金属切削过程的基本规律及其应用

第二章金属切削过程的基本规律及其应用

本章主要介绍以下容：

1、金属切削过程基本规律

2、金属切削过程基本规律的应用

课时分配：1，三个学时，2，三个学时

重点：金属切削过程的基本概念

难点：金属切削过程基本规律的应用

金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进行研究，揭示其在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。总之，金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。因此，必须进行深入的研究。

2.1 金属切削层的变形

一、切屑形成过程及变形区的划分 (见P19)

1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。

2、变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。

3、切屑的形成及变形特点(见P20)

1）第一变形区（近切削刃处切削层产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形

切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。

在下图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度围，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第—变形区。由于切屑形成时应变

速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第—变形区，AB面亦称为剪切面。

剪切面AB与切削速度Vc之间的夹角 称为剪切角。作用力Fr与切削速度Vc之间的夹角ω称为作用角。

第一变形区就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。

2）第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）金属的挤压磨擦变形

经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。

应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。

3）第三变形区（近切削刃处已加工表面产生的变形区）金属的挤压磨擦变形

已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。

二、切削变形程度的度量方法

1、相对滑移ε

相对滑移ε是用来量度第1变形区滑移变形的程度。如右图，设切削层中A'B'线沿剪切面滑移至A"B"时的距离为△y，事实上△y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为△s。则相对滑移ε表示为：

1、变形系数∧h

变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。

变形系数∧h表示切屑收缩的程度，即

从上图可知，剪切角?变化对切屑收缩的影响，?增大剪切面AB减短，切屑厚度hch 减小，故∧h变小。它们之间的关系如下：

从上面两个公式可知，剪切角?与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角?，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。

注意：由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而ε值主要从剪切变形考虑；而∧h主要从塑性压缩方面分析。所以，ε与∧h都只能近似地表示切削变形程度。

三、剪切角的确定

剪切角?是影响切削变形的一个重要因素。若能预测剪切角?的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角?的计算式。

从上面公式可看出：?与γ0、β有关。增大前角γ0、减小摩擦角β，使剪切角?增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。

从上面公式也可看出：第2变形区产生的摩擦对第1变形区剪切变形的影响规律。

四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响(见P24)

在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。

1、积屑瘤是如何形成的?

1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。

2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“摩擦”。

3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。

4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。

2、形成积屑瘤的条件：

主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。

1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；

2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。

3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。

3、积屑瘤对切削过程的影响

1）实际前角增大

它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。

2）使加工表面粗糙度增大

积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。

3）对刀具寿命的影响

积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。

4、防止积屑瘤的主要方法

1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；

2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；

3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；

4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；

5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。

五、切削变形变化规律

从相对滑移ε、变形系数∧h计算式中可知，剪切角?与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角?，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。

1、前角：增大前角γ0，使剪切角?增大，变形系数∧h减小，因此，切削变形减小。