金属的切削过程及其变形规律

学习与研究金属的切削过程及其规律是金属切削加工的基础，掌握金属的切削规律有助于提高切削效率，降低加工成本，保证加工质量。深入研究切削规律有助于面对不断发展和变化的科学技术，随着航空、航天技术的发展，各种难加工材料不断出现，各种新型刀具材料不断产生，要求人们不断的探索。切削加工技术的发展，如自动化加工技术、微电子技术等的出现，要求人们更加深入研究金属切削过程与规律。当今先进制造技术的基础--数控加工技术的普及与推广，也要求人们更好地掌握其切削加工规律，使其发挥更大的潜力。

金属切削过程的研究已有上百年的历史，从早期的以经典力学为基础，根据实验观察的研究方法，到现代的基于有限元技术的虚拟仿真技术，人们的探索始终没有停止金属的切削过程非常复杂，到目前为止，实验观察仍然是研究金属切削过程的主要手段。实验观察的方法主要有侧面变形观察法、快速落刀法、高速摄影法、光弹性与光塑

性实验法、在线瞬态体视摄影技术、扫描电镜观察技术等。到目前为止，人们普遍认为金属的切削过程实质上是金属挤压后产生弹、塑性变形造成材料剪切滑移切下金属材料(切屑)形成已加工表面的过程。描述这个过程通常将金属的切削变形划分为三个变形区进行分析，

(1)金属切削变形过程及其变形区的划分如下图所示为金属切削变形过程模型随着刀具主运动方向的切削运动(图中刀具左移)，刀具前面对金属材料产生挤压，使材料产生弹性变形、塑性变形，随着变形量的增大，材料沿着最大剪应力方向产生金属滑移，以刀尖处的0点为材料变形分界点，上部的金属沿前面经过进一步的摩擦与变形流出形成切屑下部的材料经过后面的进一步挤压变形与摩擦，然后经过弹性回复形成已加工表面。图中粗线所示为工件上某质点P的流动轨迹示意图。

(2)第一变形区上图中材料从OA线(始滑移线)开始产生塑性剪切滑移，至OM线(终滑移线)结束滑移，始滑移线0A至终滑移线0M所包含的区域(I)称为第一变形区，其变形特点是剪切滑移。

如下图所示为第一变形区金属滑移模型，其滑移线OA、OB、OC、OM实质上是等剪应力线，P点运动到1点开始剪切滑移，其合成运动使其流动到2点，2-2就是它的滑移量。随着P点向刀具的主运动以及剪切滑移的继续进行，P点经2-3点移动至4点，结束剪切滑移。

第一变形区变形抗力是切削力的主要来源之一，同时金属变形造成材料的加工硬化，并产生切削热。实际切削中，第一变形区实际上是很窄的一个区域，故有时又称之为前切面。剪切面与主运动方向的夹角称为剪切角中(图中未示出)剪切角的大小一定程度上反映了切削第一变形区变形量的大小，剪切角越大，则剪切面积越小切削变形比较省力。剪切角的大小与刀具的前角切削速度、材料性能和前面的摩擦等因素有关。

(3)第二变形区指材料从刀尖处材料变形的分界点0经前面流出过程中进一步受到前面挤压与摩擦而使金属变形的区域，这一变形区各点主要是切屑与前面挤压和摩擦。下图所示为第二变形区的挤压与摩擦情况示意图。切削过程中，在切屑沿前面流动之初(l_n段)，切屑与前面间的正压力σ_γ很大，可达2~3GPa，再加上几百摄氏度的高温，使切削底层材料与前面发生冷焊现象出现切屑与刀具的粘结，在粘结状态下，切屑与前面的摩擦已非一般意义上的滑动摩擦，转而为刀具切屑和刀具粘结层与上一层金属之间的内摩擦，即金属材料内部的剪切滑移，由此而产生的内摩擦力与材料的流动应力特性以及粘结面积有关，表现为摩擦力基本恒定(等于材料的剪切屈服强度)。随着材料沿前面的流动挤压力(即正压力σ_γ)逐渐减小(进入l_Ω段)，冷焊现象消失，切屑与前面的摩擦遵循古典的摩擦定律，即摩擦力的大小与正压力成正比，即正压力与摩擦系数的乘积，摩擦力的大小与接触面积无关，对应前述的内摩擦，这种摩擦又称之为外摩擦。由此可见，金属切削过程切屑与前面的摩擦规律远比一般意义上的摩擦要复杂得多第二变形区的挤压与摩擦，使金属切削过程中可能出现积屑瘤和鳞刺现象，影响前面刀具的磨损、切屑的卷曲与断屑、切削区的温度分布规律等。影响第二变形区摩擦力变化的因素有:工件材料的性能，切削厚度，切削速度和刀具前角等。

(4)第三变形区 指材料从刀尖处材料变形的分界点O经切削刃钝圆与后面的摩擦、挤压与弹性回复的变形过程，如图中的Ⅲ区。下图所示为第三变形区形成已加工表面的示意图，图中，OB段存在挤压与摩擦;BC段为后面磨损，以摩擦为主;CD段为弹性回复，摩擦逐渐减小。第三变形区的变形区域较为集中，造成工件表层材料的纤维化和加工硬化，使工件表层留下残余应力，影响已加工表面的表面粗糙度、刀具后面的磨损、背向切削力的大小等。

(5)刃前区变形分析刃前区指变形分界点0附近区域，此处应力较为集中而复杂，金属的被切削层在此处与工件本体分离，大部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面，如图所示为刃前区的应力分布规律。