第三章金属切削过程的基本规律

1、（1）掌握切削变形过程及三个变形区的变形特点；（2）理解切削变形的表示方法；（3）掌握积屑瘤、加工硬化的产生机理及预防抑 制措施；（4）掌握影响切削变形的因素；（5）掌握切削温度的分布规律；（6）掌握切削温度的影响因素；（7）掌握刀具磨损类型、过程及磨损机理；（8）掌握刀具寿命概念及确定原则。本章主要研究各种现象的成因、作用和变化规律。切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损掌握这些规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，保证切削加工质量、减少能量消耗、提高生产率和生产技术发展等方面起着重要作用。金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在这过程

2、中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等.用显微镜直接观察低速直角自由切削工件侧面得到的金属变形情况（一）切削变形u 金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：塑性金属受压缩时，随着外力增加，金属先后产生弹性变形、塑性变性，并使金属晶格产生滑移，而后断裂。（实质）u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产生了塑性变性。切屑形成的典型模型：挤压切屑形成的典型模型：挤压滑移滑移挤裂挤裂切离切离 切屑的形成与切离过程，是切削层受切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主到刀具前刀面的挤压

3、而产生以滑移为主的塑性变形过程。的塑性变形过程。FABOM45a）正挤压）正挤压FABOM45b）偏挤压）偏挤压OMFc）切削）切削正挤压：正挤压：金属材料受挤压时，最大剪金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成应力方向与作用力方向约成4545偏挤压：偏挤压：金属材料一部分受挤压时，金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿线滑移，而只能沿OM线滑移线滑移切削：切削：与偏挤压情况类似。弹性变形与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点剪切应力增大，达到屈服点产生塑产生塑性变形，沿性变形，沿OM线滑移线滑移剪切应力

4、与滑剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度移量继续增大，达到断裂强度切屑与切屑与母体脱离。母体脱离。 金属挤压与切削比较金属挤压与切削比较挤压与切削挤压与切削三个变形区域第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；第变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区；第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。第一变形区内金属的剪切变形第一变形区内金属的剪切变形 第一变形区的剪切变形的第一变形区的剪切变形的过程为：弹性变形过程为：弹性变形塑塑性变形性变形晶粒的滑移（纤维化）晶粒的滑移（纤维化）剪切滑移变形剪切滑移变形刀具第一变形区金属的滑移在一般切削速度范围内，第一在一般切削速度范围内，第一变形

5、区的宽度仅为变形区的宽度仅为0.02-0.2mm，所以可以用剪切面来表示。所以可以用剪切面来表示。剪切面和切削速度方向的夹角剪切面和切削速度方向的夹角称为剪切角，以称为剪切角，以表示。表示。切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角金属切削变形过程金属切削变形过程第二变形区的摩擦特性第二变形区的摩擦特性塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。这是由于受前面的挤压和摩擦进一步加剧变形，在靠近前面处形成第二变形区即摩擦区摩擦区。摩擦区的特征摩擦区的特征：使切屑底层靠近前面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上（实质上就是滞留层）；切屑弯曲，有摩擦而产生的热量使切屑与刀具接

6、触面温度升高等。滞留层的特点滞留层的特点：滞留层的变形程度要比上层剧烈，约几倍到几十倍，厚度一般约占切屑厚度的1/81/9。图 为 刀屑面间摩擦区a)内摩擦区应力分布 b）内摩擦区内粘结照片第三变形区第三变形区第三变形区与加工表面的形成关系更为密切。第三变形区与加工表面的形成关系更为密切。 在第三变形区里，在第三变形区里，后刀面施加法向力后刀面施加法向力F FNN和摩擦力和摩擦力F F于于工件。工件。法向力法向力F FNN使工件产生径向的塑性变形和弹性变形。使工件产生径向的塑性变形和弹性变形。摩擦力摩擦力F F使加工表面产生切向的塑性变形和弹性变形。使加工表面产生切向的塑性变形和弹性变形。 残

7、余应力：由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用的残余应力：由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残存的应力。由于外力为零，所以情况下，在零件内部所残存的应力。由于外力为零，所以零件内各部分的残余应力，必须彼此保持平衡。零件内各部分的残余应力，必须彼此保持平衡。 工件表层加工硬化的成因工件表层加工硬化的成因是表层金属在形成已加工表面的是表层金属在形成已加工表面的过程中经受强烈的塑性变形过程中经受强烈的塑性变形- -不可恢复的变形不可恢复的变形- -加工硬化加工硬化 。图 3-2 切屑形成过程 a）切削层的剪切滑移过程 b）切屑形成时各作用角 c）切屑形成金相照片1 1）带状

8、切屑）带状切屑: : 切屑卷曲呈带状，内表面光滑，外切屑卷曲呈带状，内表面光滑，外表面呈毛茸状。切削塑性材料，切削厚度较小，切削表面呈毛茸状。切削塑性材料，切削厚度较小，切削速度较高，前角较大。其切削过程较平稳，切削力波速度较高，前角较大。其切削过程较平稳，切削力波动较小，表面粗糙度较小。动较小，表面粗糙度较小。（二）切屑的类型2 2）节状切屑）节状切屑（挤裂切屑）挤裂切屑） : : 切屑呈节状，外表切屑呈节状，外表面局部开裂呈锯齿状，内表面有裂纹。切削塑性材料，面局部开裂呈锯齿状，内表面有裂纹。切削塑性材料，切削厚度较大，切削速度较低，前角较小。其切削过切削厚度较大，切削速度较低，前角较小。

