03第三章金属切削的变形过程
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第三章三角恒等变换单元测试题及答案页数:3
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3个变形区
γ0↑ ， Φ↑→ Λh ↓ε↓
剪切变形示意图
刀-屑接触区的变形与摩擦
切屑与前刀面的摩擦
大量实验表明：切屑与前刀面之间的摩擦存在着两种 不同性质的摩擦：粘结摩擦和普通摩擦。且主要的摩 擦形式为粘结摩擦。
Fn
Fn Fn (足 够大 ）
Ft
FFtt
Fn (足 够大 ） Ft
峰点型接触 （普 通摩擦）
峰 点紧型密接型 接触触 两（种普（不通粘同摩结的擦摩摩擦）擦）
切割与挤压
第3章 金属切削过程的基本规律
一、切屑形成过程
以塑性材料的切屑 形成为例，金属切削区 可大致划分为：
三个变形区
第一变形区 第二变形区 第三变形区
（一）第一变形区 （剪切滑移区）
OA—始滑移线 OM—终滑移线
变形的主要特征： • 剪切滑移变形 • 加工硬化
一般速度范围内一区 宽度为0.02～0.2mm， 速度越高，宽度越小， 可看作一个剪切平面源自刀-工接触区的变形与加工质量
刀刃钝圆半径 rn 后刀面磨损带VB 弹性恢复区CD
变形特征：
挤压、摩擦与回弹
加工变质层
金属进入第一变形区时， 晶粒因压缩而变长，因 剪切滑移而倾斜。 金属层接近刀刃时，晶 粒更为伸长，成为包围 在刀刃周围的纤维层， 最后在O点断裂。
已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行 于已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产 生加工硬化，表面残余应力，称之为加工变质层。
加工表面粗糙 少见
ac
Δac
厚 度 为 Δac 的 一薄层金属被 钝圆刃挤压塑 性变形后成为 已加工表面
第三变形区的金属变形
三个变形区对切削加工的影响
第一变形区的切削变形对刀具产生较大 的切削抗力；
第三节金属切削过程中的变形
2、第二变形区（纤维化） 第二变形区（纤维化）
（2）剪切角Φ与前刀面上摩擦角β的关系 作用在切屑上的力有 前刀面上的法向力Fn、摩擦力Ff、剪切面上的正压力Fns和剪应力Fs。 简化后作用在切屑上的力 Fr为切削合力、 Φ为剪切角、 β是Fn与Fr之间的夹角摩擦角、Fz是切 削运动方向的分力、和Fy是与运动方向垂直的分力。
a)积屑瘤的形成 切削加工时，切屑与前刀面发生强烈摩擦而形成新鲜表面接触。当接触面具 有适当的温度和较高的压力时就会产生粘结（冷焊）。于是，切屑底层金属 与前刀面冷焊而滞留在前刀面上。连续流动的切屑从粘在刀面的底层上流过 时，在温度、压力适当的情况下，也会被阻滞在底层上。使粘结层逐层在前 一层上积聚，最后长成积屑瘤。 所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与 金属材料的硬化性质有关，也与刃前区 演示1 积屑瘤形成过程 演示2 演示3 的温度和压力分布有关。一般说来，塑 性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生 积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积 屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用， 也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时， 积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
二、切削层金属的变形
以直角自由切削方式切削塑性材料为基础模型研究切屑形成过程。
大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切 屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。
二、切削层金属的变形
1、变形区划分 2、第一变形区（剪切滑移） 第一变形区（剪切滑移） 3、第二变形区（纤维化） 第二变形区（纤维化） 4、第三变形区（纤维化与加工硬化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）
1、变形区划分
根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑的形态大体可划分为三个变形区 第一变形区（剪切滑移） 第二变形区（纤维化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）
