1、一、切屑的形成过程 1. 变形区的划分 切削层金属形成切屑的过程就是在刀具作用下被加工材料发生变形的过程。,第二节 金属切削过程中的变形,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,图2-10是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图，流线是被切金属在切削过程中流动的轨迹。,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域。,（1）第一变形区 被切金属向右运动进入OA线开始发生塑性变形， 到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,从OA线到OM线的区域（图中区）称为第一变形区
2、。,（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，使靠近前刀面处的金属纤维化。,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,基本上和前刀面平行的这一区域（图中区）称为第二变形区。,（3）第三变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成表层金属纤维化与加工硬化。,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,这一区域（图中区）称为第三变形区。,在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化。,图2-11 第一变形区金属的剪切滑移,图中，OA、OB和OM等都是等剪应力曲线。 OA称作始滑移线，OM称作终滑移线。,当金属沿
3、滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。但晶粒伸长的方向与滑移方向是不重合的，它们之间的夹角为 。,图2-12 滑移与晶粒的伸长,在一般切削速度下，第一变形区的宽度仅为0.020.2mm, 故常用一剪切面来表示。,晶粒纤维化的方向,剪切面方向,剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角，以 表示。图2-13为模拟塑性金属切屑形成过程。,图2-13 切屑形成过程示意图,当刀具切入时，卡片之间滑移的方向就是剪切面的方向。,2. 切屑的受力分析 如图2-14所示，在直角自由切削的情况下，分别,图2-14 作用在切屑上的力,作用在切屑和剪切面上各有一对力，即前刀面上的切削合力与剪切面上的抵抗合力。,图2-15 直
4、角自由切削时力与角度的关系,若假定这两个合力互相平衡，则可将上述两对力都画在切削刃的前方（图2-15）, 其中F是Ff和Fn的合力，称为切屑形成力。,AD表示切削层公称横截面积, As表示剪切面的面积, 表示剪切面上的剪应力,则,由图2-15知，,（2-10）,（2-9）,（2-8）,二、切削变形程度 切削变形程度有三种不同的表示方法。 1. 变形系数h,图2-16 变形系数h的计算,在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都要大于工件上切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削层长度lc，如图2-16所示。,图2-16 变形系数h的计算,切屑厚度 hch与切削层厚度 hD之比称为厚度变形系
5、数ha；而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数hl。由图2-16知,（2-11）,由于切削层变成切屑后，宽度变化很小，切削前后的体积可看作不变，故,变形系数h的值是大于1的数, 它直观地反映了切屑的变形程度，h越大，变形越大。因为h值易于测量，所以在生产实际中应用较广。,2. 相对滑移 既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移 来衡量切削过程,图2-17 剪切变形示意图,的变形程度。图2-17中，平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，其相对滑移为,（2-12）,3. 剪切角 由式（2-11）知，剪切角 与切削变形h有密切关系。, 增大，
6、切削变形h减小，因此也可以用剪切角 来衡量切削变形的程度。,（2-11）,在剪切面上金属产生了滑移变形，最大切应力就在剪切面上。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大切应力方向的夹角应为45，故有,（2-13）,则,图2-15 直角自由切削时力与角度的关系,分析上式可知： 1）前角o增大时，剪切角 随之增大，使切削变形减小。 2）摩擦角增大时，剪切角 随之减小，使切削变形增大。,（2-13）,三、前刀面上的摩擦,图2-18 刀屑界面上正应力和切应力的分布,如图2-18所示为切削钢材时，刀具对切屑产生的正应力 和切向应力 沿前刀面的分布。,图2-18 刀屑界面上正应力和切应力的分布,在切
