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二、剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系
剪切角Φ可衡量切屑变形程度，如果能建立 φ=(γ0,β)的理论公式，对预测切屑变形程度和切削 力的大小有重要的实际意义。 最大主应力方向与最大剪应力方向夹角为π/4。
φ + β −γ0 = φ= π π
4
4 4 ω为合力与切削速度方向的夹角，称作用角
− (β − γ 0 ) =
金属切削原理与刀具
Principle of Metal Cutting and Cutting Tools
第三章 金属切削的变形过程
主讲：张东民
1
第三章 金属切削的变形过程
3.1 研究金属切削变形过程的意义和方法 3.2 金属切削层的变形 3.3 前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 3.4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 3.5 影响切屑变形的主要因素 3.6 切屑的类型 3.7 3－14 作用在切屑上的力
a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力 b) 切屑作为隔离体的受力分析
刀具与切屑之间的作用力分析如图3-14所示。 在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对其作用的 法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的 合力分别为Fr 和 Fr′。 假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共 线，有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力， φ是剪切角；β是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角； 24 γo是刀具前角。
π
−ω
1.前角γ0 ↑，Φ ↑，变形减小。在保证切削刃强度前提 下，增大刀具前角利于改善切削过程。 2.摩擦角β↑，Φ↓ ，变形增大↑ 。提高刀具刃磨质量 ，施加切削液以减少前刀面上的摩擦对切削有利。
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三、前刀面上的摩擦
前刀面摩擦系数 μ=
τs σav
图3－16
切屑和前面摩擦情况示意图
切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑 间的摩擦仅为外摩擦。 刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和 滑动(外摩擦)区。 金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应 27 着重考虑内摩擦。
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第三章 金属切削的变形过程
3.5 影响切屑变形的主要因素
1、工件材料对切削变形的影响 材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小 。
图3-23 工件材料强度对变形系数的影响
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2、刀具前角对切削变形的影响 刀具前角愈大，切削变形愈小（图3-24）。
图 前角对变形系数的影响
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3、切削速度对切削变形的影响
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变形区的划分
第一变形区
（剪切滑移） 刀具
第二变形区
（前刀面挤压摩 擦）
形区 变
后刀面摩擦区
第三变形区12
三、 第一变形区内金属的剪切变形
剪切面OM
图3-7 第一变形区金属的滑移
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切屑形成本质
在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层 金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。 切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结 构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。 金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到 达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方 向性，仍为圆形（图3-8 a） 。 晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑 移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶 粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的 方向不重合，两者之间成一夹角Ψ（图3-9）。 14
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二、变形区的划分
OA线：始滑移线（受剪开
始）
OM线：终滑移线（受剪结
束）
发生变形的主要区域 随着切削速度的增加而变薄，一般 厚度0.02-0.2mm，用平面表示
流线被切削金属某点在 切削过程中流动的轨迹
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第一变形区（I）：工件材料在刀具前刀面挤压作用下 ， 从图中 OA 线开始发生塑性变形到 OM 线晶格的剪切滑移基 本完成为止。因此这一区域是切削过程中的主要变形区，又 称剪切区。 第二变形区（Ⅱ）: 切屑沿前刀面滑移排出时紧贴前刀面 的底层金属进一步受前刀面的挤压阻滞和摩擦，再次剪切滑 移变形而纤维化。因其变形主要是摩擦引起的，故这一区域 又称摩擦变形区。 第三变形区（Ⅲ）：已加工表面受到切削刃纯圆部分与后 刀面的挤压、摩擦和回弹 ，造成纤维化和加工硬化。第三变 形区直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损。 三个变形区汇集在切削刃附近，该处应力比较集中而且复 杂，被切金属在此与材料本体分离形成切屑和已加工表面。 切削刃对于切屑和已加工表面的形成，起着很重要的作用。
在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与 前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比 上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层 。 所谓“内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的 摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦 力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有
