第2章切削加工的理论基础

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1、第2章切削加工的理论基础2.1金属切削层的变形2.1.1切屑的形成在材料力学课程中，已研究过金属受挤压的情况。图2-la为塑性金属受挤压的示意图，试件受压时，随着外力F的增加，金属内部应力增加，先产生弹性变形继而产生塑性变形，并使金属的品格沿品面发生滑移，滑移面DA、CB与外力F的方向大致成45°,滑移到最后产生破裂。图2—1塑性金属挤压与切削示意图图2-lb为金屈切削过程示意图。DB以上为切削层，与金屈挤压试验相似,切削层受刀具挤压后也产牛弹性变形和戟性变形，并意欲沿DA、CB方向滑移，因DB以下为工件母休，受它的阻碍金属只能沿DA滑移

2、，当其与母休金属分离时,它就形成了金属切削过程中的切屑。2.1.2金属切削层的三个变形区根据金属切削实验屮切削层的变形图片，可绘制如图2—2所示的金属切削过程屮的滑移线和流线示意图。流线即被切金属的某一点在切削过程屮流动的轨迹。按照该图，可将切削刃作用部位的切削层划分为三个变形区。(1)第一变形区从0A线开始发生塑性变形，到0M线品粒的剪切滑移基木完成。这一区域称为第一变形区(I)。(2)第二变形区切屑沿刀具前面排岀时，进一步受到前面的挤压和摩擦，使靠近前面处的金属纤维化，其方向基木上和前面相平行。这部分叫做第二变形区(IDO(3)第三变

3、形区已加工表面受到切削刃钝圆部分与刀具后面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。这一部分称为第三变形区(III)。图2—2金屈切削过程中的滑移线和流线示意图图2—3第-变形区金属的滑移这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复朵，金属的被切削层就在此处与工件母体材料分离，大部分变成切屑，很小的一•部分留在已加工表面上。2.1.3第一变形区内金属的剪切变形如图2-3所示，当切削层中金屈某点P向切削刃逼近，到达点1的位置吋，若通过点1的等切应力曲线0A,其切应力达到材料的屈服强度，则点1在向前移动的同时，也沿0A滑移，

4、其合成运动将使点1流动到点2。2'-2就是它的滑移量。随着滑移的产生，切应力将逐渐增加，也就是当P点向1、2、3、……齐点移动时，它的切应力不断增加，直到点4位置，此时其流动方向与刀貝前面平行，不再沿0M线滑移。所以0M叫终滑移线，0A叫始滑移线。在0A到0M之间整个第一变形区内，其变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以及随Z产生的加工硬化。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约0・2〜0.02mm,所以，可用一个面来代替它，此面称为剪切面，常用OM来表示。剪切面和切削速度方向的夹角叫做剪切角，以①表示。根据上述的变形过程，我们可以

5、把塑性金属的切削过程粗略地模拟为如图2-4的示意图。被切材料好比一叠卡片1'、2'、3'、……等，当刀具切入时，这叠卡片受力被摞到1、2、3、……等位置，卡片Z间发生滑移，其滑移方向就是剪切面的方向。图2—4金属切削过程示意图2.1.4第二变形区（刀-屑接触区）的变形和摩擦切削层金属经过终滑移线0M,变成切屑沿刀具前面流出时，切屑底层仍受到丿J具前面的挤压和摩擦，这就使切屑底层继续发牛变形，而且这种变形仍以剪切滑移为主，变形的结杲使切屑底层的晶粒弯曲拉长，并趋向于与而面平行而形成纤维层。在图2—4屮，我们只考虑剪切面的滑移，把各单元比喻为

6、象平行四边形的薄片，实际上由于第二变形区的挤压和摩擦，这些单元的底面被挤压伸长，它的形状不再如aAMni那样的平行四边形（图2—5）,而是象bAMm的梯形了。许多梯形迭加起来，就造成了切屑的卷曲。图2-6为切屑和前而磨擦情况的示意图。在切屑沿前而流出的前期过程屮，切屑与前图2—5切届的卷曲面之间压力约为2〜3Gpa,温度约为400—1000°C,在如此高压和高温作用下,切屑底层的金属会粘结在前面上，形成粘结层，粘结层以上的金属从粘结层上流过时，它们Z间的摩擦就与一般金属接触面间的外摩擦不同，而成了粘结层与其上流动金属Z间的内摩擦，这内摩擦

7、实际就是金属内部的滑移剪切。在切屑沿前面流出的后期过程屮，由于压力和温度降低，所以切屑底层与前面Z间的摩擦就成了一般金属接触面间的外摩擦。在外摩擦情况下，摩擦力仅与止压力及摩擦系数有关，而与接触面积无关；在内摩擦情况下，摩擦力与材料的流动应力特性及粘结面积有关。刀-屑接触区通常以内摩擦为主，内摩擦力约占总摩擦力的85%。如图2—6所示，刀-屑接触区长度为L「，其屮粘结部分长度为L”产生内摩擦；滑动部分长度为产生外摩擦。通过实验测出前面上的止应力。和剪应力工，它们的分布情况也示于图2—6o由图可见，切屑与前面整个接触区的正应力。以刀尖处最大

8、，然后逐渐减少为零；剪应力t在粘结部分等于材料的剪切层服强度在滑动部分由J逐渐减少为零。2.1.5表示切屑变形程度的方法（1）剪切角①实验证明，对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切