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金属切削过程中地三个变形区
论文
金属切削过程中的三个变形区
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金属切削过程中的三个变形区
摘要：
金属切削过程是指道具与工件相互作用形成切屑的过程，本文主要叙述了金属切削加工过程中的三个变形区的形成及相互联系，并分析了与这三个变形区有关的反映金属变形程度的相关参数，同时加以总结。
关键词：
金属切削，三个变形区，金属变形程度
Abstract:
theprocessofmetalcuttingreferstotoolsandtheworkpieceinteracttoformacuttingprocess,thispapermainlydescribestheprocessofmetalmachiningthreedeformationzonewasformedandinterconnected,andanalyzedandthethreedeformationzonerelatedtoreflecttheextentofmetaldistortionoftherelevantparameters,atthesametimetosumup.
Keywords：
metalcutting,threedeformationzone,extentofmetaldistortion
引言
金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。
金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。
在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。
对这些现象进行研究，揭示其在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。
总之，金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。
因此，必须进行深入的研究。
一、切屑形成过程及变形区的划分
1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。
金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。
2、变形区的划分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。
切削层的金属变形大致划分为三个变形区：
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）。
3、切屑的形成及变形特点
1）第一变形区（近切削刃处切削层产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形
切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。
切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。
在下图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度围，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。
AC、AE之间为第—变形区。
由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第—变形区，AB面亦称为剪切面。
剪切面AB与切削速度Vc之间的夹角称为剪切角。
作用力Fr与切削速度Vc之间的夹角ω称为作用角。
第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。
2）第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）金属的挤压磨擦变形
经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。
此时将产生挤压摩擦变形。
应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。
前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。
3）第三变形区（近切削刃处已加工表面产生的变形区）金属的挤压磨擦变形
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。
已加工表面的形成过程
需要指出的是，由于刀刃有钝圆半径rb，整个切削层厚度ac中，将有一层金属∆a无法沿OM方向滑移，而是从刀刃钝园部分O点下面挤压过去，即切削层金属在O点处分离为两部分。
二、切削变形程度的度量方法
1、相对滑移ε
相对滑移ε是用来量度第1变形区滑移变形的程度。
如下图，设切削层中A'B'线沿剪切面滑移至A"B"时的距离为△y，事实上△y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为△s。
则相对滑移ε表示为：
ε=
=cotφ+tan（φ-γ0）
2、变形系数∧h
变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。
如下图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。
变形系数∧h表示切屑收缩的程度，即
∧h=
=
>1
lc\hD————切削层长度和厚度；
lch\hch————切屑长度和厚度。
从上图可知，剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减短，切屑厚度hch减小，故∧h变小。
它们之间的关系如下：
∧h=
=cotφcosγ0+sinγ0
从上面两个公式可知，剪切角与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。
如果增大前角γ0和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。
注意：
由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而ε值主要从剪切变形考虑；而∧h主要从塑性压缩方面分析。
所以，ε与∧h都只能近似地表示切削变形程度。
三、剪切角的确定
剪切角是影响切削变形的一个重要因素。
若能预测剪切角的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。
为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角的计算式。
按最少能量原则来确定剪切角φ的计算式为：
φ=450+
-
按最大剪应力的理论，求出剪切角φ的计算式为：
φ=
+γ0-β0
从上面公式可看出：
与γ0、β有关。
增大前角γ0、减小摩擦角β，使剪切角增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。
从上面公式也可看出：
第2变形区产生的摩擦对第1变形区剪切变形的影响规律。
四、总结
切削加工过程中刀具与工件之间的关系十分复杂，如果将三个变形区联系起来，当切削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。
当切削层金属逐渐接近刀刃时，晶粒更伸长，成为包围刀刃周围的纤维层，最后在O点断裂，一部分金属成为切屑沿前刀面流出，另一部分金属绕过刀刃沿后刀面流出，并继续经受变形而成为已加工表面的表层。
因此，已加工表面表层的金属纤维被拉伸得更长更细，其纤维方向平行于已加工表面。
这个表层的金属具有与基体组织不同的性质，所以称为加工变质层。
由此可见，三个变形区是要联系地去进行分析的，只单独研究其中一个区是无法了解它们在金属切削过程中所体现出来的研究价值的。
一、切屑形成过程及变形区的划分1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。
金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。
2、变形区的划分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。
切削层的
一、切屑形成过程及变形区的划分
1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。
金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。
2、变形区的划分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。
切削层的金属变形大致划分为三个变形区：
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）。
三个变形区
3、切屑的形成及变形特点
1）第一变形区（近切削刃处切削层产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形
