金属切削的变形过程.ppt

第三章第三章 金属切削的变形过程金属切削的变形过程3.1 3.1 研究金属切削变形过程的意义和方法研究金属切削变形过程的意义和方法一、意义一、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。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时削热与切削温度、刀具磨损等，它们产生的根本原因时切削过程中的弹性变形和塑性变形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。高生产率和降低成本。二、二、研究切削变形的实验方法研究切削变形的实验方法p侧面变形观察法侧面变形观察法p高速摄影法高速摄影法p快速落刀法快速落刀法pSEMSEM观察法观察法p光弹性、光塑性实验法光弹性、光塑性实验法p其它方法，如：其它方法，如：X X射线衍射等射线衍射等直角切削直角切削没有副刃参加切削，且没有副刃参加切削，且s s =0=0。图 a）、b）、c）直角、斜角自由切削与非自由切削a）直角切削直角切削b）斜角切削斜角切削c）不自由切削不自由切削3.2 3.2 金属切削层的变形金属切削层的变形 切切屑屑的的形形成成与与切切离离过过程程，是是切切削削层层受受到到刀刀具具前前刀刀面面的的挤挤压压而而产产生生以以剪切滑移为主的塑性变形过程。剪切滑移为主的塑性变形过程。FABOM45a）正挤压正挤压FABOM45b）偏挤压偏挤压OMFc）切削切削 正正挤挤压压：金金属属材材料料受受挤挤压压时时，最最大剪应力方向与作用力方向约成大剪应力方向与作用力方向约成4545 偏偏挤挤压压：金金属属材材料料一一部部分分受受挤挤压压时时，OBOB线线以以下下金金属属由由于于母母体体阻阻碍碍，不不能沿能沿ABAB线滑移，而只能沿线滑移，而只能沿OMOM线滑移线滑移 切切削削：与与偏偏挤挤压压情情况况类类似似。弹弹性性变变形形剪剪切切应应力力增增大大，达达到到屈屈服服点点产产生生塑塑性性变变形形，沿沿OMOM线线滑滑移移剪剪切切应应力力与与滑滑移移量量继继续续增增大大，达达到到断断裂裂强强度度切屑与母体脱离。切屑与母体脱离。OMOM平面是剪切平面平面是剪切平面图 金属挤压与切削比较挤压与切削挤压与切削一、切屑的形成过程一、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：=s剪切角金属切削变形过程金属切削变形过程金属切削变形过程金属切削变形过程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、变形区的划分二、变形区的划分金属切削过程中金属切削过程中滑移线滑移线和和流线流线示意图示意图 第第变形区：变形区：即剪切变形即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。集中于此区域。图图 切削部位三个变形区切削部位三个变形区 第第变形区：变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变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。原因。三个变形区三个变形区 第第变形区：变形区：靠近前刀面靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压处，切屑排出时受前刀面挤压与与摩擦摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的。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。主要原因。第第变形区：变形区：从从OAOA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到OMOM线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，AOMAOM区域叫第一变形区。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，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。伴随产生加工硬化。第一变形区是金属切削变形过程中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，宽度仅部分功率。此区域较窄，宽度仅0.020.020.20.2。第第变形区：变形区：刀刀屑接触区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剪切滑移。粒进一步剪切滑移。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。面，有时有滞流层。切屑与前刀面的压力很大，高达切屑与前刀面的压力很大，高达2 23GPa3GPa，由此摩擦产生，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。底部与刀具前刀面发生粘结现象。