金属切削的变形过程

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1、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 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 ， 形成 切 屑 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 热 与 切 削 温 度 、 刀 具 磨 损 等 ， 它 们 产 生 的 根 本 原 因

2、 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 。 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 。 二 、 研 究 切 削 变 形 的 实 验 方 法p 侧 面 变 形 观 察 法p 高 速 摄 影 法p 快 速 落 刀 法p SEM观 察 法p 光 弹 性 、 光 塑 性 实 验 法p 其 它 方 法 ， 如 ： X射 线 衍 射 等 没 有 副 刃 参 加 切 削 ， 且 s = 0 。图 a） 、

3、b） 、 c） 直 角 、 斜 角 自 由 切 削 与 非 自 由 切 削 a） 直 角 切 削 b） 斜 角 切 削 c） 不 自 由 切 削 3.2 金 属 切 削 层 的 变 形 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 。 FAB OM45 a） 正 挤 压 FAB OM45b） 偏 挤 压 OMF c） 切 削 正 挤 压 ： 金 属 材 料 受 挤 压 时 ， 最大 剪 应 力 方 向 与 作 用 力 方 向 约 成 45 偏 挤 压 ： 金 属 材 料 一 部

4、 分 受 挤 压时 ， OB线 以 下 金 属 由 于 母 体 阻 碍 ， 不能 沿 AB线 滑 移 ， 而 只 能 沿 OM线 滑 移 切 削 ： 与 偏 挤 压 情 况 类 似 。 弹 性 变形 剪 切 应 力 增 大 ， 达 到 屈 服 点 产生 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 切 屑 与 母 体 脱 离 。 OM平 面 是 剪 切 平 面 图 金 属 挤 压 与 切 削 比 较 一 、 切 屑 的 形 成 过 程 图 切 屑 根 部 金 相 照 片M 刀 具切 屑 OA 终 滑 移 线始 滑 移 线 ：

5、=s剪 切 角 切 削 变 形 实 验 设 备 与 录 像 装 置 金 属 在 加 工 过 程 中 会 发 生 剪 切 和 滑 移 ， 下 图 表 示 了 金 属 的滑 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 。 可 划 分 为 三 个 变 形 区二 、 变 形 区 的 划 分 金 属 切 削 过 程 中 滑 移 线 和 流 线 示 意 图 第 变 形 区 ： 即 剪 切 变 形区 ， 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

6、域 。 图 切 削 部 位 三 个 变 形 区 第 变 形 区 ： 已 加 工 面 受 到 后 刀 面 挤 压 与 摩 擦 ， 产 生变 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 。 第 变 形 区 ： 靠 近 前 刀 面处 ， 切 屑 排 出 时 受 前 刀 面 挤 压与摩 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 。 第 变 形 区 ：从 OA线 （ 始 滑 移 线 ） 金 属 开 始 发 生 剪 切 变 形 ， 到OM线 （ 终 滑 移 线 ） 金 属 晶

7、粒 剪 切 滑 移 基 本 结 束 ， AOM区 域 叫 第 一 变 形 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 。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 ， 金属 将 产 生 大 量 的 切 削 热 ， 并 消 耗 大部 分 功 率 。 此 区 域 较 窄 ， 宽 度 仅0.02 0.2 。 第 变 形 区 ：刀 屑 接 触 区切 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

8、剪 切 滑 移 。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 。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 ， 切 屑底 部 与 刀 具 前 刀 面 发 生 粘 结 现 象 。 粘 结 现 象 时 的 摩 擦 状 况 第 变 形 区 ：刀 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 ， 晶粒 进 一 步 剪 切

9、滑 移 。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 。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 。 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， 经 过 BC段 后 ， 这 部 分 金 属 开 始 弹 性 恢 复 ， 恢 复 高 度 为 h， 在 恢 复 过 程 中 又 与 后 刀 面 CD部

10、 分 产 生 摩 擦 ， 这 部 分 切 削层 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 。 所 以 说 第 三 变 形 区 对 工 件 加 工 表 面 质 量 产 生 很大 影 响 。 p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 s（ = s） ， 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点而 不 是 2点 ， 22是 滑 移 距 离pP点 继 续 逼 近 刀 刃

11、 ， 由 于 硬 化 现 象 ， 剪 应 力 增 大 ， 因此 P点 经 过 1234， 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 。三 、 第 一 变 形 区 内 金 属 的 剪 切 变 形 位 置 P 1 2（ 3） 4 4以 后应 力 状 态 s s 无 剪 应 力流 动 方 向 切 削 速 度 v 合 成 运 动 合 成 运 动 合 成 运 动 前 刀 面区 域 切 削 层 金 属 第 一 变 形 区 切 屑金 属 切 削 的 形 成过 程 .swf v金 属 在 第 一 变 形 区 滑 移 过 程p切 削 层 金 属 是 在

