第三章 金属切削过程的基本规律

金属刀具切学原理

第三章 金属切削过程 的基本规律

金属刀具切学原理

金属切削过程是刀具从工件表面上切除金属余量， 获得符合要求的已加工表面的过程。在这个过程中将产 生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损等，这 些均以切削过程中金属的弹、塑性变形为基础。而生产 实践中出现的积屑瘤、鳞刺、振动等问题，又都同切削 过程中的变形规律有关。因此，研究和掌握切削过程中 的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，对合理选 择切削用量，提高生产效率，工件的加工质量和降低生 产成本都有重要的意义。

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1898年Taylor和White发明高速 钢。1930 年前后人们又发明了硬质合金。 新的刀具材 料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应 用范围越来越广。以高速 钢的应用为例， Trent在他的名著《Metal Cutting》中写到 “高速钢刀具的出现引起了 金属切削实践的 革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并 要求完全改变机床的结构 ，据估计，在最初 几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二 千万美元的高速钢而 增加了八十亿美元的产 值。” 与此同时，生产实际也给金属切削研 究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具 的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。

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1907年Taylor在整整工作了26年切除了3 万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基 础上，在他经典的论文“On the Art of Cutting Metal”中提出了著名的刀具耐用度公 式， 第一个研究了切削速度和刀具耐用度之 间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍 有 重要的指导意义。有些学者认为金属切削 理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但 Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重 要的里程碑。 传统意义上的金属切削理论研究在二十世 纪六七十年代达 到高峰

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第三章 金属切削过程的基本规律第一节第二节 第三节

切削变形与切屑的形成过程切削力 切削热与切削温度

第四节

刀具磨损与寿命

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第三章 金属切削过程的基本规律

第一节

切削变形与切屑的形成过程

塑性金属受挤压， 随外力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，使金属的晶格沿晶面发 生滑移，最后产生破裂。 研究条件：直角自由切削 切削变形的力学本质： 切削金属形成切屑的 过程是一个类似于金 属材料受挤压作用， 产生塑性变形进而产 生剪切滑移的变形过 程。

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塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金 属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金 属晶格产生滑移，而后断裂

以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、 温度、和应变速度的影响，金属切削过程 如同压缩过程，切削

层受刀具挤压后也产 生塑性变形。

金属试件受挤压时，在其内部产生 主应力的同时，还将在与作用力大 致成45°方向的斜截面内，产生最 大切应力，在切应力达到屈服强度 时将在此方向剪切滑移。

刀具切削时相当于局部挤压， 使金属沿最大剪应力方向产 生滑移。CB线以下金属由于母体阻碍，不能沿BC线滑移，而只 能沿DA线滑移。

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一、切削变形区

该区域对工件表面的残余应力以 及后刀面的磨损有很大的影响。 第一变形区

第一变形区：(基本变形区) OA~OM之间的区域，是切削 第三变形区： 第二变形区： 过程中的主要变形区，是切削 工件已加工表面与刀具后刀面之 切屑底层与前刀面之间的摩擦 力和切削热的主要来源。 间的挤压、摩擦变形区域。 变形区。主要影响切屑的变形 主要特征： 造成工件表面的纤维化与加工硬 和积屑瘤的产生。 化。 剪切面的滑移变形第二变形区 第三变形区

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1. 第Ⅰ变形区 :塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。 塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间 形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间 的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区(Ⅰ)。

第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。

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第一变形区内金属的剪切变形ψ hch 刀具 M

A

一般速度范围内Ⅰ区宽度为0.02~.2mm,速 度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面或称滑 移面

hD

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剪切角υ : 剪切面和切削速度方向的夹角。 υ值小，反映剪切变 形的程度大 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 切削层，当切削速度高时，剪切角ф较大，剪切面积变小切削比 较省力，说明切屑变形较小。相反，当剪切角ф较小，则说明切 屑变形较大

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滑移面与作用力方向夹角为45 滑移面与晶格变形伸长方向夹角为ψ

°

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2. 第Ⅱ变形区切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面 之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤 维化”的二次变形，其方向基本上和前面相平行。这部分区域称为第二 变形区(Ⅱ)。

纤维化金属粘附在前刀面上，使其流动速度非常低，这种切屑底层流 动速度较其它部分缓慢的现象称为滞流现象，该金属层叫滞流层。刀 屑这种摩擦实质上是切屑底层内的剪切滑移。变形性质为塑性变形。 造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。

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3. 第Ⅲ变形区第一变形区的塑性变形扩展到切削层的下方金属，在后 刀面的法向力和摩擦力的作用下，使工件继续产生径向的塑 性变形和弹性变形。该变形区的变形及应力状态对

已加工表 面的质量影响最大。会造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、 加工硬化和残余应力。 引起变形的主要因素： ⑴刀刃都有钝圆半径 刀刃不可能绝对锋利，不管采用何种方式刃磨，刀刃总 会有一钝圆半径rn。一般高速钢刃磨后rn为3~10μm,硬质 合金刀具磨后约18~32μm,如采用细粒金刚石砂轮磨削， rn最小可达到3~6μm。另外，刀刃切削后就会产生磨损， 增加刀刃钝圆。 被切金属与基体的分离点在该圆弧段上是随机的。使切 削层参数中公称切削厚度不可能完全切除(△a),会有很小一 部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一 步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量

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