金属切削的变形过程

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1、第三章金属切削的变形过程本章将阐述:研究切削变形的意义和方法，金属切削层的变形，前刀面的挤压与摩擦，积屑瘤的形成，切屑变形规律，切屑的类型、卷曲与折断，位错理论在金属切削中的应用以及脆硬材料的切削过程等问题。第一节研究金属切削变形过程的意义和方法一、研究金属切削变形过程的意义我们要掌握金属切削的规律，以提高切除效率，降低成本和保证质量，如果不懂得切屑是怎样被切下来的，则对金属切削加工中各种物理现象，如切削力、刀具磨损和加工表面质量等就无从研究起，更不用说解决生产实践中的许多问题了。因此金属切削变形过程的研究，是金屑切削基础理论研究的一个根本问题。随着宇航事业的迅速发展，难加工材

2、料的应用愈来愈多，对零件的质量要求亦不断提高；同时，切削加工自动化和微电子技术等在机械制造中的应用近年来也渐趋广泛；这些都要求我们更加深入地掌握金属切削过程的规律，以便创造出更加先进的切削方法和高效率的刀具，以适应生产发展的需要。二、研究金属切削变形过程的实验方法1．侧面变形观察法2．高速摄影法3．快速落刀法4，在线瞬态体视摄影系统5．扫描电镜显微观察法6．光弹性、光塑性试验法7．其它试验方法图3－1金属切削侧面变形图象第二节金属切削层的变形下面以塑性材料的切屑形成为例，来说明金属切削层的变形。一、变形区的划分图3—6所示为金属切削过程中的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属

3、的某一点在切削过程中流动的轨迹。图中可见，可大致划分为三个变形区。1．第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成。这一区域称为第一变形区。2．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，使靠近前刀面处金属纤维化，基本上和前刀面相平行。这部分叫做第二变形区(Ⅱ)。3．第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分与后面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。这一部分的格子变形也是较密集的，称为第三变形区(Ⅲ)。这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件本体材料分离，大部分变成切屑，很小一部分留在已

4、加工表面上。所以我们研究切削过程，不但要研究三个变形区的变形情况，而且要研究刃前区的应力状态。二、第一变形区内金属的剪切变形OA叫始滑移线，OM叫终滑移线，在OA到OM之间整个第一变形区内，其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。在切削速度较高时，这一变形区较窄。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约0．2～0．02mm，所以可用一剪切面来表示。剪切面和切削速度方向的夹角叫做剪切角，以φ表示。三、变形程度的表示方法（三种）1．剪切角φ2．相对滑移ε3．变形系数ξ三者之间的关系：第三节前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响塑性金属切削层材料经第一变形区

5、后沿前刀面排出，这时由于受前刀面的挤压和摩擦而进一步加剧变形，在靠近前刀面处形成第二变形区。这个变形区的特征是使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上；切屑弯曲；由摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高等等。挤压与摩擦不仅造成第二变形区的变形，而且反过来对第一变形区也有影响。不难理解，如果前刀面的摩擦很大，切屑不易排出，则第一变形区的剪切滑移将加剧。所以研究第一变形区的变形，不能不考虑前刀面的摩擦及其对剪切角的影响。一、作用在切屑上的力在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn。和摩擦力Ff，在剪切面上也有一个正压力Fns和剪切力Fs

6、，如图3—14所示。这两对力的合力应该互相平衡。Fr是Fn和Ff的合力，又称切屑形成力；φ是剪切角；β是Fn和Fr的夹角，又叫摩擦角；切削合力Fr又可以按两个互相垂直的方向进行分解，即分解为Fz和Fy，由图3－15可知，二、剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系φ+β-γo=π/4或φ=π/4-（β-γo）=π/4-ω根据这个公式，可知：1．当前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，大的刀具前角对改善切削过程是有利的。2．当摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。所以提高刀具的刃磨质量，施加切削液以减小前刀面上的摩擦对切削是有利的。三、前刀面上的摩擦在塑性金

7、属切削过程中，由于切屑与前刀面之间的压力很大，可达2～3GPa，再加上几百度的高温，可以使切屑底部与前刀面发生粘结现象。这粘结现象即一般生产中所遇见的“冷焊”，如轴颈与轴瓦间润滑失效时发生的胶着。在粘结情况下，切屑与前刀面之间就不是一般的外摩擦，而是切屑和刀具粘结层与其上层金属之间的内摩擦。这内摩擦实际就是金属内部的滑移剪切，它与材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关，所以它的规律与外摩擦不同。外摩擦力的大小与摩擦系数以及压力有关，而与接触面积无关。图3—16表示刀屑接触面有粘结现象时的摩擦