12、AOM区 内 通 过 剪 应 力 产 生 滑 移 变 成切 屑 (Chip) 的 。 AOM区 叫 做 第 一 变 形 区 。p OA线 叫 始 滑 移 线 ， OM线 叫 终 滑 移 线 。 p其 特 征 是 晶 粒 的 剪 切 滑 移 ， 伴 随 产 生 加 工 硬 化 。 p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 。p在 一 般 速 度 范 围 内 ， 第 一 变 形 区 宽 度 仅 0.20.02mm， 所 以可 看 成 一 个 面 即 剪 切 面 。剪 切 面 与 切 削 速 度 之 夹 角叫 剪

13、切 角 ， 以 表 示 。 刀 具切 屑 晶 粒 滑 移 示 意 图 滑 移 与 晶 粒 伸 长 p 假 定 金 属 晶 粒 为 圆 形 ， 受 剪 应 力 后 晶 格 中 晶 面 滑 移 ， 粒变 椭 圆 形 ， AB变 为 长 轴 AB； 随 剪 应 力 增 大 ， 晶 格 纤 维 化 ， AB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 角 。 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 卡片 间 滑 移 而 成 为 切 屑 。 滑 移 方 向 就 是

14、剪 切 面 方 向 。 卡 片 模 型 p 剪 切 角 p 剪 应 变 p 变 形 系 数 p 刀 屑 接 触 长 度 L四 、 变 形 程 度 的 表 示 方 法 1、 剪 切 角 在 相 同 切 削 条 件 下 ， 剪 切 角 越 大 ， 剪 切面 积 越 小 ， 切 屑 厚 度 越 小 ， 变 形 越 小 。 剪 切 角 可 采 用 快 速 落 刀 实 验 获 得 切 屑根 部 照 片 再 测 量 得 到 ， 比 较 麻 烦 。 o 二 、 剪 应 变 平 行 四 边 形 OHNM剪 切 变 形 为 OGPM， 按 剪 应 变 即 相 对 滑 移 关 系 有 = s / y， 而 s =

15、 NP， y = MK 故 =NP / MK = (NK+KP) / MK = ctg + tg(-0) 剪 切 变 形 示 意 图)cos(sin cos oo 变 形 系 数 求 法 三 、 变 形 系 数 （ 克 赛 ）由 实 验 和 生 产 可 知 ， 切 屑 厚 度 ach 大于 切 削 层 厚 度 ac， 切 屑 长 度 lch 小 于 切削 层 长 度 lc。长 度 变 形 系 数 L切 削 层 长 度 lc与 切屑 长 度 lch之 比 L= lc/ lch 厚 度 变 形 系 数 a = ach/ ac忽 略 切 屑 宽 度 的 变 化 ， 有 a=L= 大 于 1， 值 大

16、 表 示 切 屑 越 厚 越 短 ，变 形 越 大变 形 系 数 能 直 观 反 映 切 屑 的 变 形 程度 ， 且 容 易 求 得 ， 生 产 中 常 用 。 变 形 系 数 、 剪 切 角 和 剪 应 变 的 关 系 sin )cos( occhaa 以 上 是 按 纯 剪 切 观 点 提 出 的 ， 而 切 削 过 程 是 复 杂 的 ，既 有 剪 切 又 有 挤 压 和 摩 擦 的 作 用 。 显 然 以 上 理 论 有 局 限 性。 如 =1时 ， a ch=ac， 似 乎 切 屑 没 有 变 形 ， 但 事 实 上 切 屑 有相 对 滑 移 存 在 。 也 只 当 1.5时 ，

17、与 基 本 成 正 比 。 o o cos 1sin22 四 、 刀 屑 接 触 长 度 lo 3.3 前 刀 面 的 挤 压 与 磨 擦 及 其 对 切 屑 变 形 的 影 响 根 据 前 述 ， 切 屑 沿 前 刀 面 流 出 时 受 到 挤 压 和 摩 擦 ， 靠 近前 刀 面 的 切 屑 底 层 进 一 步 变 成 第 二 变 形 区 。特 征 ：切 屑 底 层 晶 粒 纤 维 化 ， 流 速 减 慢 甚 至 会 停 滞 在 前 刀 面 上切 屑 发 生 弯 曲 ；刀 屑 接 触 区 温 度 升 高 ；第 二 变 形 区 的 挤 压 和 摩 擦 影 响 切 屑 的 流 出 ， 从 而