7、屑与刀具前刀面接触的OB长度内存在两种不同的接触状态。,在一般切削条件下，粘结接触区的摩擦力占前刀面上总摩擦力的85%，故在研究前刀面上的摩擦时，应以粘结接触区的摩擦为主要依据。 粘结接触区距切削刃为x处的摩擦因数,式中 (x)前刀面上距切削刃为x处的正应力。,由于 (x)随x变化，故在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦因数是一个变值，离切削刃越远，摩擦因数越大，其平均摩擦因数,式中 Fz、Fnz粘结接触区的摩擦力和正压力； bD 切削层公称宽度； av粘结接触区平均正应力。,（2-14）,四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 1. 积屑瘤的形成及其影响,在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加
8、工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块，它的硬度很高，通常是工件材料硬度的23倍，这块粘附在前刀面上的金属称为积屑瘤。,图2-19 积屑瘤前角b和伸出量hD,积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度和压力分布有关。,图2-20 积屑瘤高度与切削速度的关系,在背吃刀量 ap和进给量 f 保持一定时，积屑瘤高度Hb与切削速度vc有密切关系（参见图2-20）。,2. 积屑瘤对切削过程的影响,（1）刀具实际前角变大（见图2-19），使切削力减小。 （2）切削厚度变化，影响加工尺寸，hD值变化将导致切削力产生波动。,图2-19 积屑瘤前角b和伸出量hD,（3
9、）加工表面粗糙度增大，破裂脱落的积屑瘤也有可能嵌入加工表面，使加工表面质量下降。在精加工时要特别注意。 （4）对刀具寿命有影响，积屑瘤相对稳定时可代替刀刃切削，有减小刀具磨损、提高刀具寿命的作用；但反之有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，使刀具寿命下降。,精加工时防止积屑瘤产生的控制措施有： 1）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域； 2）使用润滑性能好的切削液； 3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力； 4）适当提高工件材料硬度, 减小加工硬化倾向。,五、影响切屑变形的因素,1. 工件材料 实验结果表明，工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和前刀面的接触面积
10、减小，前刀面上的平均正应力av增大，前刀面与切屑间的摩擦因数减小（见式2-14）, 摩擦角减小，剪切角增大（见式2-13），变形系数h将随之减小。,2. 刀具前角o 由式（2-13）知，增大刀具前角o ，剪切角 将随之增大，变形系数h将随之减小；但o增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力av减小，使摩擦角 和摩擦因数 增大（见式2-14）而导致 减小。由于后者影响较小， h还是随o的增加而减小。,3. 切削速度 在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度vc越大，变形系数h越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度越高，切削变形越不充分，导致变形系数h下降；此外
11、，提高切削速度还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度s因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数减小，使变形系数h下降。,4. 切削层公称厚度hD 在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削层公称厚度hD越大，变形系数h越小。这是由于hD增大时，前刀面上的法向压力Fn及前刀面上的平均正应力av随之增大，前刀面摩擦因数随之减小，剪切角 随之增大，所以h随hD增大而减小。,第三节 切屑的类型及控制,一、切屑的类型 由于工件材料以及切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而切削过程中产生的切屑形态是多种多样的。 切屑的形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎四种基本类型。,（1）带状切屑 这是最常见的一
12、种切屑。它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。,形成带状切屑时，切削过程最平稳，切削力波动小，已加工表面粗糙度较小。,图2-21 带状切屑,（2）节状切屑 又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。,形成节状切屑时，切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗糙度较大。,图2-21b） 节状切屑,（3）粒状切屑 又称单元切屑。在以极低切削速度切削塑性材料时，若剪切面上的切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。,形成粒