粘结现象时的摩擦状况粘结现象时的摩擦状况第第变形区：变形区：刀刀工接触区。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，晶粒进一步剪切滑移。进一步剪切滑移。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。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。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 切屑经过刀刃钝圆切屑经过刀刃钝圆B B点后，受到后刀面点后，受到后刀面BCBC段的挤压和摩擦，段的挤压和摩擦，经过经过BCBC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为h h，在恢复过程中又与后刀面在恢复过程中又与后刀面CDCD部分产生摩擦，这部分切削层部分产生摩擦，这部分切削层在在OBOB，BCBC，CDCD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加段的挤压和摩擦后，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。影响。p设设切切削削层层中中某某点点P P向向切切削削刃刃逼逼近近，到到1 1点点时时切切应应力力达达到到材材料料剪剪切切屈屈服服强强度度 s s（=s s），1 1点点向向前前移移动动的的同同时时，也也沿沿剪剪切切方方向向滑滑移移，其其合合成成运运动动轨轨迹迹从从1 1点点运运动动到到2 2点点而不是而不是2 2 点，点，2 22 2是滑移距离是滑移距离pP P点点继继续续逼逼近近刀刀刃刃，由由于于硬硬化化现现象象，剪剪应应力力增增大大，因因此此P P点点经经过过12341234，到到达达4 4点点时时剪剪切切滑滑移移结结束束，沿沿平平行前刀面方向流出成为切屑。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三、第一变形区内金属的剪切变形位位 置置P12（3）44以后以后应力状态应力状态 s s无剪应力无剪应力流动方向流动方向切削速度切削速度v合成运动合成运动合成运动合成运动合成运动合成运动前刀面前刀面区区 域域切削层金属切削层金属第一变形区第一变形区切屑切屑金属切削的形成金属切削的形成过程过程.swfv金属在第一变形区滑移过程金属在第一变形区滑移过程p切切削削层层金金属属是是在在AOMAOM区区内内通通过过剪剪应应力力产产生生滑滑移移变变成成切屑切屑 (Chip)(Chip)的。的。AOMAOM区叫做第一变形区。区叫做第一变形区。p OAOA线叫始滑移线，线叫始滑移线，OMOM线叫终滑移线。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。其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。p晶晶粒粒滑滑移移：切切削削层层金金属属的的变变形形，从从晶晶体体结结构构看看，就就是是沿沿晶晶格中晶面的滑移。格中晶面的滑移。p在在一一般般速速度度范范围围内内，第第一一变变形形区区宽宽度度仅仅0.20.2 0.02mm0.02mm，所所以以可看成一个面可看成一个面即剪切面即剪切面。剪切面与切削速度之夹角剪切面与切削速度之夹角叫叫剪切角剪切角，以，以 表示。表示。刀具刀具切屑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假定金属晶粒为圆形，受剪应力后晶格中受剪应力后晶格中晶面滑移晶面滑移，粒，粒变变椭圆形椭圆形，ABAB变为长轴变为长轴A A B B；随剪应力增大，晶格纤维化，随剪应力增大，晶格纤维化，A A B B 成为纤维化方向成为纤维化方向 。但。但纤维化方向纤维化方向与与晶粒滑移方向晶粒滑移方向不不一致，它们成一一致，它们成一 角。角。卡片模型卡片模型切切削削层层金金属属就就象象一一摞摞卡卡片片，在在刀刀具具作作用用下下受受剪剪应应力力后后沿沿卡卡片间滑移片间滑移而成为切屑。滑移方向就是而成为切屑。滑移方向就是剪切面方向剪切面方向。卡片模型p剪切角剪切角 p剪应变剪应变 p变形系数变形系数 p刀屑接触长度刀屑接触长度 L L四、变形程度的表示方法四、变形程度的表示方法1 1、剪切角、剪切角 在在相相同同切切削削条条件件下下，剪剪切切角角越越大大，剪剪切切面积越小，切屑厚度越小，变形越小面积越小，切屑厚度越小，变形越小。剪剪切切角角 可可采采用用快快速速落落刀刀实实验验获获得得切切屑屑根部照片再测量得到，比较麻烦。根部照片再测量得到，比较麻烦。o二、剪应变二、剪应变 平行四边形平行四边形OHNMOHNM剪切变形为剪切变形为OGPMOGPM，按剪应变即相对滑移关系有按剪应变即相对滑移关系有=s/s/y y，而而 s=NPs=NP，y=MK y=MK 故故=NP/MK=(NK+KP)/MK=NP/MK=(NK+KP)/MK=ctgctg +tg(+tg(-0 0)剪切变形示意图变形系数求法三、变形系数三、变形系数（克赛）（克赛）由实验和生产可知，切屑厚度由实验和生产可知，切屑厚度 a achch 大大于切削层厚度于切削层厚度a ac c，切屑长度切屑长度 l lchch 小于切小于切削层长度削层长度 l lc c。