9、其切削过程不平稳，切削力有波动，表面粗糙度较大。程不平稳，切削力有波动，表面粗糙度较大。3 3）粒状切屑）粒状切屑 ：切屑呈颗粒状，形成单元切屑。切屑呈颗粒状，形成单元切屑。切削塑性材料，切削厚度较大，切削速度很低，前角切削塑性材料，切削厚度较大，切削速度很低，前角较小或负前角，或加工较硬的材料。其切削过程不平较小或负前角，或加工较硬的材料。其切削过程不平稳，切削力波动较大，表面粗糙度较大。稳，切削力波动较大，表面粗糙度较大。 以上三种切屑只有在加工塑性材料时，才可能得到。其中带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大，在生产中最常见的是带状切屑。有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见到，

10、假如改变挤裂切屑的条件，如 、v或 单元切屑。反之得到带状切屑，这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的，掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。oca4 4）崩碎切屑）崩碎切屑 ：切屑呈碎块状。切削铸铁或脆性材切屑呈碎块状。切削铸铁或脆性材料，由于材料塑性小，抗拉强度低，切削层在刀具前料，由于材料塑性小，抗拉强度低，切削层在刀具前刀面的挤压下，未经塑性变形就被挤裂或挤断形成不刀面的挤压下，未经塑性变形就被挤裂或挤断形成不规则的碎块状。工件材料越硬、越脆，前角越小，切规则的碎块状。工件材料越硬、越脆，前角越小，切削厚度越大，越易产生崩碎切屑。削厚度越大，越

11、易产生崩碎切屑。特点：切屑的形状是不规则的，表面是凹凸不平的（F、Q集中在刀尖附近T），切削过程不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床， ，因此在生产过程中应力求避免，方法是：aRvac针状切屑或片状切屑的类型 a）带状切屑 b）节状切屑 c）粒状切屑 d）崩碎切屑(切屑厚度压缩比切屑厚度压缩比)变形系数变形系数：切屑厚度与切削层厚度之比切屑厚度与切削层厚度之比a 切削层长度与切屑长度之比切削层长度与切屑长度之比L（三）变形程度的表示方法（三）变形程度的表示方法= =sincos0当当 ； 0 、 剪切角剪切角 实验证明剪切角实验证明剪切角的大小和切削力的大小有直的大小和切削力的大小有直接联系。对

12、于同一工件材料，用同样的刀具，切接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，如削同样大小的切削层，如角较大，剪切面积变角较大，剪切面积变小，即变形程度较小，小，即变形程度较小，切削比较省力。切削比较省力。所以所以角角本身就表示变形的程度本身就表示变形的程度。剪切角的概念剪切角的概念图图 3-4 切削变形程度表示切削变形程度表示 a）切屑与切削层尺寸）切屑与切削层尺寸 b）前角剪切角与切削变形关系）前角剪切角与切削变形关系 c）剪切角确定）剪切角确定剪切角剪切角: : 剪切面与切削速度方向之间的夹角。其剪切面与切削速度方向之间的夹角。其大小可表示切削变形的程度。大小可表示切削变

13、形的程度。1 1）根据合力最小原理得根据合力最小原理得 =/ / 4 / / 2 + 0 / / 22 2）根据主应力方向与最大剪应力方向成根据主应力方向与最大剪应力方向成45得得： = =/4/4 + +0 0 从以上两公式中可得出：从以上两公式中可得出： 剪切角剪切角与摩擦角与摩擦角有关：有关： 剪切角剪切角与前角与前角0 有关：有关： 0（1 1）前刀面上的摩擦形式）前刀面上的摩擦形式 1 1）峰点型接触（外摩擦形式）峰点型接触（外摩擦形式） 实际接触面积实际接触面积A Ar r只是名义接触面积只是名义接触面积Aa的一小部分。的一小部分。 Ar Aa Ar = Frn / / s 2 2

14、）紧密型接触（内摩擦形式）紧密型接触（内摩擦形式） 实际接触面积实际接触面积A Ar r接近于名义接触面积接近于名义接触面积Aa Ar= Aa Aa = Frn / / （x）（2 2）前刀面上的摩擦力及峰点的冷焊）前刀面上的摩擦力及峰点的冷焊 摩擦力摩擦力 F Fr r = =s s A Ar r + P + Ps s A Ar r F Fr r = =s s A Ar r 或或 F Fr r = =s s A Aa a （3 3）前刀面上的摩擦特点）前刀面上的摩擦特点在前刀面上的前区在前刀面上的前区OA段为紧密型接触的摩擦形式，段为紧密型接触的摩擦形式，摩擦系数为摩擦系数为OA =s /

15、（x），它是一个变量，不服从古它是一个变量，不服从古典摩擦法则。其摩擦力约占总摩擦力典摩擦法则。其摩擦力约占总摩擦力85%。而在前刀面上的后区而在前刀面上的后区AB段为峰点型接触的摩擦形段为峰点型接触的摩擦形式，摩擦系数为式，摩擦系数为AB =s / s ，它是一个常数，服从古它是一个常数，服从古典摩擦法则。典摩擦法则。第第2 2章章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具（五）（五） 积屑瘤或刀瘤积屑瘤或刀瘤在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在刀具前在刀具前面处面处粘着一块