18、影 响 第一 变 形 区 金 属 的 变 形 ， 影 响 剪 切 角 的 大 小 。 粘 结 区 ： 高 温 高 压 使 切 屑底 层 软 化 ， 粘 嵌 在 前 刀 面 高 低不 平 的 凹 坑 中 ， 形 成 长 度 为lfi的 粘 接 区 。 切 屑 的 粘 接 层与 上 层 金 属 之 间 产 生 相 对 滑 移， 其 间 的 摩 擦 属 于 内 摩 擦 。 图 切 屑 与 前 刀 面 的 摩 擦 在 高 温 高 压 作 用 下 ， 切 屑 底 层 与 前 刀 面 发 生 沾 接 ， 切 屑与 前 刀 面 之 间 既 有 外 摩 擦 ， 也 有 内 摩 擦 。滑 动 区 ： 切 屑 在

19、 脱 离 前 刀面 之 前 ， 与 前 刀 面 只 在 一 些 突出 点 接 触 ， 切 屑 与 前 刀 面 之 间的 摩 擦 属 于 外 摩 擦 。 lfolfi 一 、 作 用 在 切 屑 上 的 力 、 剪 切 角 与 前 刀 面 上 摩 擦 角 的 关 系 前 刀 面 上 ： 法 向 力 Fn和 摩 擦 力 Ff； 剪 切 面 上 ： 正 压 力 Fns剪 切 力 Fs 两 对 力 平 衡 。 作 用 在 切 屑 上 的 力 及 其 与 角 度 关 系 pFr切 削 合 力 ； Fn与 Fr的 夹 角 ， 即 摩 擦 角 ； =tg 为 前 刀 面 的 摩 擦 系 数pFz Fr在 切

20、 削 运 动 方 向 的 分 力 ； Fy Fr与 切 削 运 动 方 向 垂直 的 分 力 。 可 由 公 式 计 算p切 削 合 力 Fr与 剪 切 力 Fs之 夹 角 为 (+-0)， 由 材 力 知 (- 0) 为 切 削 合 力 Fr 与 切 削 速 度 方 向 的 夹 角 ， 称 作 用 角， 以 表 示 。 可 得 如 下 结 论 ： 前 角 o 增 大 时 ， 增 大 ， 变 形 减 小 。 故 在 保 证 刀刃 强 度 条 件 下 增 大 前 角 可 以 改 善 切 削 过 程 （ 降 低 切削 力 、 温 度 、 提 高 表 面 质 量 等 ） ； 摩 擦 角 增 大 时

21、， 减 小 ， 变 形 增 大 。 故 提 高 刀具 刃 磨 质 量 、 使 用 切 削 液 可 减 小 前 刀 面 上 的 摩 擦 ，对 切 削 过 程 有 利 。 二 、 前 刀 面 上 的 摩 擦 切 屑 与 前 刀 面 摩 擦 示 意 图切 削 塑 性 材 料 时 刀 屑 接 触 区 的 摩擦 示 意 图 。 可 见 ， 刀 屑 接 触 面 分两 个 区 域 ： 粘 结 区 和 滑 动 区 。 刀 具 前 刀 面 的 摩 擦 特 性 ， 法 应 力 =s 剪 应 力 ， = O A B 刀 具OA 粘 结 区AB 滑 动 区 p OA粘 结 区 （ 内 摩 擦 区 ） ： 摩 擦 系

22、数 是 变 化 的p AB滑 动 区 （ 外 摩 擦 区 ） ： 摩 擦 系 数 是 常 数 avsnfFF p粘 结 区 内 摩 擦p切 塑 性 金 属 时 ， 切 屑 与 前 刀 面 间 高 温 (几 百 度 )、 高 压（ 2-3GPa） 使 切 屑 底 部 与 前 刀 面 间 发 生 粘 结 ， 亦 称“ 冷 焊 ” ；p粘 结 区 并 非 一 般 的 外 摩 擦 ， 而 是 粘 结 层 金 属 与 相 邻 切 屑较 上 层 之 间 的 晶 粒 相 对 剪 切 滑 移 ， 属 内 摩 擦 。p单 位 切 向 力 = 材 料 的 剪 切 屈 服 极 限 s 滑 动 区 外 摩 擦p 单

23、位 切 向 力 由 s 逐 渐 减 小 到 0。p 刀 屑 接 触 面 上 正 应 力 在 刀 尖 处 最 大 ， 逐 渐减 小 到 0。 三 、 影 响 前 刀 面 摩 擦 系 数 的 主 要 因 素p 工 件 材 料 ： 强 度 硬 度 增 大 ， 减 小 （ V不 变 时 ， 温 度 升 高 ）p 切 削 厚 度 ： 切 削 厚 度 增 大 ， 正 应 力 增 大 ， 减 小p 切 削 速 度 ： 低 速 ， V大 ， 越 大 ； 高 速 ， V大 ， 越 小p 刀 具 前 角 ： o 增 大 ， 正 应 力 减 小 ， 越 大 avsnfFF v 切 削 速 度 ： 在 不 同 v范