长度变形系数长度变形系数 L L切削层长度切削层长度l lc c与切与切屑长度屑长度l lchch之比之比 L L=l=lc c/l/lchch 厚度变形系数厚度变形系数 a a=a=achch/a/ac c忽略切屑宽度的变化，有忽略切屑宽度的变化，有 a a=L L=大于大于1 1，值大表示切屑越厚越短，值大表示切屑越厚越短，变形越大变形越大变形系数变形系数 能直观反映切屑的变形程能直观反映切屑的变形程度，且容易求得，生产中常用。度，且容易求得，生产中常用。变形系数变形系数、剪切角、剪切角 和剪应变和剪应变 的关系的关系 以上是按纯剪切观点提出的，而切削过程是复杂的，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。既有剪切又有挤压和摩擦的作用。显然以上理论有局限性。如如=1=1时，时，a achch=a=ac c，似乎切屑没有变形，但事实上切屑有相似乎切屑没有变形，但事实上切屑有相对滑移存在。也只当对滑移存在。也只当1.51.5时，时，与与基本成正比。基本成正比。四、刀屑接触长度四、刀屑接触长度l l o3.3 3.3 前刀面的挤压与磨擦及其前刀面的挤压与磨擦及其 对切屑变形的影响对切屑变形的影响 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。前刀面的切屑底层进一步变成第二变形区。特征：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；切屑发生弯曲；刀刀屑接触区温度升高；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，从而影响第一第二变形区的挤压和摩擦影响切屑的流出，从而影响第一变形区金属的变形，影响剪切角的大小。变形区金属的变形，影响剪切角的大小。粘粘结结区区：高高温温高高压压使使切切屑屑底底层层软软化化，粘粘嵌嵌在在前前刀刀面面高高低低不不平平的的凹凹坑坑中中，形形成成长长度度为为l lfifi的的粘粘接接区区。切切屑屑的的粘粘接接层层与与上上层层金金属属之之间间产产生生相相对对滑滑移移，其间的摩擦属于内摩擦。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。与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。滑滑动动区区：切切屑屑在在脱脱离离前前刀刀面面之之前前，与与前前刀刀面面只只在在一一些些突突出出点点接接触触，切切屑屑与与前前刀刀面面之之间间的摩擦属于外摩擦。的摩擦属于外摩擦。lfolfi特点特点两个摩擦区两个摩擦区一、作用在切屑上的力、剪切角一、作用在切屑上的力、剪切角 与前刀面上摩擦角与前刀面上摩擦角 的关系的关系前刀面上：法向力前刀面上：法向力F Fn n和摩擦力和摩擦力F Ff f；剪切面上：正压力剪切面上：正压力F Fnsns剪切力剪切力F Fs s两对力平衡两对力平衡。作用在切屑上的力及其与角度关系pF Fr r切切削削合合力力；F Fn n与与F Fr r的的夹夹角角，即即摩摩擦擦角角；=tg 为为前刀面的摩擦系数前刀面的摩擦系数pF Fz z F Fr r在在切切削削运运动动方方向向的的分分力力；F Fy y F Fr r与与切切削削运运动动方方向向垂垂直的分力。可由公式计算直的分力。可由公式计算p切削合力切削合力F Fr r与剪切力与剪切力F Fs s之夹角为之夹角为 (+-0 0)，由材力知，由材力知 (-0 0)为为切切削削合合力力F Fr r 与与切切削削速速度度方方向向的的夹夹角角，称称作作用用角角，以以 表示。表示。可得如下结论：可得如下结论：前前角角 o o 增增大大时时，增增大大，变变形形减减小小。故故在在保保证证刀刀刃刃强强度度条条件件下下增增大大前前角角可可以以改改善善切切削削过过程程（降降低低切切削削力、温度、提高表面质量等）；力、温度、提高表面质量等）；摩摩擦擦角角 增增大大时时，减减小小，变变形形增增大大。故故提提高高刀刀具具刃刃磨磨质质量量、使使用用切切削削液液可可减减小小前前刀刀面面上上的的摩摩擦擦，对对切削过程有利。切削过程有利。二、二、前刀面上的摩擦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切削塑性材料时刀刀屑屑接触区的摩接触区的摩擦示意图。可见，擦示意图。可见，刀刀屑屑接触面分接触面分两个区域：两个区域：粘结区和滑动区粘结区和滑动区。刀具前刀面的摩擦特性刀具前刀面的摩擦特性 ，法应力法应力 =s 剪应力剪应力，=O A B 刀具刀具OA 粘结区粘结区AB 滑动区滑动区pOA粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的pAB滑动区（外摩擦区）滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数：摩擦系数是常数p粘结区粘结区内摩擦内摩擦p切切塑塑性性金金属属时时，切切屑屑与与前前刀刀面面间间高高温温(几几百百度度)、高高压压（2-3GPa2-3GPa）使使切切屑屑底底部部与与前前刀刀面面间间发发生生粘粘结结，亦亦称称“冷焊冷焊”；p粘粘结结区区并并非非一一般般的的外外摩摩擦擦，而而是是粘粘结结层层金金属属与与相相邻邻切切屑屑较上层之间的较上层之间的晶粒相对剪切滑移，属内摩擦晶粒相对剪切滑移，属内摩擦。