机械制造技术基础第二章第三节金属切削过程及物理现象

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1、第三节金属切削过程及其物理现象一、研究金属切削变形过程的实验方法二、金属切削层的变形（切屑形成过程）1、变形区的划分2、第Ⅰ变形区内金属的剪切变形及变形程度的表示方法3、第Ⅱ变形区的变形4、第Ⅲ变形区的变形5、刀具前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响三、积屑瘤四、切屑及其控制1、切屑类型2、生产实际中的切屑形态3、断屑方法一、研究金属切削变形过程的实验方法1、侧面方格观查法用显微镜直接观察低速直角自由切削时工件切削层侧面的金属变形状况。为便于观察通常将工件侧面抛光，画出细小方格，观察这些方格如何扭曲，从而获知刀具前方变形区

2、的范围及金属颗粒如何流向切屑。2、快速落刀法使刀具以尽可能快的速度脱离工件，把切削过程冻结起来，将留下的切屑的根部做成标本，供观察。若要探索在不同条件下的切削变形特征，可采用此法，获取该条件下的变形区及切屑根部的标本。3、在线瞬态摄影法用由体式显微镜、照相机、及闪光源等组成的在线瞬态体式摄影系统拍摄切削金属层的某一点在切削过程中的流动轨迹（流线）的方法。（如图所示）这种方法可以得到切削层金属的流线图，从流线图可求得剪切角和变形厚度。4、高速摄影法采用高速摄影机观察高速切削情况下的金属变形情况，每秒可拍摄几万幅。5、扫描电镜观

3、察法是一种电子光学显微镜，放大倍率可达几十万倍，分辨率可达纳米级。常用于观察表面微观形貌及微区成分分析。可用于观察研究切屑的形貌研究切屑变性过程，观察刀具磨损形貌研究磨损机理等。6、光弹性、光塑性试验用来研究金属变形区的应力情况。二、金属切削层的变形1、变形区的划分根据试验可划出切削层金属在切削过程中的滑移线和流线的示意图。滑移线：切削层金属发生剪切塑性变形最大等剪应力曲线，切削层金属将沿着此滑移线发生剪切滑移变形。流线：切削层金属某一点在切削过程中的流动轨迹。变形化分区如图所示⑴第Ⅰ变形区（基本变形区）从OA线开始发生塑性

4、变形，到OE线晶粒的剪切滑移基本完成。将这一区域OAEO称为第Ⅰ变形区（OA称为始滑移线，OE称为终滑移线。）⑵第Ⅱ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，使切屑底层的金属将发生塑性变形。这部分称为第Ⅱ变形区。⑶第Ⅲ变形区在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层金属也将发生塑性变形。这部分称为第Ⅲ变形区。2、第Ⅰ变形区内金属的剪切变形及变形程度的表示方法⑴第Ⅰ变形区的变形过程⑵第Ⅰ变形区的变形特征沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化现象。⑶从金属晶体结构的角度理解第一变形区的变形沿滑

5、移线的剪切滑移变形就是沿晶格中晶面的滑移，设工件原材料晶粒为圆形，当受剪应力时，晶格内的晶面就发生位移，使晶粒呈椭圆形。⑷变形区的宽度(始滑移线OA至终滑移线OE之间的宽度）在一般切削速度范围内，仅为0.02~0.2mm，很窄。切削速度越高，始滑移线OA后移至OA’的程度就越大，变形区的宽度就越窄。所以第Ⅰ变形区可近似用一个面来表示。⑸剪切面及剪切角φ(如图所示）剪切面——工件待加工表面与切屑顶面的交线O’O’和刀尖所在直线OO所组成的平面。剪切角φ——剪切面与切削平面的夹角，即在正交平面内剪切线OO’与速度v的夹角。⑹第Ⅰ

6、变形区变形程度的表示方法①剪切角φ剪切角φ↑——第Ⅰ变形区的剪切滑移变形↓用剪切角φ表示第Ⅰ变形区的剪切滑移变形程度，高速时，较准确；低速时误差较大。通常，切削速度V↑——φ↑剪切滑移变形将减小。②相对滑移ε第Ⅰ变形区变形既然是剪切滑移，所以直接用剪应变即相对滑移ε来表示其变形程度。ε越大其变形程度就越大。相对滑移ε与剪切角φ的关系：ε=cosγo/sinφcos（φ－γo)刀具前角γo↑——ε↓；剪切角φ↑——ε↓。所以，在实际加工中通常是高速、大前角时切削轻快。③变形系数ξ(切屑厚度ach与切削层厚度ac）ach——切屑

7、的厚度，ac——切削层的厚度；Lch——切屑长度，Lc——切削层的长度。厚度变形系数：ξa=ach/ac长度变形系数：ξL=Lc/Lch通常，变形系数（ξa，ξL）↑——剪切滑移变形↑。3、第Ⅱ变形区的变形⑴第Ⅱ变形区的变形过程(如图所示）⑵第Ⅱ变形区的变形特征沿前刀面方向产生剧烈的剪切塑性变形并随之产生加工硬化现象。表现为切屑底沿前刀面方向出现严重纤维化，流动速度减缓，甚至会停止在前刀面上；切屑产生弯曲；同时产生大量的摩擦热。4、第Ⅲ变形区的变形⑴第Ⅲ变形区的变形过程⑵第Ⅲ变形区的变形特征在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦

8、作用下，已加工表面的表层金属产生纤维化并随之产生加工硬化。5、前刀面的摩擦与挤压及其对切屑变形的影响⑴作用在切屑上的力在直角自由切削条件下，以切屑为分离体，忽略其自身重力及剪切面上的弯矩影响，分析作用在切屑上的力。来自前刀面的力：法向力Fn，摩擦力Ff。其合力为Fr，Fn与Fr的夹角为摩擦