24、围 ， 影 响 不 同 。 v低 时 ， 温 度 较 低 ， 前 刀 面 与 切 屑 底 层 不易 粘 结 。 粘 结 情 况 随 速 度 的 增 大 而 发 展， 使 增 大 ； 当 v超 过 一 定 值 时 ， 温 度升 高 ， 使 材 料 塑 性 增 大 ， 流 动 应 力 减 小， 故 降 低 。 p 积 屑 瘤 由 于 刀 屑 接 触 面 的 摩 擦 ， 当 切 削 速 度 不 高又 形 成 连 续 切 屑 时 ， 加 工 钢 料 和 其 它 塑 性 材 料 时 ， 常常 在 刀 刃 处 粘 着 剖 面 呈 三 角 状 硬 块 。 硬 度 为 工 件 硬 度的 2-3倍 ， 这 块

25、金 属 被 称 为 积 屑 瘤 。 叫 积 屑 瘤 。p 形 成 原 因 ： 高 温 、 高 压 ， 粘 结 、 冷 焊3.4 积 屑 瘤 的 形 成 及 其 对 切 削 过 程 的 影 响 一 、 积 屑 瘤 的 成 因 ： 当 金 属 切 削 层 从 终 滑 移 面 流 出 时 ， 受 到 刀 具 前 刀 面的 挤 压 和 摩 擦 ， 切 屑 与 刀 具 前 刀 面 接 触 面 温 度 升 高 ， 挤压 力 和 温 度 达 到 一 定 的 程 度 时 ， 就 产 生 粘 结 现 象 ， 也 就是 常 说 的 “ 冷 焊 ” 。 切 屑 流 过 与 刀 具 粘 附 的 底 层 时 ， 产生

26、内 摩 擦 ， 这 时 底 层 上 面 金 属 出 现 加 工 硬 化 ， 并 与 底 层粘 附 在 一 起 ， 逐 渐 长 大 ， 成 为 积 屑 瘤 ， 如 图 所 示 。 积 屑 瘤 的 产 生 与 不 但 与 材 料 的 加 工 硬 化 有 关 ， 而 且也 与 刀 刃 前 区 的 温 度 和 压 力 有 关 。 材 料 硬 化 指 数 愈 大 （ 塑 性 越 高 ） ， 愈 易 形 成 积 屑 瘤 。实 验 证 明 ： 形 成 积 屑 瘤 有 一 最 佳 切 削 温 度 ， 此 时 积 屑 瘤高 度 Hb最 大 ， 当 温 度 高 于 或 低 于 此 温 度 时 ， 积 屑 瘤 高

27、度 皆减 小 。积 屑 瘤 高 度 与 切 削 速 度 的 关 系 如 下 图 ， 实 际 上 也 反 映 了与 温 度 的 关 系 。 积 屑 瘤 高 度 Hb与 vc的 关 系 二 、 积 屑 瘤 对 金 属 切 削 过 程 产 生 的 影 响 （ P44） ：（ 1） 实 际 刀 具 前 角 增 大 ;（ 2） 实 际 切 削 厚 度 增 大 ；（ 3） 加 工 后 表 面 粗 糙 度 增 大 ；（ 4） 影 响 切 削 刀 具 的 耐 用 度 ； 1、 实 际 刀 具 前 角 增 大 刀 具 前 角 o指 前 刀 面 与 基 面 之 间 的 夹 角 。 如 图 所 示 ，由 于 积 屑

28、 瘤 的 粘 附 ， 刀 具 前 角 增 大 了 一 个 b角 度 ， 如把 切 屑 瘤 看 成 是 刀 具 一 部 分 的 话 ， 无 疑 实 际 刀 具 前 角增 大 ,现 为 o b 。 刀 具 前 角 增 大 可 减 小 切 削 力 ， 对 切 削 过 程 有 积 极 的 作用 。 而 且 ， 切 削 瘤 的 高 度 Hb 越 大 ， 实 际 刀 具 前 角 也 越大 ， 切 削 更 容 易 。 2、 实 际 切 削 厚 度 增 大 当 切 削 瘤 存 在 时 ， 实 际 的 金 属切 削 层 厚 度 比 无 切 削 瘤 时 增 加了 一 个 hD， 显 然 ， 这 对 工 件切 削

29、尺 寸 的 控 制 是 不 利 的 。 这 个 厚 度 hD的 增 加 并 不 是 固定 的 ， 因 为 切 削 瘤 在 不 停 变 化 ，它 是 一 个 产 生 ， 长 大 ， 最 后 脱落 的 周 期 性 变 化 过 程 ， 这 样 可能 在 加 工 中 产 生 振 动 。 3、 加 工 后 表 面 粗 糙 度 增 大 积 屑 瘤 的 变 化 不 但 是 整 体 ， 而 且 积 屑 瘤 本 身 也 有 一 个变 化 过 程 。 积 屑 瘤 的 底 部 一 般 比 较 稳 定 ， 而 它 的 顶 部极 不 稳 定 ， 经 常 会 破 裂 ， 然 后 再 形 成 。 破 裂 的 一 部 分 随