第3章 金属切削过程及其基本规律
切屑的变形可由两部分组成，一是切削
过程中产生的，称为基本变形；二是切 屑在流动和卷曲过程中的再次变形，称 为附加变形。 影响基本变形的抓因有所刀具前角、负 倒棱和切削速度。前角越小、负倒棱越 宽、切削速度越低，切屑的变形越大， 越有利于断屑。但从切削轻快和切削效 率的角度考虑，这样并不合理。
仪。具有灵敏度较高，量程范围较大，既可用 于静态，也可用于动态测量，测量精度较高等 特点。这种测力仪常用的电阻元件叫做电阻应 变片。将若干电阻应变片紧贴在测力仪的弹性 元件的不同受力位置，分别联成电桥。在切削 力作用下，电阻应变片随着弹性元件发生变形， 使应变片的电阻值改变，破坏了电桥的平衡， 于是电流表中有与切削力大小相应的电流通过， 经电阻应变仪得到电流示数，再按此电流示数 从标定曲线上可以读出三向切削力的值。
3.切削用量： (1)切削速度：在无积屑瘤的切削速度范
围内，切削速度越高，切削厚度压缩比 越小。因为塑性变形的传播速度较弹性 变形慢。另外，切削速度对摩擦因数也 有影响。除在低速区外，速度增大，摩 擦因数减小，因此变形减小。在有积屑 瘤的切削速度范围内，切削速度是通过 积屑瘤所形成的实际前角来影响切屑变 形的 （2）进给量：进给量增大， 切屑变形减 小
4.扫描电镜显微观察法：用扫描电子
显微镜观察切屑的变形情况。 5.光弹性、光塑性试验法
3.2 金属切削过程
3.2.1金属切削过程中三个变形区的划分
及其变形规律 第一变形区：沿滑移线的剪切变形以及 随之产生的加工硬化 第二变形区：切屑底层金属晶粒纤维化 第三变形区：已加工表面受到切削刃钝 圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变 形与回弹，造成纤维化与加工硬化。
2.切屑的折断：金属切削过程中产生的切
第三章金属切削过程及其变形规律
3.1.3 第二变形区的变形
1. 第二变形区内金属的挤压变形
Mm
刀具 b
Aa
3.1.3 第二变形区的变形
2. 前刀面上的摩擦
μ Ffγ τγ Af τγ Fnγ σγ Af σγ
1－单位切向力分布曲线 2－正应力分布曲线
lf－刀具－切屑接触区长度 lf1－粘结黏结区长度 lf2－滑动区长度
• (4) 采用预先热处理，适当提高工件材料硬度、降低 塑性，减小工件材料的加工硬化倾向。
3.1.4 变形程度的表示方法
1. 相对滑移
• 当平行四边形OHNM发生剪切变形
后，变为平行四边形OGPM，在切
削过程中，这个相对滑移，可以近
似地看成是发生在剪切面NH上。剪
切面NH被推移到PG的位置，故有
vc
金属切削原理与刀具
第三章 金属切削过程及其变形规律
目录
• 3.1 切屑的形成过程 • 3.2 切削力和切削功率 • 3.3 切削热和切削温度 • 3.4 刀具磨损和破损 • 3.5 已加工表面的形成 • 3.6 小 结
退出
第一节 切屑的形成过程
目录
• 3.1.1 切屑形成的力学模型和变形区的划分 • 3.1.2 第一变形区的变形及其简化 • 3.1.3 第二变形区的变形 • 3.1.4 变形程度的表示方法 • 3.1.5 切屑的类型与折断 • 3.1.6 切屑变形的变化规律
3.1.6 切屑变形的变化规律
2. 刀具 •刀具几何参数中影响变形系数最大的是前角
γo。实验结果表明： •(1) 刀具前角γo越大，变形系数越小。
6
5
4
h
3
γo=0°
γo=15°
2
γo=30°
第三章 金属切削变形过程题解
第三章金属切削变形过程3．1 必备知识和考试要点3，1。
1 研究金属切削变形过程的意义和方法1．明确研究金属切削变形过程的意义。
2．了解金属切削变形过程的实验方法。
3．1．2 金属切削层的变形1．熟悉金属切削过程中变形区的划分。
2．熟悉各变形区内所发生的变形。
3．掌握相对滑移、变形系数、剪切角的概念。
4．掌握相对滑移与变形系数的关系式。
3．1．3 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响1．了解切削过程中作用在切屑上的力。
2．明确剪切角φ与前刀面摩擦系数μ的关系。
3．理解内摩擦的概念。
4．熟悉影响前刀面摩擦的主要因素。
3．1．4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1．掌握积屑瘤的形成条件。
2．掌握积屑瘤对切削过程影响的要点。
3．掌握积屑瘤的生长高度与切削速度的关系。
4．掌握抑制积屑瘤的方法。
3．1，5 影响切屑变形的变化规律1．掌握工件材料、刀具几何角度对切屑变形影响的要点。
2，掌握切削速度对剪切角影响的要点。
3．掌握切削用量三要素切眉变形影响的要点。
4．正确分析切削速度对变形系数影响的规律。
3．1．6 其他1．了解切屑形状的分类方法及产生的条件。
2．了解切屑卷曲和断屑的机理。