p单位切向力单位切向力 =材料的剪切屈服极限材料的剪切屈服极限 s s滑动区滑动区外摩擦外摩擦p 单位切向力由单位切向力由 s s 逐渐减小到逐渐减小到0 0。p 刀刀屑屑接接触触面面上上正正应应力力 在在刀刀尖尖处处最最大大，逐逐渐渐减小到减小到0 0。三、影响前刀面三、影响前刀面摩擦系数的主要因素摩擦系数的主要因素p工件材料：强度硬度增大，工件材料：强度硬度增大，减小（减小（V V不变时，温度升高）不变时，温度升高）p切削厚度：切削厚度增大，正应力增大，切削厚度：切削厚度增大，正应力增大，减小减小p切削速度：切削速度：低速，低速，V V大，大，越大；高越大；高速，速，V V大，大，越小越小p刀具前角：刀具前角：o o 增大，正应力减小，增大，正应力减小，越大越大切切削削速速度度：在在不不同同v v范范围围，影影响响不不同同。v v低低时时，温温度度较较低低，前前刀刀面面与与切切屑屑底底层层不不易易粘粘结结。粘粘结结情情况况随随速速度度的的增增大大而而发发展展，使使 增增大大；当当v v超超过过一一定定值值时时，温温度度升升高高，使使材材料料塑塑性性增增大大，流流动动应应力力减减小小，故故 降低。降低。p积积屑屑瘤瘤由由于于刀刀屑屑接接触触面面的的摩摩擦擦，当当切切削削速速度度不不高高又又形形成成连连续续切切屑屑时时，加加工工钢钢料料和和其其它它塑塑性性材材料料时时，常常常常在在刀刀刃刃处处粘粘着着剖剖面面呈呈三三角角状状硬硬块块。硬硬度度为为工工件件硬硬度度的的2-32-3倍，这块金属被称为积屑瘤。叫积屑瘤。倍，这块金属被称为积屑瘤。叫积屑瘤。p形成原因：形成原因：高温、高压，粘结、冷焊高温、高压，粘结、冷焊3.4 3.4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 一、积屑瘤的成因：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，也就是常说的是常说的“冷焊冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层生内摩擦，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。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。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。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，此时积屑瘤实验证明：形成积屑瘤有一最佳切削温度，此时积屑瘤高度高度H Hb b最大，当温度高于或低于此温度时，积屑瘤高度皆最大，当温度高于或低于此温度时，积屑瘤高度皆减小。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。与温度的关系。积屑瘤高度积屑瘤高度H Hb b与与v vc c的关系的关系二、积屑瘤对金属切削过程产生的影响（二、积屑瘤对金属切削过程产生的影响（P44P44）：（1 1）实际刀具前角增大实际刀具前角增大;（2 2）实际切削厚度增大实际切削厚度增大；（3 3）加工后表面粗糙度增大加工后表面粗糙度增大；（4 4）影响）影响切削刀具的耐用度切削刀具的耐用度；1 1、实际刀具前角增大、实际刀具前角增大刀具前角刀具前角o o指前刀面与基面之间的夹角。如图所示，指前刀面与基面之间的夹角。如图所示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个b b角度，如角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大增大,现为现为o o b b 。刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作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，切削瘤的高度用。而且，切削瘤的高度H Hb b 越大，实际刀具前角也越越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。大，切削更容易。2 2、实际切削厚度增大、实际切削厚度增大当切削瘤存在时，实际的金属当切削瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加切削层厚度比无切削瘤时增加了一个了一个h hD D，显然，这对工件，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。切削尺寸的控制是不利的。这个厚度这个厚度h hD D的增加并不是固的增加并不是固定的，因为切削瘤在不停变化，定的，因为切削瘤在不停变化，它是一个它是一个产生，长大，最后脱产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，落的周期性变化过程，这样可这样可能在加工中产生振动。