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金属切削过程中的变形一、切屑的形成过程1．变形区的划分切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。图2-10是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图。流线表明被切削金属中的某一点在切削过程中流动的轨迹。切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：（1）第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。OA线和OM线之间的区域（图中Ⅰ区）称为第一变形区。（2）第二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，使靠近前刀面处的金属纤维化，基本上和前刀面平行。这一区域（图中Ⅱ区）称为第二变形区。（3）第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成表层金属纤维化与加工硬化。这一区（图中Ⅲ区）称为第三变形区。在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。OA称作始滑移线，OM称作终滑移线。当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。晶粒伸长的方向与滑移方向（即剪切面方向）是不重合的，它们成一夹角ψ。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0．02－0．2mm，所以可以用一剪切面来表示（图2－12）。剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角，以φ表示。2．切屑的受力分析在直角自由切削的情况下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上的正压力Fns和剪切力Fs；这两对力的合力互相平衡，如图2－14所示。如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力Fc和Fp，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角β，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数μ。二、切削变形程度切削变形程度有三种不同的表示方法，分述如下。1．变形系数在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都大于工件切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削层长度lc。切屑厚度hch与切削层厚度hD之比称为厚度变形系数；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数。由于切削层变成切屑后，宽度变化很小，根据体积不变原理，可求得＝=2．相对滑移。既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移（剪应变）。来衡量切削过程的变形程度。图2-l7中，平行四边形OllNM发生剪切变形后，变为平行四边形OCPM，其相对滑移3．剪切角φ在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。图2-15为直角自由切削状态下的作用力分析，在垂直于切削合力F方向的平面内剪应力为零，切削合力F的方向就是主应力的方向。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45，即Fs与F的夹角应为45，故有分析上式可知：1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。三、前刀面上的摩擦经测定，切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正应力σ和切向应力τ。在切屑与刀具前刀面接触的OB长度内存在两种不同的接触状态。在靠近切削刃的OA区，由于正应力值大，切屑在前刀面上形成粘结接触，在此区域内，各点的切应力τ基本相同，它等于被切材料的剪切屈服强度τs；在AB区，由于正应力小，切屑在前刀面上形成滑动接触，切屑相对于前刀面的摩擦特性服从古典摩擦法则，各点的摩擦系数μ相同，切应力τ=μσ。粘结接触区上各点的摩擦系数由于σ(x)随x变化，故在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦系数是一个变值，离切削刃越远，摩擦系数越大，其平均摩擦系数四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1．积屑瘤的形成及其影响在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块（图2－19），它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2－3倍，这块粘附在前刀面上的金属称为积屑瘤。切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦，当接触面达到一定温度，同时又存在较高压力时，被切材料会粘结（冷焊）在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上流过时，如果温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊”在前刀面上的金属层上，粘成一体，使粘结层逐步长大，形成积屑瘤。积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；切削区的温度和压力很低时，不会产生积屑瘤；温度太高时，由于材料变软，也不易产生积屑瘤。对碳钢来说，切削区温度处于300－350℃时积屑瘤的高度最大，切削区温度超过500℃积屑瘤便自行消失。在背吃刀量ap和进给量f保持一定时，积屑瘤高度Hb与切削速度vc有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。图2－20中，Ⅰ区为低速区，不产生积屑瘤；Ⅱ区积屑瘤高度随vc的增大而增高；Ⅲ区积屑瘤高度随vc的增大而减小；Ⅳ区不产生积屑瘤。2．积屑瘤对切削过程的影响（1）使刀具前角变大（2）使切削厚度变化（3）使加工表面粗糙度增大（4）对刀具寿命的影响积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：l）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。五、影响切屑变形的因素1．工件材料工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和钢刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力σav增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角β减小，剪切角φ增大，变形系数Λh将随之减小。2．刀具前角增大刀具前角γo，剪切角φ将随之增大，变形系数Λh将随之减小；但γo增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力σav减小，使摩擦角β和摩擦系数μ增大而导致φ减小。由于后一方面影响较小，Λh还是随的γo增加而减小。3．切削速度vc在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度vc越大，变形系数Λh越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度越高，切削变形越不充分，导致变形系数下降。此外，提高切削速度还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度τs因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数μ减小，使变形系数Λh下降。4．切削层公称厚度hD在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度hD越大，变形系数Λh越小。