3．2 典型范例和答题技巧[例3．1] 画图表示切削塑性工件材料时，金属变形区是如何划分的?各变形区中的变形情况如何?[分析]1．变形区的划分。
根据教科书中的“金属切削过程中的滑移线和流线示意图”大致画出三个区域。
2．变形区的变形。
由于第一变形区区域宽度很窄，故可看成一个面，被称之为剪切滑移面。
显然第一变形区的变形，也就是在切削过程中，金属通过剪切滑移面时发生的剪切滑移变形。
这一变形决定了切削的进行，使被切削工件的切削层转变成切屑。
第二变形区发生在切屑底层，相对于前刀面的位置。
通过第一变形区变形后的金属在转变成切屑沿前刀面流出前发生的进一步变形。
此时发生的变形是前刀面作用于切屑的摩擦、挤压变形。
第三变形区内的变形是受到刀刃的钝圆部分及后刀面的挤压、摩擦变形。
机械制造技术基础课件(第3章)
12
2. 剪切角φ 与前刀面摩擦角β的关系
4
(
0)
4
为作用角,即合力Fr与主运动方向之间的夹 角, 0
•剪切角φ随前角γ0增大而增大，切屑变形减小。
•剪切角φ随摩擦角β的减小而增大，切屑变形减小。 所以研磨刀面或者使用切削液以减小前刀面的摩擦， 有利于改善切削过程。
13
3. 前刀面上的摩擦
➢根据体积不变原理, 则 ξh ＝ξl＝ξ。 ➢变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。
➢ξ>1。
➢ξ直观地反映了切削变形程度。
图3 － 170
2 .剪应变ε
s y
cot
tan(
0)
3.剪应变与变形系数的关系
➢只有在 0 00 ~ 300, 1.5 的范围内，变形系数ξ
越大，剪应变ε越大
图3 － 171
图3－7 变形系数ξ的求法
29
图3－10 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
30
图3－12 刀具前刀面与切屑的摩擦示意图
31
图3－14 积屑瘤前角和伸出量
32
图3-15 工件材料强度对变形系数的影响
33
图3-18 切削速度对变形系数的影响
34
➢在实际应用工作中，切削力的计算分解为相互垂直 的三个分力：切
削力 Fc 、进给 力 Ff 、背向力 Fp
。
43
2.切削力的分解
切削力(Fc)
（旧称主切削力，用
Fz表示）——总切削力
在主运动方向的分力， 是计算机床切削功率、 选配机床电机、校核 机床主轴、设计机床 部件及计算刀具强度 等必不可少的参数。
机械制造技术基础
2. 剪切角φ 与前刀面摩擦角β的关系
4
(
0)
4
为作用角,即合力Fr与主运动方向之间的夹 角, 0
•剪切角φ随前角γ0增大而增大，切屑变形减小。
•剪切角φ随摩擦角β的减小而增大，切屑变形减小。 所以研磨刀面或者使用切削液以减小前刀面的摩擦， 有利于改善切削过程。
13
3. 前刀面上的摩擦
➢根据体积不变原理, 则 ξh ＝ξl＝ξ。 ➢变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。
➢ξ>1。
➢ξ直观地反映了切削变形程度。
图3 － 170
2 .剪应变ε
s y
cot
tan(
0)
3.剪应变与变形系数的关系
➢只有在 0 00 ~ 300, 1.5 的范围内，变形系数ξ
越大，剪应变ε越大
图3 － 171
图3－7 变形系数ξ的求法
29
图3－10 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
30
图3－12 刀具前刀面与切屑的摩擦示意图
31
图3－14 积屑瘤前角和伸出量
32
图3-15 工件材料强度对变形系数的影响
33
图3-18 切削速度对变形系数的影响
34
➢在实际应用工作中，切削力的计算分解为相互垂直 的三个分力：切
削力 Fc 、进给 力 Ff 、背向力 Fp
。
43
2.切削力的分解
切削力(Fc)
（旧称主切削力，用
Fz表示）——总切削力
在主运动方向的分力， 是计算机床切削功率、 选配机床电机、校核 机床主轴、设计机床 部件及计算刀具强度 等必不可少的参数。
机械制造技术基础
电子课件-《金属切削原理与刀具(第五版)》-B01-3509 第三章
例增大，使出屑角增大。出屑角的大小对切屑的卷曲和折 断后的屑形有很大影响。
第三章 切削加工的主要规律
出屑角对卷屑的影响
3）切削速度v
切削速度提高后，切削温度升高，在一般情况下， 切屑的塑性增大，不易折断。
第三章 切削加工的主要规律
（2）刀具角度 1）前角γo 前角γo 越大，排屑越顺利，切屑变形小，
第三章 切削加工的主要规律
二、积屑瘤对切削加工的影响
1．保护刀具 2．增大实际前角 3．影响加工精度和表面粗糙度
第三章 切削加工的主要规律
三、影响积屑瘤产生的因素
1．工件材料
切削脆性材料不会产生积屑瘤。塑性越好的材料越容易 产生积屑瘤。
2．切削用量
切削用量三要素中对积屑瘤的产生影响最大的是切削速 度v，其次是进给量f和背吃刀量ap。