能在加工中产生振动。3 3、加工后表面粗糙度增大、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。极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，破裂的一部分随切屑排除，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。面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。4 4、切削刀具对耐用度的影响、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。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，可能使刀具表面金属剥落，从而使落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，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刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。显。不利方面：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，积屑瘤不稳定时（脱落时），有可能使脆性刀具颗粒剥落，反而反而加剧刀具磨损加剧刀具磨损；产生积屑瘤后使切削厚度增大产生积屑瘤后使切削厚度增大 a ac c值，值，影响工件尺寸精度影响工件尺寸精度；当积屑瘤不稳定时，由于积屑瘤产生当积屑瘤不稳定时，由于积屑瘤产生成长成长脱落周期动脱落周期动态变化，态变化，易引起振动易引起振动；脱落的积屑瘤碎片影响工件脱落的积屑瘤碎片影响工件表面粗糙度表面粗糙度，也易划伤刀具使，也易划伤刀具使耐用度降低。耐用度降低。三、积屑瘤的作用三、积屑瘤的作用有利方面：有利方面：可增大实际前角可增大实际前角，减少变形和切削力；减少变形和切削力；可保护切削刃、降低刀具磨损。可保护切削刃、降低刀具磨损。四、抑制积屑瘤的措施四、抑制积屑瘤的措施（1 1）降低切削速度降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象；，使温度降低到不易产生粘结现象；（2 2）采用高速切削采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度；，使温度高于积屑瘤消失的极限温度；（3 3）调整刀具角度，增大刀具前角，减小刀）调整刀具角度，增大刀具前角，减小刀屑接触压力；屑接触压力；（4 4）更换切削液，使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，）更换切削液，使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，降低磨擦降低磨擦 ；（5 5）提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。）提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。从从前前面面第第一一和和第第二二变变形形区区的的分分析析可可知知，变变形形和和摩摩擦擦是是影影响响切切削削过过程程的的关关键键。影影响响切切屑屑变变形形的的主主要要因因素素可可从从以以下下四四方方面面分分析析：工工件件材材料料、刀刀具具参参数数、切切削削速速度度和和切削厚度切削厚度3.5 3.5 切屑变形的变化规律切屑变形的变化规律1 1、工件材料方面、工件材料方面工件材料强度愈高，切屑变形愈小。工件材料强度愈高，切屑变形愈小。原因：原因：工件材料强度愈高，工件材料强度愈高，减小，减小，增大增大,变形系数减小变形系数减小。工件材料强度对变形系数的影响2 2、刀具方面、刀具方面前前角角愈愈大大，变变形形愈愈小小。原原因因：前前角角影影响响切切屑屑流流出出方方向向，影影响作用角响作用角。o o愈大，愈大，愈小，愈小，角愈大，变形愈小。角愈大，变形愈小。前角对变形系数的影响由图可以看到，由图可以看到，当刀具当刀具前角前角O O增增大时大时，沿刀面流出的金属切削层，沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出，将比较平缓的流出，金属切屑的金属切屑的变形也会变小。变形也会变小。通过对高速钢刀具所作的切削试通过对高速钢刀具所作的切削试验也证明了这一点。在同样的切验也证明了这一点。在同样的切削速度下，刀具前角削速度下，刀具前角O O愈大，材愈大，材料变形系数愈小。料变形系数愈小。刀尖圆弧半径对切削变形也有影刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，响，刀尖刀尖圆弧半径圆弧半径越大，越大，表明刀表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切屑变形也越大。