16、剖面常呈三角状的粘着一块剖面常呈三角状的硬块硬块。它的硬度。它的硬度很高，通常是工件材料的很高，通常是工件材料的2 23 3倍，在处于比较稳倍，在处于比较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。定状态时，能够代替刀刃进行切削。1 1）积屑瘤现象及其产生条件）积屑瘤现象及其产生条件当切削塑性材料，切削速度在中低速，易形成当切削塑性材料，切削速度在中低速，易形成带状切屑的情况下产生积屑瘤。取决于切削温度的带状切屑的情况下产生积屑瘤。取决于切削温度的高低。高低。2 2）积屑瘤的成因及其与切削速度的关系）积屑瘤的成因及其与切削速度的关系滞流不流成刀瘤。刀滞流不流成刀瘤。刀- -屑之间为紧密型接触的屑之间为紧

17、密型接触的摩擦形式。积屑瘤的生长过程：产生、增长、脱摩擦形式。积屑瘤的生长过程：产生、增长、脱落、再产生、再增长、再脱落、落、再产生、再增长、再脱落、。3 3）积屑瘤对切削过程的影响及其控制）积屑瘤对切削过程的影响及其控制增大前角；增大切削厚度；保护刀具；增大前角；增大切削厚度；保护刀具； 影响加工表面质量；影响加工表面质量； 加剧刀具磨损。加剧刀具磨损。（六）已加工表面类形和加工硬化1）已加工表面变形 由于刃口圆弧的挤压和摩擦作用，使刃口前方切削层内出现了复杂的塑性变形区域，并在近刃口的已加工表面金属层内形成了第变形区。已加工表面层内晶粒变化2）加工硬化 加工硬化亦称冷硬，它是在已加工表面严

18、重变形层内，金属晶格伸长、挤紧、扭曲甚至碎裂而使表面层组织硬度增高的现象。 后果： 在硬化层的表面上会出现细微的裂纹、并在表层内产生残余应力。因此，硬化降低了加工表面质量和材料的疲劳强度，增加下道工序加工困难，加速刀具磨损。在切削时应设法避免或减轻硬化现象。提高刀具刃磨质量，减小刃圆孤半径；增大前，减小切削变形；增大后角，减少摩擦；提高切削速度，使表层来不及硬化；不采用很小的进给量f，以减小挤压作用。研究切削变形的方法影响切削变形的因素 切削变形大小对于积屑瘤、加工硬化、切削力、切削温度和加工表面质量起着重要影响。改变加工条件，促使剪切角增大、摩擦系数减小，就能使切削变形减小(2)前角：增大前

19、角o，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切削变形减小(1)工件材料：材料的强度、硬度提高，正压力Fn增大，平均正压力增大，因此，摩擦系数下降，剪切角增大，切削变形减小。塑性较高的材料，则变形较大。(3)切削速度：中低速时，积屑瘤影响较大，积屑瘤高度越高，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数减小。高速时，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小。增大(4)进给量f增大，切削厚度ac增加，平均正应力fav增大，正压力Fn增大，因此摩擦系数下降、剪切角。致使变形系数减小。 切削厚度ac增加，切屑中平均变形减小；反之，薄切屑的变形量大 影响切削变形的主要因素影响切削变形的主要因素1 1）工件材料

20、）工件材料 强度、硬度强度、硬度 av 变形小变形小2 2）刀具前角）刀具前角 0 s 变形小变形小3 3）切削速度）切削速度 VC 30m/min ： VC 变形小变形小 VC 30m/min ： VC 变形小变形小4 4）进给量）进给量 f hD av 变形小变形小 切削力切削力是指由于刀具切削工件而产生的工件是指由于刀具切削工件而产生的工件和刀具之间的相互作用力。和刀具之间的相互作用力。 切削力是切削过程中产生的重要物理现象，切削力是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程有着多方面的对切削过程有着多方面的重要影响重要影响：它直接影：它直接影响切削时消耗的功率和产生的热量，并引进工响切削

21、时消耗的功率和产生的热量，并引进工艺系统的变形和振动。切削力过大时，还会造艺系统的变形和振动。切削力过大时，还会造成刀具、夹具或机床的损坏。切削过程中消耗成刀具、夹具或机床的损坏。切削过程中消耗功所转化成的切削热则会使刀具磨损加快，工功所转化成的切削热则会使刀具磨损加快，工艺系统产生热变形并恶化已加工表面质量。艺系统产生热变形并恶化已加工表面质量。切削力的来源：切削力的来源： 产生切削力的根本原因是切削过程中产生的变形和摩产生切削力的根本原因是切削过程中产生的变形和摩擦。对刀具来说，它受到的擦。对刀具来说，它受到的切削力来自两个方面：切削力来自两个方面：1 1）来自于三个变形区内工件材料的弹性

22、变形、塑性变形产）来自于三个变形区内工件材料的弹性变形、塑性变形产生的变形抗力；生的变形抗力；2 2）来自工件、切屑与刀具表面间的摩擦阻力。）来自工件、切屑与刀具表面间的摩擦阻力。从产生的部位来说，切削力产生于刀具的前、后刀面，前从产生的部位来说，切削力产生于刀具的前、后刀面，前刀面上的正压力刀面上的正压力F FNrNr和和摩擦力摩擦力F Ff fr r合成前刀面合力合成前刀面合力F Fr r , , 工件剪工件剪切面上的切面上的F Fnsh nsh 、F Ffshfsh，F FF Fsh后刀面上的正压力与摩擦力合成后刀面合力后刀面上的正压力与摩擦力合成后刀面合力F Fa a 。切屑上的作用力

