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金屬切削原理與刀具

第三章 金屬切削過程

石家莊鐵道學(xué)院

3.1 切屑的形成過程
擠壓與切削
? 切屑的形成與切離過程，是切削層受到刀 具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變 形過程。 ? 正擠壓：金屬材料受擠壓時，最大剪應(yīng)力 方向與作用力方向約成45° ? 偏擠壓：金屬材料一部分受擠壓時， OB 線以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線滑移 ，而只能沿OM線滑移
45° M A F

O B a）正擠壓
45° M A B b）偏擠壓 M O F

? 切削：與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪 O 切應(yīng)力增大，達到屈服點→產(chǎn)生塑性變形， F 沿 OM 線滑移 → 剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大 ，達到斷裂強度→切屑與母體脫離。 c）切削 圖3-1 金屬擠壓與切削比較

3.2 金屬切削過程的變形
金屬切削變形過程
切屑 M 終滑移線

A

Φ剪切角 始滑移線：τ=τs O

刀具

圖3-2 切屑根部金相照片

3.2 金屬切削過程的變形
金屬切削變形過程

圖3-3 切削變形實驗設(shè)備與錄像裝置

3.2 金屬切削過程的變形
三個變形區(qū)分析
? 第Ⅰ變形區(qū)：即剪切變形區(qū) ，金屬剪切滑移，成為切屑。 金屬切削過程的塑性變形主要 集中于此區(qū)域。
Ⅱ

Ⅰ
Ⅲ

? 第Ⅱ變形區(qū)：靠近前刀面處 圖3-4 切削部位三個變形區(qū) ，切屑排出時受前刀面擠壓與 摩擦。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的 主要原因。 ? 第Ⅲ變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產(chǎn)生變 形。此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應(yīng)力的主要 原因。

3.3 切屑類型與變形系數(shù)
表3-1 切屑類型及形成條件
名稱 帶狀切屑 擠裂切屑 單元切屑 崩碎切屑

簡圖

形態(tài)
變形 形成 條件

帶狀，底面光滑 ，背面呈毛茸狀
剪切滑移尚未達 到斷裂程度 加工塑性材料， 切削速度較高， 進給量較小， 刀具前角較大 切削過程平穩(wěn)， 表面粗糙度小， 妨礙切削工作， 應(yīng)設(shè)法斷屑

節(jié)狀，底面光滑有裂 紋，背面呈鋸齒狀

粒狀

不規(guī)則塊狀顆粒
未經(jīng)塑性變形即 被擠裂 加工硬脆材料， 刀具前角較小

局部剪切應(yīng)力達到斷 剪切應(yīng)力完全達 到斷裂強度 裂強度 加工塑性材料， 切削速度較低， 進給量較大， 刀具前角較小 切削過程欠平穩(wěn)， 表面粗糙度欠佳 工件材料硬度較 高，韌性較低， 切削速度較低

影響

切削力波動較大， 切削力波動大，有 切削過程不平穩(wěn)， 沖擊，表面粗糙度 表面粗糙度不佳 惡劣，易崩刀

3.3 切屑類型與變形系數(shù)
切屑類型

帶狀切屑

Real

擠裂切屑

Real

節(jié)狀切屑

Real

崩碎切屑

Real

圖3-5 切屑形態(tài)照片

3.3 切屑類型與變形系數(shù)
切屑控制
? 為使切削過程正常進行和保證已加工表面質(zhì)量，應(yīng)使切 屑卷曲和折斷。 ? 切屑的卷曲是切屑基

本變形或經(jīng)過卷屑槽使之產(chǎn)生附加 變形的結(jié)果（圖3-6）
?斷屑是對已變形的切屑再附加一次變形（常需有斷屑裝置， 圖3-7）

圖3-6 切屑的卷曲

圖3-7 斷屑的產(chǎn)生

3.3 切屑類型與變形系數(shù)
變形系數(shù)
切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長度縮小，寬度基本 不變�？捎闷浔硎厩邢鲗幼兊淖冃纬潭取� ◆ 厚度變形系數(shù)
?h ?
hch hD
（3-1）

◆ 長度變形系數(shù)
LD ?L ? Lch
（3-2）
Lch LD

圖3-8 切屑與切削層尺寸

3.3 切屑類型與變形系數(shù)
相對滑移系數(shù)
cos ? 0 ?S ? ? ? ?y sin ? cos(? ? ? 0 )
γ0

（3-3）

? 當(dāng)γ0 = 0～30°，Λh ≥1.5時， Λh與ε相近 ? ε主要反映第Ⅰ變形區(qū) 的變形， Λh 還包含了第 Ⅱ變形區(qū)的影響。
M

φ
O

圖3-9 相對滑移系數(shù)

3.4 切屑與前刀面的摩擦變形
特點
在高溫高壓作用下，，切屑底層與前刀面發(fā)生沾接，切屑 與前刀面之間既有外摩擦，也有內(nèi)摩擦。

兩個摩擦區(qū)
? 粘結(jié)區(qū)：高溫高壓使切屑底 層軟化，粘嵌在前刀面高低不 平的凹坑中，形成長度為 lfi 的 粘接區(qū)。切屑的粘接層與上層 金屬之間產(chǎn)生相對滑移，其間 的摩擦屬于內(nèi)摩擦。 ? 滑動區(qū)：切屑在脫離前刀面 之前，與前刀面只在一些突出 點接觸，切屑與前刀面之間的 摩擦屬于外摩擦。
lfi lfo

圖3-10 切屑與前刀面的摩擦

3.5 積屑瘤
積屑瘤成因
◆ 一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接 ◆ 粘接金屬嚴重塑性變形，產(chǎn)生加工硬化

積屑瘤形成過程
滯留—粘接—長大
切屑

積屑瘤影響
◆ 增大前角，保護刀刃 ◆ 影響加工精度和表面 粗糙度
Real Real

積屑瘤

刀具

圖3-11 積屑瘤

3.6 已加工表面的變形
變形原因
切削刃存在刃口圓弧， 導(dǎo)致擠壓和摩擦，產(chǎn)生 第Ⅲ變形區(qū)。
hD

τ
ΔhD A C E F Δh

變形情況
A 點以上部分沿前刀面 流出，形成切屑； A 點 以下部分受擠壓和摩擦 留在加工表面上，并有 彈性恢復(fù)。

σn

τ

圖3-11 已加工表面變形

應(yīng)力分布
A點前方正應(yīng)力最大，剪應(yīng)力為 0。 A點兩側(cè)正應(yīng)力逐漸減小，剪應(yīng)力逐漸增大，繼而減小。

3.7 硬脆非金屬材料切屑形成機理
脆性斷裂條件
G＞GC
（3-4）

式中 G —— 裂紋擴展單位長度時釋放的能量（應(yīng)變能 釋放率）； GC ——裂紋擴展單位長度時所需的能量（裂紋擴 展阻力）。 對于Ⅰ型（張開型）裂紋，在平面應(yīng)變條件下，脆性斷 裂條件為： K1＞K1C 式中 K1 —— 應(yīng)力強度因 子； K1C —— K1臨界值。
（3-5）

3.7 硬脆非金屬材料切屑形成機理
脆性材料切削過程
◆ 大規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進行（圖3-13）

a）

b）

c）

d）

e）

圖3-12 硬脆材料切削過程

a）大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除） b）空切 c）小規(guī)模擠裂（小塊破碎切

除） d）小規(guī)模擠裂（次小塊破碎切除） e）重復(fù)大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）

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