表面的切屑变形也越大。3 3、切削速度、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。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段，产生的影响。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段，一个是一个是积屑瘤这一段积屑瘤这一段，另一个是，另一个是无积屑瘤段无积屑瘤段。积屑瘤段情况（中低速积屑瘤段情况（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，材料变形系数以在此阶段，切削速度增加时，材料变形系数也减少。当也减少。当增大到一定值时，积屑瘤高度增大到一定值时，积屑瘤高度H Hb b和实际前角均达最大值，而和实际前角均达最大值，而 达到最小值。达到最小值。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。料变形将最大。在无积屑瘤段（高速）在无积屑瘤段（高速）材料变形系数是随着材料变形系数是随着切削速度切削速度的增加而减小。主要是因为塑的增加而减小。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，金属始剪切面为切面为OAOA，当速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑，当速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑性变形速度，在性变形速度，在OAOA面金属并未充分变形，相当于始剪切面面金属并未充分变形，相当于始剪切面后移至后移至OAOA面，终剪切面面，终剪切面OMOM也后移至也后移至OMOM，第一变形区后移，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，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。材料变形系数也会减小。4 4切削厚度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。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，在无积屑瘤段，进给量进给量f f越大，切削厚度越大，切削厚度 a ac c 增加，增加，avav 增加，增加，减小，减小，增大，材料的变形系数增大，材料的变形系数减小。减小。3.6 3.6 切屑的类型及其变化切屑的类型及其变化意义：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，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经过挤压和滑移变成切屑(Chip)(Chip)的过程。的过程。切屑从形态、尺寸、颜色以至硬度都反映了被加工材切屑从形态、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。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），而且在理论上也有重要意义。切屑变形规屑处理），而且在理论上也有重要意义。切屑变形规律是切削过程中诸如律是切削过程中诸如切削力、切削热和切削温度、刀切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等规律具磨损等规律的重要理论基础。的重要理论基础。带状带状 挤裂挤裂 单元单元 崩碎崩碎由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不同，常见的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。前三种为切屑有四种类型。前三种为切削塑性材料切削塑性材料的切屑，最后的切屑，最后一种为切削一种为切削脆性材料脆性材料的切屑。的切屑。一、切屑种类一、切屑种类1 1、带状切屑、带状切屑最常见。最常见。内内侧侧表表面面光光滑滑，外外侧侧表表面面呈呈毛毛茸茸状状，用用显显微微镜镜观观察察可可见见到到有有均均匀匀整整齐齐的的剪剪切切裂裂纹纹。被被切切材材料料在在经经过过终终滑滑移移线线时时剪剪应应力力未未超过材料的破裂强度超过材料的破裂强度通通常常加加工工塑塑性性金金属属材材料料，切切削削厚厚度度较较小小，切切削削速速度度较较高高，刀刀具前角较大具前角较大时得到。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。切削力波动很小，切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。2 2、挤裂切屑、挤裂切屑外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹加加工工塑塑性性金金属属材材料料，切切削削厚厚度度较较大大，切切削削速速度度较较低低，刀刀具具前前角角较较小小时时得得到到。加加工工硬硬化化较较大大，在在局局部部剪剪应应力力超过破裂强度。