13、状切屑时，切削力波动大，已加工表面粗糙度高。,图2-21c） 节状切屑,（4）崩碎切屑 切削脆性金属时,由于材料塑性很小、抗拉强度较低,刀具切入后，切削层金属在刀具前刀面的推挤下，未经明显的塑性变形就在拉应力作用下脆断，形成形,状不规则的崩碎切屑。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。形成崩碎切屑时，切削力幅度小，但波动大，加工表面凸凹不平。,图2-21d） 崩碎切屑,带状、节状和粒状切屑是加工塑性金属时常见的三种切屑类型，这三种切屑类型可以随切削条件变化而相互转化。 例如，在形成节状切屑工况条件下，如进一步减小前角，或加大切削厚度，就有可能得到粒状切屑；反之，加大前角，减小切削厚度，就
14、可得到带状切屑。,二、切屑类型控制 在生产实践中，不良的排屑状态可能会划伤工件已加工表面或机床；或造成刀具的早期磨损，限制高效机床能力的发挥；甚至威胁着操作者的安全，影响生产的正常进行。 因此控制切屑的类型和流向具有重要意义，这在自动化生产线上加工时尤为重要。,进行切屑控制，是指在切削加工过程中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使之形成“可接受”的良好屑形。 衡量切屑可控性的标准是，不妨碍正常加工；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运。 图2-22所示为切屑碰到工件或刀具后刀面折断的情况。,图2-22 切屑碰到工件或刀具后刀面折断的情况,研究表明，工件材料脆性越大、切屑厚度越大、
15、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断,图2-23 断屑槽截面形状,可采取以下措施对切屑实施控制。 （1）采用断屑槽 断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则会影响断屑效果。,折线形,直线圆弧形,全圆弧形,图2-24 前刀面上的断屑槽形状,（2）改变刀具角度 增大刀具主偏角或减小刀具前角，均有利于断屑。刃倾角可以控制切屑的流向。,平行式,外斜式,内斜式,（3）调整切削用量 提高进给量使切削厚度增大，对断屑有利，但对加工表面质量不利； 适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但会降低材料切除率。 因此必须根据实际条件适当选择切削用量。,第四节 切 削 力,在切削加工中，切削力是一个非常
16、重要的参数，切削热、刀具磨损等物理现象都与切削力有关。切削力还是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。,一、切削力与切削功率 1. 切削力,切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。,图2-25 加工材料发生变形所需克服的力,使被加工材料发生变形所需克服的力主要是： 1）切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。,2）刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件表面间的摩擦阻力。,图2-25 加工材料发生变形所需克服的力,2. 切削合力与分力 图2 -26所示为车削外圆时，如忽略副切削刃的切削作用及其它影响因素，作用在车刀上的合力应在其正交平面内。 为便于测量和应用，可将作用在
17、车刀切削部位上的合力分解为三个互相垂直的分力。,图2-26 切削合力和分力,切削力Fc（主切削力、切向力）垂直于基面，与切削速度的方向一致。,图2-26 切削合力和分力,Fc是计算切削功率和设计机床的主要依据。,背向力Fp（切深抗力、径向力）平行于基面，并与进给方向相垂直。,图2-26 切削合力和分力,Fp会使机床加工系统(含机床、刀具和工件)变形或引起振动，影响加工精度和已加工表面质量。,进给力Ff（轴向力）平行于基面，并与进给方向相平行。,图2-26 切削合力和分力,Ff是设计机床进给机构或校核其强度的主要依据。,在上述三个分力中： Fc值最大， Fp (0.15 0.7) Fc ， Ff
18、 (0.1 0.6) Fc 。 由图2-26可知：,（2-15）,3. 切削功率 消耗在切削过程中的功率称为切削功率，用Pc （单位：kW）表示。在车削外圆时, Fp不作功,故切削功率应为Fc和Ff作功所消耗的功率之和。,（2-16）,上式中由于Ff 小于Fc，而Ff方向的进给速度又很小，因此所消耗的功率与第一项相比很小（一般小于12%），可忽略不计。 故一般切削功率可按下式计算即可。,（2-17）,根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率（m= 0.75 0.85）。 机床电动机的功率 PE 应为,（2-18）,4. 单位切削力的概念 单位切削面积上的切削力（N/mm2）称为单位切削力，用kc表示： 若已知单位切削力 kc，即可通过式（2-19）计算切削力Fc 。,（2-19）,