30、 切 屑 排 除 ， 另 一 部 分 留 在 加 工 表 面 上 ，使 加 工 表 面 变 得 非 常 粗 糙 。 可 以 看 出 ， 如 果 想 提 高 表面 加 工 质 量 ， 必 须 控 制 积 屑 瘤 的 发 生 。 4、 切 削 刀 具 对 耐 用 度 的 影 响 从 积 屑 瘤 在 刀 具 上 的 粘 附 来 看 ， 积 屑 瘤 应 该 对 刀 具有 保 护 作 用 ， 它 代 替 刀 具 切 削 ， 减 少 了 刀 具 磨 损 。 积 屑 瘤 的 粘 附 是 不 稳 定 的 ， 它 会 周 期 性 的 从 刀 具 上脱 落 ， 当 它 脱 落 时 ， 可 能 使 刀 具 表 面

31、金 属 剥 落 ， 从而 使 刀 具 磨 损 加 大 。 对 于 硬 质 合 金 刀 具 这 一 点 表 现尤 为 明 显 。 不 利 方 面 ：积 屑 瘤 不 稳 定 时 （ 脱 落 时 ） ， 有 可 能 使 脆 性 刀 具 颗 粒 剥 落， 反 而 加 剧 刀 具 磨 损 ；产 生 积 屑 瘤 后 使 切 削 厚 度 增 大 ac值 ， 影 响 工 件 尺 寸 精 度 ；当 积 屑 瘤 不 稳 定 时 ， 由 于 积 屑 瘤 产 生 成 长 脱 落 周 期 动态 变 化 ， 易 引 起 振 动 ；脱 落 的 积 屑 瘤 碎 片 影 响 工 件 表 面 粗 糙 度 ， 也 易 划 伤 刀

32、具 使耐 用 度 降 低 。三 、 积 屑 瘤 的 作 用有 利 方 面 ：可 增 大 实 际 前 角 ， 减 少 变 形 和 切 削 力 ；可 保 护 切 削 刃 、 降 低 刀 具 磨 损 。 四 、 抑 制 积 屑 瘤 的 措 施（ 1） 降 低 切 削 速 度 ， 使 温 度 降 低 到 不 易 产 生 粘 结 现 象 ；（ 2） 采 用 高 速 切 削 ， 使 温 度 高 于 积 屑 瘤 消 失 的 极 限 温 度 ；（ 3） 调 整 刀 具 角 度 ， 增 大 刀 具 前 角 ， 减 小 刀 屑 接 触 压 力 ；（ 4） 更 换 切 削 液 ， 使 用 润 滑 性 好 的 切 削

33、 液 和 精 研 刀 具 表 面 ，降 低 磨 擦 ；（ 5） 提 高 工 件 材 料 硬 度 ， 减 小 材 料 硬 化 指 数 。 从 前 面 第 一 和 第 二 变 形 区 的 分 析 可 知 ， 变 形 和 摩 擦是 影 响 切 削 过 程 的 关 键 。 影 响 切 屑 变 形 的 主 要 因 素可 从 以 下 四 方 面 分 析 ： 工 件 材 料 、 刀 具 参 数 、 切 削速 度 和 切 削 厚 度3.5 切 屑 变 形 的 变 化 规 律 1、 工 件 材 料 方 面 工 件 材 料 强 度 愈 高 ， 切 屑 变 形 愈 小 。 原 因 ： 工 件 材 料 强 度 愈 高

34、 ， 减 小 ， 增 大 ,变 形 系 数 减 小 。 工 件 材 料 强 度 对 变 形 系 数 的 影 响 2、 刀 具 方 面 前 角 愈 大 ， 变 形 愈 小 。 原 因 ： 前 角 影 响 切 屑 流 出 方 向 ， 影响 作 用 角 。 o愈 大 ， 愈 小 ， 角 愈 大 ， 变 形 愈 小 。 前 角 对 变 形 系 数 的 影 响 由 图 可 以 看 到 ， 当 刀 具 前 角 O增大 时 ， 沿 刀 面 流 出 的 金 属 切 削 层将 比 较 平 缓 的 流 出 ， 金 属 切 屑 的变 形 也 会 变 小 。 通 过 对 高 速 钢 刀 具 所 作 的 切 削 试验

