机械制造技术基础 第二版 §3.2 金属切削过程中的变形

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1、3.23.2金属切削过程中的变形金属切削过程中的变形一、切屑的形成过程一、切屑的形成过程1.变形区的划分变形区的划分切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：(3)(3)第三变形区第三变形区 已加工表面已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成表层金属的挤压和摩擦，造成表层金属纤维化与加工硬化。这一区域纤维化与加工硬化。这一区域( (图中图中区区) )称为第三变形区。称为第三变形区。(

2、2)(2)第二变形区第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化、基本上和前刀面压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化、基本上和前刀面平行。这一区域图中平行。这一区域图中区区) )称为第二变形区。称为第二变形区。(1)(1)第一变形区第一变形区 从从OAOA线开始发生塑性变形，到线开始发生塑性变形，到OMOM线金属晶粒线金属晶粒的剪切滑移基本完成。的剪切滑移基本完成。OAOA线和线和OMOM线之间的区域线之间的区域( (图中图中I I区区) )称为称为第一变形区。第一变形区。n1 1）在第一变形区内，变形的主要特征就

3、是沿滑移线的剪切在第一变形区内，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。变形，以及随之产生的加工硬化。 P P点金属在切削过程中向刀具移动，到达点点金属在切削过程中向刀具移动，到达点1 1时，其剪应力达到材时，其剪应力达到材料的屈服强度。过点料的屈服强度。过点1 1后，后，P P点在继续向前移动的同时，也沿点在继续向前移动的同时，也沿OAOA滑移，滑移，合成运动特使其从点合成运动特使其从点1 1流动到点流动到点2 2，222 2就是它的滑移量。随着滑就是它的滑移量。随着滑移的产生，剪应变将逐渐增加，直到移的产生，剪应变将逐渐增加，直到P P点金属移动到超过点点金属移动到超

4、过点4 4位置后，位置后，其流动方向与前刀面平行，不再沿滑移线滑移其流动方向与前刀面平行，不再沿滑移线滑移. .OAOA、OB,OMOB,OM线都是等剪应力线都是等剪应力曲线。曲线。 OAOA称作始滑移线，称作始滑移线，OMOM称作终滑移线。称作终滑移线。 在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02mm0.02mm0.2mm0.2mm，切削速度越高、其宽度越小，故可，切削速度越高、其宽度越小，故可近似看成一个平面，称剪切面。近似看成一个平面，称剪切面。 剪切面与切削速度间的夹角称剪切角，以剪切面与切削速度间的夹角称剪切角，以表示表示。 当金属沿

5、滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。 2)2)第二变形区的变形第二变形区的变形及其特征及其特征3)3)第三变形区变形及加工第三变形区变形及加工表面质量表面质量 由于刀刃有钝圆半径由于刀刃有钝圆半径rbrb，整个切削层厚度整个切削层厚度acac中，将中，将有一层金属有一层金属 a a无法沿无法沿OMOM方方向滑移，而是从刀刃钝园向滑移，而是从刀刃钝园部分部分O O点下面挤压过去，即点下面挤压过去，即切削层金属在切削层金属在O O点处分离为点处分离为两部分。两部分。已加工表面的形成过程 如果将三个变形区联系起来如果将三个变形区联系起来: : 当切削层金属进入

6、第一变形区时，当切削层金属进入第一变形区时，晶粒因压缩而变长，因剪切滑移而倾晶粒因压缩而变长，因剪切滑移而倾斜斜; ; 当切削层金属逐渐接近刀刃时，晶当切削层金属逐渐接近刀刃时，晶粒更伸长，成为包围刀刃周围的纤维粒更伸长，成为包围刀刃周围的纤维层层; ; 最后在最后在O O点断裂，点断裂，一部分金属成为切一部分金属成为切屑沿前刀面流出，另一部分金属绕过屑沿前刀面流出，另一部分金属绕过刀刃沿后刀面流出，并继续经受变形刀刃沿后刀面流出，并继续经受变形而成为已加工表面的表层。而成为已加工表面的表层。 已加工表面表层的金属纤维被拉伸得更长更细已加工表面表层的金属纤维被拉伸得更长更细; ; 其纤维方向平

7、行于已加工表面其纤维方向平行于已加工表面. . 这个表层的金属具有与基体组织不同的性质，所以这个表层的金属具有与基体组织不同的性质，所以称为加工变质层。称为加工变质层。2.切屑的受力分析切屑的受力分析n在直角自由切削的情况下，在直角自由切削的情况下，作用在切削上的力有：作用在切削上的力有： 前刀面上的法向力前刀面上的法向力Fn,Fn,摩擦力摩擦力F Ff f，正压力，正压力FnsFns，剪切力，剪切力FsFs，这两对力的合力互相平衡。这两对力的合力互相平衡。n如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力FcFc和和FpFp，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力，

8、在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可由上式推导求得前刀面对切屑的条件下，即可由上式推导求得前刀面对切屑作用的摩擦角作用的摩擦角，进而可近似求得前刀面与切，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数屑间的摩擦系数。二、切削变形程度二、切削变形程度 1.1.变形系数变形系数h h 变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸变化大小表示切屑的外形尺寸变化大小 切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后, ,与切与切削层比较削层比较, ,它的长度缩短它的长度缩短lchlchlclc , ,厚度增加即厚度增加即h h

9、chchh hD D（宽度不变（宽度不变),),这种切屑外形尺寸变化的变形现这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为象称为切屑的收缩切屑的收缩。变形系数。变形系数h h表示切屑收缩的表示切屑收缩的程度程度, ,即即: : （2 2） 式中式中 LcLc、hDhD切屑层长度和厚度；切屑层长度和厚度； LchLch、hchhch切屑长度和厚度。切屑长度和厚度。 测量出切削层和切屑的长度和厚度测量出切削层和切屑的长度和厚度, ,能方便地能方便地求出变形系数求出变形系数 h h 。2.2.相对滑移相对滑移 相对滑移相对滑移是用来量度第是用来量度第变形区滑移变形的程度。变形区滑移变形的程度。如图，设切削层中如

10、图，设切削层中ABAB线沿剪切面滑移至线沿剪切面滑移至A AB B时的距离为时的距离为，事实上，事实上很小，很小，可认为滑移是在剪切面上进可认为滑移是在剪切面上进行，滑移量为行，滑移量为s s。相对滑移。相对滑移表示为：表示为： 用相对滑移用相对滑移的大小能的大小能比较真实地反映切削变形比较真实地反映切削变形程度。程度。)tan(cot yBCCEysn3.3.剪切角剪切角 剪切角剪切角与切削变形有密切关系，我们也可以用剪切角与切削变形有密切关系，我们也可以用剪切角来来衡量切削变形的程度。衡量切削变形的程度。 在剪切面上，金属产生了滑移变形，在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面

11、上。最大剪应力就在剪切面上。 主应力方向与最大剪应力方向的夹角应主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为为4545，即，即FsFs与与F F的夹角应为的夹角应为4545，故有：，故有： n分析上式知：分析上式知：n1)1)前角前角r ro o增大时，剪切角增大时，剪切角随之增大，变形随之增大，变形减小减小. .这表明增大刀具前角可减少切削变形，这表明增大刀具前角可减少切削变形，对该善切削过程有利。对该善切削过程有利。n2)2)摩擦角摩擦角增大时，剪切角增大时，剪切角随之减小，变随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小的刀面和切屑之间