不易断屑；反之，易断屑。 2）主偏角κr 在背吃刀量ap 和进给量f已选定的条件下，
主偏角κr越大，切削厚度ac越大，故切屑卷曲应力越大，越 易断屑。
3）刃倾角λs
①当λs为正值时，使切屑流向待加工表面或与后面相碰
形成“C”形切屑，也可能呈螺旋屑而甩断；
②当λs为负值时，切屑流向已加工表面或过渡表面，容
第三章 切削加工的主要规律
第一节 切削变形 第二节 切屑的类型与控制 第三节 积屑瘤 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具耐用度
第三章 切削加工的主要规律
第一节 切削变形 一、金属切削变形过程
金属切削变形的本质是金属材料在切应力作用下屈服 而沿剪切面发生滑移。
易碰断成“C”形或“6”形切屑。
第三章 切削加工的主要规律
（3）断屑槽开设情况 1）断屑槽的形状
第三章 切削加工的主要规律
出屑角对卷屑的影响
3）切削速度v
切削速度提高后，切削温度升高，在一般情况下， 切屑的塑性增大，不易折断。
第三章 切削加工的主要规律
（2）刀具角度 1）前角γo 前角γo 越大，排屑越顺利，切屑变形小，
第三章 切削加工的主要规律
二、积屑瘤对切削加工的影响
1．保护刀具 2．增大实际前角 3．影响加工精度和表面粗糙度
第三章 切削加工的主要规律
三、影响积屑瘤产生的因素
1．工件材料
切削脆性材料不会产生积屑瘤。塑性越好的材料越容易 产生积屑瘤。
2．切削用量
切削用量三要素中对积屑瘤的产生影响最大的是切削速 度v，其次是进给量f和背吃刀量ap。
不易断屑；反之，易断屑。 2）主偏角κr 在背吃刀量ap 和进给量f已选定的条件下，
主偏角κr越大，切削厚度ac越大，故切屑卷曲应力越大，越 易断屑。
3）刃倾角λs
①当λs为正值时，使切屑流向待加工表面或与后面相碰
形成“C”形切屑，也可能呈螺旋屑而甩断；
②当λs为负值时，切屑流向已加工表面或过渡表面，容
第三章 切削加工的主要规律
第一节 切削变形 第二节 切屑的类型与控制 第三节 积屑瘤 第四节 切削力与切削功率 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损与刀具耐用度
第三章 切削加工的主要规律
第一节 切削变形 一、金属切削变形过程
金属切削变形的本质是金属材料在切应力作用下屈服 而沿剪切面发生滑移。
易碰断成“C”形或“6”形切屑。
第三章 切削加工的主要规律
（3）断屑槽开设情况 1）断屑槽的形状
第3章金属切削的变形过程
P点继续逼近刀刃，由于 硬化现象，剪应力增大， 因此P点经过1—2—3—4， 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。
R2 R1
ac ＝
max
l
f
45° M
45° 45° 45°
4
A P
B 1
3 4' 2 3'
c
＝ 2' s
O
位置 应力状态 流动方向
区域
P < s 切削速度v
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， 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。
第三节 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，从而影响第一 变形区金属的变形，影响剪切角的大小。
• 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
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， 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
R2 R1
ac ＝
max
l
f
45° M
45° 45° 45°
4
A P
B 1
3 4' 2 3'
c
＝ 2' s
O
位置 应力状态 流动方向
区域
P < s 切削速度v
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， 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。
第三节 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，从而影响第一 变形区金属的变形，影响剪切角的大小。
• 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
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， 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