超过破裂强度。切切削削力力波波动动较较大大，切切削削过过程程产产生生一一定定的的振振动动，已已加加工工表面较粗糙。表面较粗糙。3 3、单元切屑、单元切屑在在挤挤裂裂切切屑屑的的基基础础上上切切削削厚厚度度增增大大，切切削削速速度度、前前角角减减小小，挤挤裂裂切切屑屑的的整整个个剪剪切切面面上上的的应应力力都都超超过过了了材材料料的的破破裂强度。使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。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。生产中很少见到。可见：可见：从从带带状状挤挤裂裂单单元元切切屑屑的的变变化化：切切削削厚厚度度由由小小到到大，切削速度和刀具前角由大到小大，切削速度和刀具前角由大到小。表表面面粗粗糙糙度度随随切切屑屑从从单单元元向向挤挤裂裂和和带带状状形形态态的的转转变变而逐步降低。而逐步降低。掌掌握握其其变变化化规规律律，就就可可改改变变切切屑屑形形态态以以达达控控制制切切屑屑（卷屑、断屑卷屑、断屑）和改善）和改善已加工表面质量已加工表面质量的目的。的目的。4 4、崩碎切屑、崩碎切屑切削切削脆性金属材料脆性金属材料如灰铸铁时得到的。如灰铸铁时得到的。产生原因：材料受到产生原因：材料受到拉应力已超过其抗拉强度拉应力已超过其抗拉强度。切削力切削力波动波动甚大，有冲击负荷，已加工表面甚大，有冲击负荷，已加工表面凹凸不平凹凸不平。改改变变切切削削条条件件，如如大大前前角角，大大刃刃倾倾角角，小小切切削削厚厚度度，高高切切削削速速度度，可可得得到到针针状状切切屑屑或或松松散散的的带带状状切切屑屑。此此时时切切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。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，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切屑类型切屑类型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）按外形（影响切屑处理和运输）带状屑带状屑 高速切削塑性金属，高速切削塑性金属，一般应力求避免一般应力求避免C C形屑形屑 车削一般碳钢和合金钢车削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时易时，采用带卷屑槽的车刀时易得，较好得，较好长紧卷屑长紧卷屑 普通车床上较好普通车床上较好发条状卷屑发条状卷屑 重型机床上较好重型机床上较好宝塔状卷屑宝塔状卷屑 自动机或自动线自动机或自动线上较好上较好螺卷屑螺卷屑 车削脆性材料较好车削脆性材料较好崩碎屑崩碎屑二、切屑形状分类二、切屑形状分类（国际标准化组织的切屑分类法）（国际标准化组织的切屑分类法）“不可接受不可接受”的切屑的切屑拉伤工件的已加工表面，使表面粗糙度恶化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划伤机床，卡在机床运动副之间造成刀具的早期破损造成刀具的早期破损甚至影响操作者的安全甚至影响操作者的安全衡量切屑可控性的主要标准衡量切屑可控性的主要标准不妨碍正常的加工不妨碍正常的加工不影响操作者的安全不影响操作者的安全易于清理、存放和搬运易于清理、存放和搬运切屑控制措施切屑控制措施前刀面上磨制断屑槽或使用压块式断屑槽前刀面上磨制断屑槽或使用压块式断屑槽可转位刀具可转位刀具3.7 3.7 切屑的卷曲与折断切屑的卷曲与折断切屑控制切屑控制v 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切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。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）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（常需有断屑装置，断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，右图）右图）常用的卷屑断屑方法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）较小的正前角，选用小的负刃倾角）磨出断屑台磨出断屑台采用卷屑槽断屑采用卷屑槽断屑采用卷屑槽断屑采用卷屑槽断屑卷屑槽形状：卷屑槽形状：直线圆弧形直线圆弧形直线形直线形全圆弧形（全圆弧形（紫铜，不锈钢等高塑性材料紫铜，不锈钢等高塑性材料）碳素钢，合金结构钢，工具钢碳素钢，合金结构钢，工具钢影响断屑的因素影响断屑的因素被切削材料的影响（被切削材料的影响（脆性愈大，断屑愈容易脆性愈大，断屑愈容易）切削用量的影响（切削用量的影响（v v大断屑困难，大断屑困难，a ap p增大断屑困难，增大断屑困难，f f增大断屑容易增大断屑容易）刀具角度的影响（刀具角度的影响（o o增大断屑困难；增大断屑困难；r r增大断屑容增大断屑容易；刀尖圆角半径越大断屑困难。易；刀尖圆角半径越大断