35、也 证 明 了 这 一 点 。 在 同 样 的 切削 速 度 下 ， 刀 具 前 角 O愈 大 ， 材料 变 形 系 数 愈 小 。 刀 尖 圆 弧 半 径 对 切 削 变 形 也 有 影响 ， 刀 尖 圆 弧 半 径 越 大 ， 表 明 刀尖 越 钝 ， 对 加 工 表 面 挤 压 也 越 大 ，表 面 的 切 屑 变 形 也 越 大 。 3、 切 削 速 度 由 图 可 以 看 出 ， 随 切 削 速 度 变 化 的 材 料 变 形 系 数 曲 线 并 不是 一 直 递 减 ， 而 是 在 某 一 段 有 一 个 波 峰 ， 这 实 际 是 积 屑 瘤产 生 的 影 响 。 所 以 切 削

36、 速 度 对 材 料 变 形 的 影 响 分 为 两 个 段 ，一 个 是 积 屑 瘤 这 一 段 ， 另 一 个 是 无 积 屑 瘤 段 。 积 屑 瘤 段 情 况 （ 中 低 速 ） 在 积 屑 瘤 增 长 阶 段 ， 积 屑 瘤 随 着 切 削 速 度 的 增 大 而 增 大 ， 积屑 瘤 越 大 ， 实 际 刀 具 前 角 也 越 大 ， 切 屑 的 变 形 相 对 减 少 ， 所以 在 此 阶 段 ， 切 削 速 度 增 加 时 ， 材 料 变 形 系 数 也 减 少 。 当增 大 到 一 定 值 时 ， 积 屑 瘤 高 度 Hb和 实 际 前 角 均 达 最 大 值 ， 而 达 到

37、 最 小 值 。 随 着 速 度 的 增 加 ， 积 屑 瘤 增 大 到 一 定 程 度 又 会 消 退 ， 在 消 退阶 段 ， 积 屑 瘤 随 着 切 削 速 度 的 增 加 而 减 小 ， 同 时 ， 实 际 刀 具前 角 也 减 小 ， 材 料 的 变 形 将 增 大 ， 在 积 屑 瘤 完 全 消 退 时 ， 材料 变 形 将 最 大 。 在 无 积 屑 瘤 段 （ 高 速 ） 材 料 变 形 系 数 是 随 着 切 削 速 度 的 增 加 而 减 小 。 主 要 是 因 为塑 性 变 形 的 传 播 速 度 比 弹 性 变 形 的 慢 ， 速 度 低 时 ， 金 属 始剪 切 面

38、为 OA， 当 速 度 增 大 到 一 定 值 时 ， 金 属 流 动 速 度 大 于塑 性 变 形 速 度 ， 在 OA面 金 属 并 未 充 分 变 形 ， 相 当 于 始 剪 切面 后 移 至 OA面 ， 终 剪 切 面 OM也 后 移 至 OM， 第 一 变 形 区 后移 ， 使 得 材 料 变 形 系 数 减 小 。 另 外 ， 速 度 越 大 ， 摩 擦 系 数减 小 ， 材 料 变 形 系 数 也 会 减 小 。 4 切 削 厚 度 下 图 显 示 了 进 给 量 （ 即 切 削 厚 度 ） 对 切 屑 变 形 的 影 响 。在 无 积 屑 瘤 段 ， 进 给 量 f越 大 ，

39、切 削 厚 度 ac 增 加 ， av 增 加 ， 减 小 ， 增 大 ， 材 料 的 变 形 系 数 减 小 。 3.6 切 屑 的 类 型 及 其 变 化 意 义 ： 金 属 切 削 过 程 是 被 切 金 属 层 在 刀 刃 和 前 刀 面 的 作 用 下 ，经 过 挤 压 和 滑 移 变 成 切 屑 (Chip)的 过 程 。 切 屑 从 形 态 、 尺 寸 、 颜 色 以 至 硬 度 都 反 映 了 被 加 工 材料 和 切 削 条 件 对 滑 移 的 影 响 。 研 究 切 屑 的 形 态 不 仅 在 生 产 实 践 上 具 有 重 要 意 义 （ 切屑 处 理 ） ， 而 且 在

40、 理 论 上 也 有 重 要 意 义 。 切 屑 变 形 规律 是 切 削 过 程 中 诸 如 切 削 力 、 切 削 热 和 切 削 温 度 、 刀具 磨 损 等 规 律 的 重 要 理 论 基 础 。 带 状 挤 裂 单 元 崩 碎 由 于 不 同 工 件 材 料 和 切 削 条 件 ， 切 屑 形 态 不 同 ， 常 见 的切 屑 有 四 种 类 型 。 前 三 种 为 切 削 塑 性 材 料 的 切 屑 ， 最 后一 种 为 切 削 脆 性 材 料 的 切 屑 。一 、 切 屑 种 类 1、 带 状 切 屑 最 常 见 。 内 侧 表 面 光 滑 ， 外 侧 表 面 呈 毛 茸 状 ，