金属切削第三章解析
• 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。
研究切削变形的实验方法
侧面变形观察法 高速摄影法 快速落刀法 SEM观察法 光弹性、光塑性实验法 其它方法，如：X射线衍射等
第II变形区内金属的挤压变形
切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和 摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平 行。
第Ⅲ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。
• 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。
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Ⅲ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。
切 削 变 形 金 相 显 微 照 片
第Ⅰ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。
• 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。
研究切削变形的实验方法
侧面变形观察法 高速摄影法 快速落刀法 SEM观察法 光弹性、光塑性实验法 其它方法，如：X射线衍射等
第II变形区内金属的挤压变形
切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和 摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平 行。
第Ⅲ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。
• 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。
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Ⅲ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。
切 削 变 形 金 相 显 微 照 片
第Ⅰ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。
金属的切削过程
常用90°偏刀。
m 消耗在切削过程中的功率。
Pm =(FZ *v+ FX * nw *f/1000)×1000-3
kw
机床电动机 功率:
PE≥ Pm/ ηm
指数公式: 材料愈脆，切削厚度Ac ↑，前角γ ↓ 例如:γ =15°κ = ：切屑底层与前刀面
o r 58~90%， 是计算机床动力的主要依
如45钢的切削力>Q235A的切削力； (2)刀具几何参数对θ的影响
3. (3)径向力FY 它使工件变形(特别是细长轴)，引起振动，影响加工精度，应设法减少，如车细长轴时 ,
调质钢、淬火钢的切削力＞正火钢的切削力； 3~9％切削热由刀具带走→刀具温度↑ →刀具磨损↑；
中→刀尖角↓ →散热条件↓→ θ↑
产生:切削层的变形，刀具与切屑间磨擦，刀具与工 件间的磨擦。 传出：50~85％切削热由切屑带走，对加工影响 不大；
10~40％切削热由工件带走→工件温度↑ →变形 →影响加工精度；
3~9％切削热由刀具带走→刀具温度↑ →刀具磨损 ↑；
不锈钢的切削力＞45钢的切削力。 (3)刀具磨损的影响 刀具磨损→ 刃变钝→刃区前方
FZ = p Ac = p ap f
来源：①克服工件材料的变形抗力 ②克服刀具与工 件间的磨擦力 ③克服刀具与切屑间的磨擦力
（2）切削用量的影响 流过→内磨擦→ 加工硬化→ 金
(2)轴向力FX 占的1~5%，易使车
第一变形区Ⅰ 0A~OE变形量最大；
Z c p 背吃刀量app ↑→切削区的热量虽增加，但刀刃的工作长度↑→改善散热条件↑→ θ升高不明显。
进给量f: f ↑→单位时间金属切除量↑→切削热↑→
κr: κr ↑→切削刃接触长度↓→切削热相对集
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f
R2 R1
45° M
45° 45° 45°
4
A P
B 1
3 4' 2 3'
c
＝ 2' s
O
金属切削的形成 过程.swf
位置 应力状态 流动方向
区域
P < s 切削速度v
切削层金属
1
2（3）
4
= s 合成运动
> s 合成运动
> s 合成运动
第一变形区
4以后 无剪应力 前刀面