23、切屑上的作用力刀具的切削力刀具的切削力一般切削条件下，如果刀具比较锋利，前刀面一般切削条件下，如果刀具比较锋利，前刀面上的切削力是主要的，后刀面上的切削力相对上的切削力是主要的，后刀面上的切削力相对较小。在研究有些具体问题时，为了使问题简较小。在研究有些具体问题时，为了使问题简化，常忽略后刀面上的作用力的影响，但在刀化，常忽略后刀面上的作用力的影响，但在刀具磨损大时，则不容忽视。具磨损大时，则不容忽视。切削合力与分力切削合力与分力主切削力主切削力FcFc（FzFz）：主运动方）：主运动方向上的切削分力。用于计算切向上的切削分力。用于计算切削功率、校核机床及工夹具强削功率、校核机床及工夹具强度和

24、刚度。度和刚度。背向力背向力Fp （径向分力（径向分力Fy）：垂直于工作平面，过大会引起）：垂直于工作平面，过大会引起工艺系统的变形和振动，降低加工质量。机床设计时，用工艺系统的变形和振动，降低加工质量。机床设计时，用于主轴轴承寿命计算、轴承选择、主轴弯曲刚度校验等。于主轴轴承寿命计算、轴承选择、主轴弯曲刚度校验等。进给力进给力Ff（轴向分力（轴向分力Fx）:沿进给运动方向。是设计机床进给系统沿进给运动方向。是设计机床进给系统的主要依据的主要依据 F F2 2=F=Fc c2 2+F+Fp p2 2+F+Ff f2 2 F FD D：在基面内合力；：在基面内合力；F FD D2 2=F=Fp

25、p2 2+F+Ff f2 2F Fp p=F=FD D cosKr F cosKr Ff f=F=FD DsinKrsinKrF F2 2=F=Fc c2 2+F+FD D2 2一般情况下，主切削力一般情况下，主切削力FcFc最大。随着刀具材料、刀具最大。随着刀具材料、刀具几何参数、刃磨情况、切削用量、工件材料的不同，几何参数、刃磨情况、切削用量、工件材料的不同，FcFc、F Fp p、F Ff f之间的比例可在较大范围内变化。之间的比例可在较大范围内变化。 根据实验，当根据实验，当r=45r=45、s=0s=0、o=15o=15时，时，FcFc、F Fp p、F Ff f之间有近似关系：之间

26、有近似关系：F Fp p=(0.4=(0.4 0.5) Fc F0.5) Fc Ff f=(0.3=(0.3 0.4) Fc 0.4) Fc F=(1.12F=(1.12 1.18)Fc1.18)Fc切削力的数值可以用仪器测量获得，也可以用经验公切削力的数值可以用仪器测量获得，也可以用经验公式计算得到。式计算得到。一）一）. .切削力的测量切削力的测量为获得在某特定切削条件下切削力的数值，可用一为获得在某特定切削条件下切削力的数值，可用一种专门用于测量切削力的装置种专门用于测量切削力的装置-测力仪进行测量。测力仪进行测量。测力仪的种类很多，按工作原理的不同，可分为机测力仪的种类很多，按工作原理

27、的不同，可分为机械式、电阻式、电感式、压电式等。目前使用较为械式、电阻式、电感式、压电式等。目前使用较为普遍的是电阻应变式测力仪。压电式测力精度高，普遍的是电阻应变式测力仪。压电式测力精度高，但价格昂贵，应用也在不断增加。下面介绍电阻应但价格昂贵，应用也在不断增加。下面介绍电阻应变式测力仪的工作原理及其测力方法。变式测力仪的工作原理及其测力方法。 电阻应变式测力仪由传感器、电桥电路、应变仪电阻应变式测力仪由传感器、电桥电路、应变仪和记录仪组成。和记录仪组成。传感器传感器是一个可将切削力的变化转是一个可将切削力的变化转换为电量变化的弹性元件。换为电量变化的弹性元件。利用这种传感器可同时测量Fz、

28、Fy和Fx，也可单测某一分力。测量时，要在弹性元件部分的适当部位粘贴若干片电阻值可随弹性元件变形而变化的电阻应变片，并把它们联入电桥电路，以便于将电阻值的变化转换成可读的电信号（电流或电压）后输出。电阻应变片电阻应变片单向电阻式测力仪的工作原理原理：原理：测力时，当紧固在传感器刀孔内的车刀受测力时，当紧固在传感器刀孔内的车刀受到切削力作用时，应变片中电阻丝的直径和长度到切削力作用时，应变片中电阻丝的直径和长度将随弹性元件的变形而发生变化，因而其阻值将将随弹性元件的变形而发生变化，因而其阻值将发生微小变化，受拉伸时阻值增大，受压缩时阻发生微小变化，受拉伸时阻值增大，受压缩时阻值减小，其变化量随变

29、形量的大小而变化。为便值减小，其变化量随变形量的大小而变化。为便于测量，通常采用电桥电路将其转化为电压（或于测量，通常采用电桥电路将其转化为电压（或电流）信号，再由应变仪放大后，由记录仪输出电流）信号，再由应变仪放大后，由记录仪输出。在传感器元件允许的范围内，输出电信号与切。在传感器元件允许的范围内，输出电信号与切削力的大小成正比，通过标定可得到切削力与电削力的大小成正比，通过标定可得到切削力与电信号之间的关系曲线（标定曲线），进行实际切信号之间的关系曲线（标定曲线），进行实际切削时，通过测量得到的电信号便可在曲线上找到削时，通过测量得到的电信号便可在曲线上找到其对应的切削力数值。其对应的切削