切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。
切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。
切屑形成过程
在图（a）中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度围，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。
AC、AE之间为第一变形区。
由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02－0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第一变形区，AB面亦称为剪切面。
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剪切面AB与切削速度Vc之间的夹角φ称为剪切角。
作用力Fr与切削速度Vc之间的夹角ω称为作用角。
第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。
2）第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）金属的挤压磨擦变形
经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。
此时将产生挤压摩擦变形。
应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。
前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。
3）第三变形区（近切削刃处已加工表面产生的变形区）金属的挤压磨擦变形
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。
二、切削变形程度的度量方法
相对滑移
1、相对滑移ε
相对滑移ε是用来量度第1变形区滑移变形的程度。
如上图，设切削层中A'B'线沿剪切面滑移至A"B"时的距离为△y，事实上△y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为△s。
则相对滑移ε表示为：
2、变形系数∧h
变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。
如下图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。
变形系数∧h表示切屑收缩的程度，即
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从上图可知，剪切角φ变化对切屑收缩的影响，φ增大剪切面AB减短，切屑厚度hch减小，故∧h变小。
它们之间的关系如下：
从上面两个公式可知，剪切角φ与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。
如果增大前角γ0和剪切角φ，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。
注意：
由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而ε值主要从剪切变形考虑；而∧h主要从塑性压缩方面分析。
所以，ε与∧h都只能近似地表示切削变形程度。
三、剪切角的确定
剪切角φ是影响切削变形的一个重要因素。
若能预测剪切角φ的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。
为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角φ的计算式。
其中，按最少能量原则来确定剪切角φ的计算式为：
按最大剪应力的理论，求出剪切角φ计算式为：
从上面公式可看出：
φ与γ0、β有关。
增大前角γ0、减小摩擦角β，使剪切角φ增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。
从上面公式也可看出：
第2变形区产生的摩擦对第1变形区剪切变形的影响规律。
四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。
这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。
它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。
1、积屑瘤是如何形成的?
1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。
2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。
切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“摩擦”。
3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。
4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。
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2、形成积屑瘤的条件：
主要决定于切削温度。
此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。
1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；
2）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。
3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
3、积屑瘤对切削过程的影响
1）实际前角增大
它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。
积屑瘤愈高，实际前角愈大。
2）使加工表面粗糙度增大
积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。
3）对刀具寿命的影响
积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。
但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。
4、防止积屑瘤的主要方法
1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；
2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；
3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；
4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；
5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
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五、切削变形变化规律
从相对滑移ε、变形系数∧h计算式中可知，剪切角φ与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。
如果增大前角γ0和剪切角φ，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。
1、前角：
增大前角γ0，使剪切角φ增大，变形系数∧h减小，因此，切削变形减小。
生产实践表明：
采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力。
2、切削速度：
切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角φ改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。
切削速度Vc对变形系数的影响：
3、进给量：
进给量f增大，使变形系数∧h减小。
进给量f对切削变形的影响规律：
4、工件材料：
工件材料硬度、强度提高，切削变形减少。
参考文献[1]唐宗军.《机械制造基础》.:
机械工业1997;[2]树森.《机械工程学》.;东北大学,2001;[3]洪惠良，《金属切削原理和刀具》.中国劳动保障2009;[4]华南工学院工业大学主编:
《金属切削原理及刀具设计》上册,第2版,科学技术,，1981[5]布思罗伊德著，工学院机制教研室译：
《金属切削加工的理论基础》,科学技术,，1980。
（G.Boothroyd，Fundamentalsofmetalmachininandmachinetools,ScriptaBookCo.,Washington.
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