粘附在已加工表面，降低表面质量。

●精加工时，避免或减少积屑瘤的措施
➢采用低速(高速钢刀具)或高速(硬质台金刀具)切削；
➢适当增大刀具前角；
➢合理选用切削液，减小摩擦；
➢适当提高工件材料硬度，降低塑性。

➢减小进给量；
➢提高刃磨质量；
➢对于碳素钢，控制切削温度在500℃以上。

六、己加工表面的形成过程图2-11
已加工表面的形成与第III变形区(后面与工件接触区)有关。

对已加工表面的形成起决定作用的两大因素：rβ和VB。

分析切屑形成过程时，假定刀刃是锋利的，但实际总有一钝圆半径rβ。

刀具在切削后不久，后刀面因磨损，形成一段后角为0的棱带VB。

rβ使切削层厚度h D中有一部分⊿h D无法沿剪切面OM方向滑移，而是从O点向下沿OB滑移，即让切屑层金属在O点分离。

O点以上部分，由于剪切变形，沿前刀面流出而成为切屑；
O点以下部分，经过刀刃OB、棱带VB的挤压与摩擦，留在已加工表面。

随后开始弹性恢复(假定高度为⊿h)，则已加工表面在CD段继续与后刀面摩擦。

OB、BC、CD构成后刀面上的接触长度。

结果：使已加工表面层变形剧烈，造成加工硬化。

硬化层中，由于存在残余应力，常出现微观裂纹，从而降低工件的表面质量和疲劳强度，增加下道工序加工困难，加速刀具磨损。