30、力数值。二）切削力经验公式的建立二）切削力经验公式的建立 切削力经验公式是在通过切削实验取得大量数据切削力经验公式是在通过切削实验取得大量数据的基础上，经适当的数据处理后得到的关于切削力与的基础上，经适当的数据处理后得到的关于切削力与可变因素（切削条件）之间的定量关系式。由于依据可变因素（切削条件）之间的定量关系式。由于依据经验数据，故称为经验公式。经验数据，故称为经验公式。目前，在计算一定切削目前，在计算一定切削条件下的切削力数值时，多采用经验公式。条件下的切削力数值时，多采用经验公式。 建立经验公式时，为便于进行数据处理并保证经建立经验公式时，为便于进行数据处理并保证经验公式的可靠性，通常

31、多采用单因素实验法或正交实验公式的可靠性，通常多采用单因素实验法或正交实验法，而在处理数据时采用图解法或线性回归法。验法，而在处理数据时采用图解法或线性回归法。 单因素实验法建立车削力经验公式：在影响车单因素实验法建立车削力经验公式：在影响车削力的因素中，影响最大，也最直接的是切削深削力的因素中，影响最大，也最直接的是切削深度度a ap p和进给量和进给量f f。 其他因素则主要通过其他因素则主要通过对切屑变形和摩擦的影响对切屑变形和摩擦的影响而影响切削力。而影响切削力。目前普遍使用的车削力经验公式目前普遍使用的车削力经验公式的基本形式均采用各切削分力与的基本形式均采用各切削分力与a ap p

32、、f f之关系的形之关系的形式，对其他因素的影响，再通过修正系数加以考式，对其他因素的影响，再通过修正系数加以考虑。虑。1.1.指数公式：指数公式：FFccFcccFFppFpppFFffFfffxyncFpcFxynpFpcFxynfFpcFFCafvKFCafvKFCafvKCFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数；与工件、刀具材料有关系数；xFc , xFp , xFf 切削深度切削深度ap 对切削力影响指数；对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量进给量 f 对切削力影响指数；对切削力影响指数；nFc , nFp , nFf 切削速度切削速度Vc对切削

33、力影响指数；对切削力影响指数； KFc ,KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。具磨损等因素影响的修正系数。（各系数查表（各系数查表3-13-1可得）可得）切削力的计算切削力的计算21/FFccccFcxyFpFyDpCafCFckcN mmAaff)()(pcDDcDccfakbhkAkF2.用单位切削力公式计算：用单位切削力公式计算：单位切削力单位切削力:指单位切削面积上的主切削力，用指单位切削面积上的主切削力，用kc表示，即表示，即1Fcx实验得到，因此，在不同切削条件下影响单位切削力的因素是进给量f。kwfnFvFv

34、FFvFPwfccffpccc310)1000(0kwvFPccc310机床的电机功率应为机床的电机功率应为式中式中 机床的传动效率，一般取机床的传动效率，一般取0.750.85。cEPcP 消耗在切削过程中的功率称为切削功率，记为消耗在切削过程中的功率称为切削功率，记为Pc。切削功率是三个切削分力消耗功率的总和，即切削功率是三个切削分力消耗功率的总和，即 ：进给力消耗的功率对于主切削力消耗的功率来说很小，常忽略不计。进给力消耗的功率对于主切削力消耗的功率来说很小，常忽略不计。例：已知：工件材料：例：已知：工件材料：45钢，钢，b650MPa； 刀具材料：刀具材料：YT15； 几何参数：几何参

35、数：o15，o8，kr75， kr10 ，s-5 ，r1mm。 切削用量：切削用量：vc100m/min，f0.4mm/r，ap4mm。求：。求：Fc、Pc？(1)(1)工件材料的影响工件材料的影响 工件材料的工件材料的强度、硬度越高，剪切强度强度、硬度越高，剪切强度ss越大，虽然变形系数有所下降，但越大，虽然变形系数有所下降，但切削力总趋切削力总趋势还是增大的。势还是增大的。 强度、硬度相近的材料，如其强度、硬度相近的材料，如其塑性大，则与塑性大，则与刀面的摩擦系数刀面的摩擦系数 也较大，故切削力增大也较大，故切削力增大。 灰铸铁灰铸铁及其它脆性材料，切削时一般形成崩及其它脆性材料，切削时一

36、般形成崩碎切屑，切屑与前刀面的接触长度短，碎切屑，切屑与前刀面的接触长度短，摩擦小摩擦小，故切削力较小。，故切削力较小。材料的高温强度高，切削力增大。材料的高温强度高，切削力增大。 (2(2）切削用量的影响）切削用量的影响1 1）. .背吃刀量和进给量背吃刀量和进给量 背吃刀量背吃刀量a ap p或进给量或进给量f f加大，均使切削力增加大，均使切削力增大，大，但两者的影响程度不同。加大但两者的影响程度不同。加大a ap p 时，变形时，变形系数不变，切削力成正比例增大；系数不变，切削力成正比例增大；f f加大时，变加大时，变形系数有所下降，故切削力不成正比例增大。形系数有所下降，故切削力不成