四、影响前刀面摩擦系数的因素
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积屑瘤的产生原因
前刀面和切 屑底面的挤 切屑底 压和摩擦 层产生 滞留层
积屑瘤产生动画
f内>f外 滞留层与切屑分 离，粘结在前刀 面。“冷焊”、“内 摩擦” 逐层滞 留粘结 冲击 振动 加工硬化 不断破 形成楔块 裂，脱落 再生
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图3－21 积屑瘤高度与切削速度关系示意图
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4、积屑瘤对切削过程的影响
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切屑变形参数的讨论
ξ 2 - 2ξ sinγ 0 + 1 ε= ξ cosγ 0
ε
ξ>=1.5: ξ大， ε也大，比较接近 实际情况 ξ<1.5，特别 ξ≈1，或者前角 为负时，不能用ξ 来表示变形程度 切削变形的参数计 算都是近似的，有 相当的局限性
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第三章 金属切削的变形过程
3.3 前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 一、作用在切屑上的力 二、剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系 三、前刀面上的摩擦 四、影响前刀面摩擦系数的主要因素
测定前刀面摩擦系数μ
τ ⋅ Ac Fs = τ ⋅ As = sin φ
Fs Fr = cos(φ + β − γ 0 ) Fz = Fr cos ( β − γ 0 ) Fy = Fr sin ( β − γ 0 ) Fy Fz = tg ( β − γ 0 )
μ = tgβ
μ前刀面摩擦系数
图3-15 直角自由切削时力 与角度的关系
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、光弹法、光塑性试验法
4
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第三章 金属切削的变形过程
3.2 金属切削层的变形 一、切断作用与切削作用 二、变形区的划分 三、第一变形区内金属的剪切变形 四、变形程度的表示方法
实际前角增大，起积极作用 增大切削厚度，可能引起震动
图3－22 积屑瘤前角和伸出量
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使加工表面粗糙度增大，精加工时需设法避免 或减小积屑瘤；
工件表面的积屑瘤 对刀具寿命的影响,稳定时，可减少刀具磨损， 提高刀具耐用度。不稳定时，使刀具磨损加剧。
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5、抑制或消除积屑瘤的措施
1) 降低切削速度，使温度较低，使粘结现象不易发生 。以切削45钢为例，低速vc＜3m/min； 2) 采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应 温度。以切削45钢为例，较高速度vc≥60m/min； 3) 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； 4) 增加刀具前角，以减小刀屑接触区压力； 5) 适当提高工件材料的硬度，以减少加工硬化倾向。
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2. 相对滑移 ε
定义：单位厚度的金属产生的滑移量。切削过程 中金属变形主要形式是剪切滑移，剪应变即相对 滑移ε与φ之间关系：
Δs NP NK + KP = = ε= Δy MK MK cosγ 0 ε= sinφ cos(φ − γ 0 )
四边形OHNM--OGPM
式中φ是剪切角 ε与φ和γ0有关 ε↑，变形↑
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一、 切断作用与切削作用 1. 切断作用
楔角大，刀具强度高 楔角较大情况
工件塑性变形较大 工件尺寸精度很低 工件表面十分粗糙 工件表面加工硬化严重
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2. 切断向切削过渡
工件塑性变形减小 工件尺寸精度低 工件表面粗糙 工件表面加工硬化 严重
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3. 切削加工
形成后角 后刀面所对的工件塑 性变形大大减小 工件尺寸精度高 工件表面平整
4、切削厚度（进给量）对切削变形的影响 切削厚度↑，前刀面上的摩擦系数↓，使β与ω↓ ，剪切角↑ φ= π/4-（γo- β)。切削厚度（进给量） ↑，变形系数ξ↓。
图
切削厚度与变形系数的关系
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图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响
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第三章 金属切削的变形过程
3.6 切屑的类型
a) 、b)、C)可转化， 切屑颜色判断
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3. 变形系数ξ
切屑厚度ach与切削层的 厚度ac之比称为厚度变 形系数，用ξa 表示， ξa = ach/ac 切削层长度lc与切屑长 度lch之比称为长度变形 系数，用ξl表示， ξl=lc/lch 根据体积不变原理, 则 ξa ＝ξl ＝ξ 变形系数ξ↑,切屑越厚 越短,切削变形↑ 。
c
43
2. 挤裂切屑
变形系数ξ大于1
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变形系数ξ与相对滑移ε之间关系：
cos(φ - γ 0 ) ξ= sinφ
ξ 2 - 2ξ sinγ 0 + 1 ε= ξ cosγ 0
剪切角φ、相对滑移ε和变形系数ξ是通常表示 切削变形程度的三种方法。 剪切角φ比较麻烦，一般要获得切屑根部图片， 才能量出；变形系数ξ则比较直观，容易测量。
图3-26 切削速度对变形系数的影响
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切削速度对切削变形的影响（图3-26） 切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变 形大小。 在积屑瘤增长的速度范围内, 因积屑瘤导致实际工 作前角增加、剪切角φ增大、变形系数减小。 在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减 小、变形系数ξ不断上升至最大值，此时积屑瘤完全 消失。 在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形 系数愈小。 切削铸铁等脆性金属时,一般不产生积屑瘤。随着 切削速度增大，变形系数逐渐地减小。 38