41、 用 显 微 镜 观 察 可 见 到 有均 匀 整 齐 的 剪 切 裂 纹 。 被 切 材 料 在 经 过 终 滑 移 线 时 剪 应 力 未超 过 材 料 的 破 裂 强 度 通 常 加 工 塑 性 金 属 材 料 ， 切 削 厚 度 较 小 ， 切 削 速 度 较 高 ， 刀具 前 角 较 大 时 得 到 。 切 削 力 波 动 很 小 ， 切 削 过 程 平 稳 ， 已 加 工 表 面 粗 糙 度 较 小 。 2、 挤 裂 切 屑 外 侧 面 呈 锯 齿 状 ， 内 侧 面 有 时 有 裂 纹 加 工 塑 性 金 属 材 料 ， 切 削 厚 度 较 大 ， 切 削 速 度 较 低 ，刀

42、具 前 角 较 小 时 得 到 。 加 工 硬 化 较 大 ， 在 局 部 剪 应 力超 过 破 裂 强 度 。 切 削 力 波 动 较 大 ， 切 削 过 程 产 生 一 定 的 振 动 ， 已 加 工表 面 较 粗 糙 。 3、 单 元 切 屑 在 挤 裂 切 屑 的 基 础 上 切 削 厚 度 增 大 ， 切 削 速 度 、 前 角 减小 ， 挤 裂 切 屑 的 整 个 剪 切 面 上 的 应 力 都 超 过 了 材 料 的 破裂 强 度 。 使 剪 切 裂 纹 进 一 步 扩 展 而 断 裂 成 单 元 体 。 生 产 中 很 少 见 到 。 可 见 ： 从 带 状 挤 裂 单 元 切

43、 屑 的 变 化 ： 切 削 厚 度 由 小 到大 ， 切 削 速 度 和 刀 具 前 角 由 大 到 小 。 表 面 粗 糙 度 随 切 屑 从 单 元 向 挤 裂 和 带 状 形 态 的 转 变而 逐 步 降 低 。 掌 握 其 变 化 规 律 ， 就 可 改 变 切 屑 形 态 以 达 控 制 切 屑（ 卷 屑 、 断 屑 ） 和 改 善 已 加 工 表 面 质 量 的 目 的 。 4、 崩 碎 切 屑 切 削 脆 性 金 属 材 料 如 灰 铸 铁 时 得 到 的 。 产 生 原 因 ： 材 料 受 到 拉 应 力 已 超 过 其 抗 拉 强 度 。 切 削 力 波 动 甚 大 ， 有

44、 冲 击 负 荷 ， 已 加 工 表 面 凹 凸 不 平 。 改 变 切 削 条 件 ， 如 大 前 角 ， 大 刃 倾 角 ， 小 切 削 厚 度 ， 高切 削 速 度 ， 可 得 到 针 状 切 屑 或 松 散 的 带 状 切 屑 。 此 时 切削 过 程 平 稳 ， 已 加 工 表 面 粗 糙 度 较 小 。 形 成条 件影 响名 称简 图形 态变 形 带 状 ， 底 面 光 滑， 背 面 呈 毛 茸 状 节 状 ， 底 面 光 滑 有 裂纹 ， 背 面 呈 锯 齿 状 粒 状 不 规 则 块 状 颗 粒剪 切 滑 移 尚 未 达到 断 裂 程 度 局 部 剪 切 应 力 达 到 断裂

45、强 度 剪 切 应 力 完 全 达到 断 裂 强 度 未 经 塑 性 变 形 即被 挤 裂加 工 塑 性 材 料 ，切 削 速 度 较 高 ，进 给 量 较 小 ， 刀 具 前 角 较 大 加 工 塑 性 材 料 ，切 削 速 度 较 低 ，进 给 量 较 大 ， 刀 具 前 角 较 小 工 件 材 料 硬 度 较高 ， 韧 性 较 低 ，切 削 速 度 较 低 加 工 硬 脆 材 料 ， 刀 具 前 角 较 小切 削 过 程 平 稳 ，表 面 粗 糙 度 小 ， 妨 碍 切 削 工 作 ，应 设 法 断 屑 切 削 过 程 欠 平 稳 ，表 面 粗 糙 度 欠 佳 切 削 力 波 动 较 大

46、 ，切 削 过 程 不 平 稳 ，表 面 粗 糙 度 不 佳 切 削 力 波 动 大 ， 有冲 击 ， 表 面 粗 糙 度恶 劣 ， 易 崩 刀带 状 切 屑 挤 裂 切 屑 单 元 切 屑 崩 碎 切 屑表 3-1 切 屑 类 型 及 形 成 条 件 带 状 切 屑 挤 裂 切 屑节 状 切 屑 崩 碎 切 屑图 切 屑 形 态 照 片 按 外 形 （ 影 响 切 屑 处 理 和 运 输 ） 带 状 屑 高 速 切 削 塑 性 金 属 ，一 般 应 力 求 避 免 C形 屑 车 削 一 般 碳 钢 和 合 金 钢时 ， 采 用 带 卷 屑 槽 的 车 刀 时 易得 ， 较 好 长 紧 卷 屑