37、正比例增大。在车削力的经验公式中，加工各种材料的在车削力的经验公式中，加工各种材料的a ap p指指数数xFc1xFc1，而，而f f的指数的指数yFc=0.75yFc=0.750.90.9，即当，即当a ap p加大一倍时，加大一倍时，FcFc也增大一倍；而也增大一倍；而f f加大一倍时，加大一倍时，FcFc只增大只增大68%68%86%86%。因此，切削加工中，如。因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。加大背吃刀量有利。2 2）. .切削速度的影响切削速度的影响 切削切削速度对切削力影响复杂速度对切削力影响复杂

38、。 切削脆性金属切削脆性金属( (灰铸铁、铅黄铜等灰铸铁、铅黄铜等) )时，因金属时，因金属的塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，的塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。所以切削速度对切削力没有显著的影响。 当切削塑性材料并生成积屑瘤时（中、低速时）当切削塑性材料并生成积屑瘤时（中、低速时），随着切削速度从小到大，积屑瘤由产生，增大，随着切削速度从小到大，积屑瘤由产生，增大到消失，从而使刀具的前角由增大到减小，导致到消失，从而使刀具的前角由增大到减小，导致切削力从减小到增大。切削力从减小到增大。 加工塑性金属，切削速度加工塑性金属，切削速度v vc c

39、27m/min27m/min时，时，积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增大而减积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增大而减小。这主要是因为随着小。这主要是因为随着v vc c的增大，切削温度升高的增大，切削温度升高， 下降，从而使变形系数减小。下降，从而使变形系数减小。 在在v vc c27m/min27m/min时，切削力是受积屑瘤影响时，切削力是受积屑瘤影响而变化的。而变化的。 约在约在v vc c=5m/min=5m/min时已出现积屑瘤，随切削速时已出现积屑瘤，随切削速度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前角加度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前角加大，故切削力逐渐减小；约在大，故切削

40、力逐渐减小；约在v vc c=17m/min=17m/min处，处，积屑瘤最大，切削力最小；当切削速度超过积屑瘤最大，切削力最小；当切削速度超过v vc c=17m/min=17m/min，一直到，一直到v vc c=27m/min=27m/min时，由于积时，由于积屑瘤减小，使切削力逐步增大。屑瘤减小，使切削力逐步增大。（3)3)刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响（1 1）前角的影响）前角的影响 前角前角 o o加大，被切削金属的变形减小，变形系数减小，加大，被切削金属的变形减小，变形系数减小，刀具与切屑间的摩擦力和正应力也相应下降。因此切削力刀具与切屑间的摩擦力和正应力也相应下降。因此切

41、削力减小。减小。 但前角增大对塑性大的材料但前角增大对塑性大的材料( (如铝合金、紫铜等如铝合金、紫铜等) )影响影响显著，即材料的塑性变形、加工硬化程度明显减小，切削显著，即材料的塑性变形、加工硬化程度明显减小，切削力降低较多；而加工脆性材料力降低较多；而加工脆性材料( (灰铸铁、脆铜等灰铸铁、脆铜等) )，因切削，因切削时塑性变形很小，故前角变化对切削力影响不大。时塑性变形很小，故前角变化对切削力影响不大。（2 2）主偏角的影响）主偏角的影响 对对FcFc影响不大。对影响不大。对F Fp p、F Ff f影响较大。影响较大。F Fp p=F=FD Dcoscosr r ， F Ff f=F

42、=FD Dsinsinr r。 k kr r增大，使增大，使F Fp p减小，减小，F Ff f增大增大（3 3）刃倾角的影响）刃倾角的影响 刃倾角刃倾角ss减小时，减小时，F Fp p 增大，增大，F Ff f减小。刃倾角在减小。刃倾角在1010o o- -4545o o的范围内变化时，的范围内变化时，F Fc c基本不变。基本不变。（4 4）刀尖圆弧半径）刀尖圆弧半径 对主切削力影响不大，对对主切削力影响不大，对F Fp p和和F Ff f影响显著。影响显著。刃倾角s 刃倾角s的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长增加，摩擦加剧；但在法剖面中刃口圆弧半径减小，刀刃锋利，切削变削小，所以Fz变

43、化很小。（5 5）其他因素的影响）其他因素的影响1 1）刀具材料的影响）刀具材料的影响 刀具材料与被加工材料间的摩刀具材料与被加工材料间的摩擦系数擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响切削力的变，影响到摩擦力的变化，直接影响切削力的变化。如在同样的切削条件下，陶瓷刀具切削力最小，化。如在同样的切削条件下，陶瓷刀具切削力最小，硬质合金刀具次之，高速钢刀具的切削力最大。硬质合金刀具次之，高速钢刀具的切削力最大。2 2）刀具磨损的影响）刀具磨损的影响 后刀面磨损增大后刀面磨损增大，使主后刀面，使主后刀面与加工表面的接触面积增大，后刀面上的法向力和摩与加工表面的接触面积增大，后刀面上的法向力和摩擦力都将

44、增大，故擦力都将增大，故切削力加大切削力加大。3 3）切削液的影响）切削液的影响 以冷却作用为主的水溶液对切削以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小；而力影响很小；而润滑作用强的切削油润滑作用强的切削油，由于其有效地，由于其有效地减少了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的减少了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩擦，甚至还能减少被加工金属的塑性变形，从而能摩擦，甚至还能减少被加工金属的塑性变形，从而能显著地显著地降低切削力降低切削力。4）刀具的棱面 刀具棱面宽度b1上升，切削时挤压和摩擦增大，切削力增大；前角O1负值增大，变形加大，切削力增大。 用刀具切削工件而产生的热称为切削热。