第Ⅱ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，由此摩擦象。
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
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时 切削过程中的弹性变形和塑性变形
粘结现象时的摩擦状况
第Ⅲ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
以可看成一个面—即剪切面。
剪切面与切削速度之夹角 叫剪切角，以表示。
剪 切 面 切屑
c
刀具
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（凯帕）角。
晶粒滑移示意图
滑移与晶粒伸长
➢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。
三、第一变形区内金属的剪切变形
45° M A F
Bቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
O
a）正挤压
45° M A F
➢ 偏挤压：金属材料一部分受挤压时
BO
，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
b）偏挤压
移➢ 切削：与偏挤压情况类似。弹性变
M
形→剪切应力增大，达到屈服点→产
O
生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应
F
力与滑移量继续增大，达到断裂强度
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
P点继续逼近刀刃，由于硬化现象，剪应力增大，因 此P点经过1—2—3—4，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。
→切屑与母体脱离。OM平面是剪切
c）切削
平面
图 金属挤压与切削比较
金属切削变形过程
M A
终滑移线
切屑
Φ剪切角
始滑移线：τ=τs
刀具 O
图 切屑根部金相照片
金属切削变形过程
切削变形实验设备与录像装置
二、变形区的划分
• 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
• 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
侧面变形观察法 高速摄影法 快速落刀法 SEM观察法 光弹性、光塑性实验法 其它方法，如：X射线衍射等
3.2 金属切削层的变形 直角切削
第Ⅰ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㎜ 。
• 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。滑移方向就是剪切面方向。
卡片模型
四、变形程度的表示方法
剪切角 剪应变 变形系数 刀屑接触长度 L
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。
金属切削过程中滑移线和流线示意图
三个变形区
➢ 第Ⅰ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 集中于此区域。
Ⅱ Ⅰ
Ⅲ
➢ 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 图 切削部位三个变形区 ，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Ⅲ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。
切屑
❖ 金属在第一变形区滑移过程 切削层金属是在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。 OA线叫始滑移线，OM线叫终滑移线。 其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。
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。
在一般速度范围内，第一变形区宽度仅0.20.02mm，所
没有副刃参加切削，且λs = 0°。
a）直角切削
b）斜角切削
c）不自由切削
图 a）、b）、c）直角、斜角自由切削与非自由切削
一、切屑的形成过程
挤压与切削
➢ 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。
➢ 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°