47、 普 通 车 床 上 较 好 发 条 状 卷 屑 重 型 机 床 上 较 好 宝 塔 状 卷 屑 自 动 机 或 自 动 线上 较 好 螺 卷 屑 车 削 脆 性 材 料 较 好 崩 碎 屑 二 、 切 屑 形 状 分 类 （ 国 际 标 准 化 组 织 的 切 屑 分 类 法 ） “ 不 可 接 受 ” 的 切 屑 拉 伤 工 件 的 已 加 工 表 面 ， 使 表 面 粗 糙 度 恶 化 划 伤 机 床 ， 卡 在 机 床 运 动 副 之 间 造 成 刀 具 的 早 期 破 损 甚 至 影 响 操 作 者 的 安 全衡 量 切 屑 可 控 性 的 主 要 标 准 不 妨 碍 正 常 的 加

48、 工 不 影 响 操 作 者 的 安 全 易 于 清 理 、 存 放 和 搬 运切 屑 控 制 措 施 前 刀 面 上 磨 制 断 屑 槽 或 使 用 压 块 式 断 屑 槽 可 转 位 刀 具3.7 切 屑 的 卷 曲 与 折 断 v 为 使 切 削 过 程 正 常 进 行 和 保 证 已 加 工 表 面 质 量 ， 应 使 切屑 卷 曲 和 折 断 。v 切 屑 的 卷 曲 是 切 屑 基 本 变 形 或 经 过 卷 屑 槽 使 之 产 生 附 加变 形 的 结 果 （ 左 图 ） 切 屑 的 卷 曲 断 屑 的 产 生v断 屑 是 对 已 变 形 的 切 屑 再 附 加 一 次 变 形

49、（ 常 需 有 断 屑 装 置 ，右 图 ） 常 用 的 卷 屑 断 屑 方 法 利 用 合 适 的 刀 具 几 何 角 度 （ 加 大 主 偏 角 ， 采 用较 小 的 正 前 角 ， 选 用 小 的 负 刃 倾 角 ） 磨 出 断 屑 台 采 用 卷 屑 槽 断 屑 采 用 卷 屑 槽 断 屑卷 屑 槽 形 状 ： 直 线 圆 弧 形 直 线 形 全 圆 弧 形 （ 紫 铜 ， 不 锈 钢 等 高 塑 性 材 料 ）碳 素 钢 ， 合 金 结 构 钢 ， 工 具 钢 影 响 断 屑 的 因 素 被 切 削 材 料 的 影 响 （ 脆 性 愈 大 ， 断 屑 愈 容 易 ） 切 削 用 量

50、的 影 响 （ v大 断 屑 困 难 ， ap增 大 断 屑 困 难 ，f增 大 断 屑 容 易 ） 刀 具 角 度 的 影 响 （ o增 大 断 屑 困 难 ； r增 大 断 屑 容易 ； 刀 尖 圆 角 半 径 越 大 断 屑 困 难 。 ） 思 考 题金 属 切 削 过 程 的 三 个 变 形 区 有 何 特 点 ?它 们 之 间 有 什 么 关 联 ？如 何 表 示 切 屑 变 形 程 度 ?影 响 切 屑 变 形 有 哪 些 因 素 ?各 因 素 如何 影 响 切 屑 变 形 ?积 屑 瘤 是 如 何 产 生 的 ?积 屑 瘤 对 切 削 过 程 有 何 影 响 ?刀 具 前 刀 面

51、 上 的 摩 擦 有 何 特 点 ？ 影 响 前 刀 面 磨 擦 系 数 的 主 要因 素 有 哪 些 ？某 工 厂 车 工 师 傅 在 粗 加 工 一 件 零 件 时 ， 他 采 用 了 在 刀 具 上 产生 积 屑 瘤 的 加 工 方 法 ， 而 在 精 加 工 时 ， 他 又 努 力 避 免 积 屑 瘤 的产 生 ， 请 问 这 是 为 什 么 ？ 在 防 止 积 屑 瘤 方 面 ， 你 认 为 能 用 哪 些方 法 。 小 结 塑 性 金 属 的 切 削 过 程 定 义 ， 三 个 变 形 区 特 征 切 屑 变 形 的 度 量 （ 变 形 系 数 、 相 对 滑 移 ） 积 屑 瘤 对 切 削 过 程 的 影 响 （ 有 利 有 弊 ） 剪 切 角 和 前 面 摩 擦 角 以 及 前 角 的 关 系 各 因 素 对 切 屑 变 形 和 刀 屑 间 磨 擦 的 影 响 切 屑 的 类 型 、 特 征 ， 影 响 切 屑 卷 曲 与 折 断 的 因 素