45、切削热也是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程影响有多方面影响。切削热传散到工件上，会引起工件的热变形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高温则会恶化已加工表面质量。传散到刀具上的切削热是引起刀具磨损和破损的重要原因。切削热还通过使刀具磨损对切削加工生产率和成本发生影响。 切削热对切削加工的质量、生产率和成本都有直接、间接的影响，研究和掌握切削热产生和变化的一般规律，把切削热的不利影响限制在允许的范围之内，对切削加工生产是有重要意义的。3.3.13.3.1切削热的产生与传出切削热的产生与传出 切削热来源：切削热来源： （1 1）切削层金属发生弹性、塑性变形所产生的热）切削层金属发生弹性、塑

46、性变形所产生的热 （2 2）切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦）切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦 切削热产生于三个变形区，切削过程中三个变形区内产生切切削热产生于三个变形区，切削过程中三个变形区内产生切削热的根本原因是，切削过程中变形与摩擦所消耗的功，绝削热的根本原因是，切削过程中变形与摩擦所消耗的功，绝大部分转化为切削热。大部分转化为切削热。 假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热：位时间内产生的切削热： Pc = FPc = Fc c c c Pc Pc每秒钟内产生的切削热每秒钟内产生的切削热 F Fc c主切削力主切削力

47、 c c切削速度切削速度切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。影响散热主要因素：影响散热主要因素： 工件材料的导热性能工件材料的导热性能 工件材料的导热系数高，由切屑和工件散出的热工件材料的导热系数高，由切屑和工件散出的热就多，切削区温度就较低，刀具寿命提高；但工就多，切削区温度就较低，刀具寿命提高；但工件温升快，易引起工件热变形。件温升快，易引起工件热变形。 切削时作的功，可转化为等量的热。切削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件热变形、加速刀具磨损。 刀具材料的导热性能刀具材料的导热性能 刀具

48、材料的导热系数高，切削热易从刀具散出，刀具材料的导热系数高，切削热易从刀具散出，降低了切削区温度，有利于刀具寿命的提高。降低了切削区温度，有利于刀具寿命的提高。 周围介质周围介质 采用冷却性能好的切削液及采用高效冷却方式能采用冷却性能好的切削液及采用高效冷却方式能传导出较多的切削热，切削区温度就较低。传导出较多的切削热，切削区温度就较低。 切屑与刀具的接触时间切屑与刀具的接触时间 外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落入机外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落入机床的容屑盘中，切屑传给刀具的热量相对较少；床的容屑盘中，切屑传给刀具的热量相对较少；钻削或其它半封闭式容屑的加工，切屑形成后仍钻削或

49、其它半封闭式容屑的加工，切屑形成后仍与刀具相接触，传导给刀具的热相对较多。与刀具相接触，传导给刀具的热相对较多。 切削温度指切屑、工件和刀具接触区的平均温度。切削温度指切屑、工件和刀具接触区的平均温度。测量切削温度有多种方法。目前应用较广的是测量切削温度有多种方法。目前应用较广的是热电偶法：热电偶法： 把两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，使它们把两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，使它们的另一端处于室温状态（称为冷端），那么，当连在一起的的另一端处于室温状态（称为冷端），那么，当连在一起的一端受热时（称为热端）在冷热端之间就会产生一定的电动一端受热时（称为热端）在冷热端之间就会产生一

50、定的电动势，称为电势，把毫伏表或电位差计接在两导体冷端之间便势，称为电势，把毫伏表或电位差计接在两导体冷端之间便可测量出热电势的值。可测量出热电势的值。 实验研究表明，热电势值的大小取决于两种导体材料的实验研究表明，热电势值的大小取决于两种导体材料的化学成分及冷热端之间的温度差。当组成热电偶的两种材料化学成分及冷热端之间的温度差。当组成热电偶的两种材料一定时，经过标定可得到热电势的值与冷热端温度差之间的一定时，经过标定可得到热电势的值与冷热端温度差之间的关系。关系。（1 1）自然热电偶法）自然热电偶法自然热电偶法自然热电偶法是以刀具和工件作为热电偶的两极，组是以刀具和工件作为热电偶的两极，组成

51、热电回路测量切削温度方法。成热电回路测量切削温度方法。切削时，切削区的高温使刀具与工件的接触端成为热切削时，切削区的高温使刀具与工件的接触端成为热端，处于室温状态的刀具、工件的另一端则成为冷端端，处于室温状态的刀具、工件的另一端则成为冷端，用导线将刀具和工件的冷端连接到毫伏表或电位差，用导线将刀具和工件的冷端连接到毫伏表或电位差计上，即可将切削时产生的热电势值测量出来。计上，即可将切削时产生的热电势值测量出来。自然热电偶法测切削温度时，须事先对刀具和工件两自然热电偶法测切削温度时，须事先对刀具和工件两种材料组成的热电偶进行标定，求得热端温度与毫伏种材料组成的热电偶进行标定，求得热端温度与毫伏表

52、读数值之间关系的标定曲线，这样在测量实际切削表读数值之间关系的标定曲线，这样在测量实际切削时的切削温度时，便可根据毫伏表上的读数从标定的时的切削温度时，便可根据毫伏表上的读数从标定的曲线上查出其对应的温度值。曲线上查出其对应的温度值。（2 2）人工热电偶法）人工热电偶法在研究工件、刀具、刀屑上各点温度分布规律时，往往需在研究工件、刀具、刀屑上各点温度分布规律时，往往需要了解切削区内各点的切削温度。为此，可采用人工热电要了解切削区内各点的切削温度。为此，可采用人工热电偶法进行测量。偶法进行测量。人工热电偶法人工热电偶法是利用事先标定的两种不同材料的金属丝组是利用事先标定的两种不同材料的金属丝组成

53、的热电偶来测量工件、刀具上某些点的温度。成的热电偶来测量工件、刀具上某些点的温度。测量时，将热端通过工件（或刀具）上的小孔固定在被测测量时，将热端通过工件（或刀具）上的小孔固定在被测点上，冷端用导线串接在毫伏表上，由于两金属丝组成的点上，冷端用导线串接在毫伏表上，由于两金属丝组成的人工热电偶已事先经过标定，所以在实际测温时，根据毫人工热电偶已事先经过标定，所以在实际测温时，根据毫伏表中的数值便可从标定曲线上查得其对应的温度值，即伏表中的数值便可从标定曲线上查得其对应的温度值，即工件或刀具上被测点的温度值。改变测量小孔的位置并利工件或刀具上被测点的温度值。改变测量小孔的位置并利用传热学原理进行推

54、算，可得出刀具或工件上温度分布的用传热学原理进行推算，可得出刀具或工件上温度分布的情况。情况。前、后刀面上的最高温度都在离开切削刃一段距离处（该处前、后刀面上的最高温度都在离开切削刃一段距离处（该处称为温度中心）。这是由于切削塑性金属材料时，切屑在沿称为温度中心）。这是由于切削塑性金属材料时，切屑在沿前刀面流出过程中，摩擦热逐渐增加积累，至切屑底层和前前刀面流出过程中，摩擦热逐渐增加积累，至切屑底层和前刀面接触处，达到最大值（切屑底层的温度梯度最大）之后刀面接触处，达到最大值（切屑底层的温度梯度最大）之后摩擦逐渐减小，加工散热条件改善，切削温度又逐渐降低。摩擦逐渐减小，加工散热条件改善，切削温

55、度又逐渐降低。 切削温度与变形功、摩擦功和热传导有关。（1）切削用量 实验公式：kvfapzyxcck与实验条件有关的影响系数切削条件改变后的修正系数3.3.33.3.3影响切削温度的因素影响切削温度的因素车削中碳钢时，公式中系数、指数为： c y z高速钢刀具 140170 0.081 0.20.3 0.350.45硬质合金刀具 320 0.05 0.15 0.260.41 切削速度对切削温度影响最大、进给量f次之、切削深度ap影响最小。 ap、f和增大时，变形和摩擦加剧，切削功增大，故切削温度升高。V提高，F下降，产生热量少；但摩擦严重，热量增多；切屑与前面接触长度减短，散热差，所以温度上

56、升。进给量f增大，变形减小，产生热量下降；但切屑与前面接触长度有所提高，故散热较好。但切削深度ap增大后，切屑与刀具接触面积以相同比例增大，散热条件显著改善。 因切削温度对刀具磨损和寿命影响很大，由以上因切削温度对刀具磨损和寿命影响很大，由以上分析可知，为有效控制切削温度以提高刀具寿命，分析可知，为有效控制切削温度以提高刀具寿命，选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度有利。度有利。2.2.刀具几何参数对切削温度的影响刀具几何参数对切削温度的影响 （1 1）前角）前角o o 前角的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦，对切削温度有明前角的大小直接影响

57、切削过程中的变形和摩擦，对切削温度有明显影响。前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当前角大于显影响。前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当前角大于1515o o后，散热条件差，使切削温度升高。后，散热条件差，使切削温度升高。2.2.主偏角主偏角 主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集中；但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。 3.3.工件材料工件材料 工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较大的影响。大的影响。工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，产生的

58、切削热多，故切削温度高。产生的切削热多，故切削温度高。工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢(1Cr18Ni9Ti)(1Cr18Ni9Ti)的强度、硬度虽然低于的强度、硬度虽然低于4545钢，但它的导热钢，但它的导热系数小于系数小于4545钢（约为钢（约为4545钢的钢的1/31/3）切削温度比）切削温度比4545钢高钢高40%40%。切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，与前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果与前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果表明，切灰铸铁表

59、明，切灰铸铁HT200HT200时的切削温度比切时的切削温度比切4545钢大约低钢大约低25%25%。4.4.其他因素的影响其他因素的影响（1 1）刀具磨损对切削温度的影响）刀具磨损对切削温度的影响 刀具磨损后切削刃变钝，使金属变形增大；同时刀具刀具磨损后切削刃变钝，使金属变形增大；同时刀具后刀面与工件的摩擦加剧。所以刀具磨损后切削温度后刀面与工件的摩擦加剧。所以刀具磨损后切削温度上升。后刀面上的磨损量愈大时，切削温度的上升愈上升。后刀面上的磨损量愈大时，切削温度的上升愈为迅速。为迅速。（2 2）切削液对切削温度的影响）切削液对切削温度的影响 切削液对切削温度影响显著切削液对切削温度影响显著

60、，合理选用切削液，可以合理选用切削液，可以改善刀具与切屑和刀具与工件界面的摩擦情况，改善改善刀具与切屑和刀具与工件界面的摩擦情况，改善散热条件，降低切削温度。散热条件，降低切削温度。 刀具磨损是金属切削研究中的重要课题之一，其与工件效率和加工成本有直接的影响 。 刀具磨钝后会产生一些变化，例如已加工表面光洁面恶化或在工件上出现挤亮的表面；切屑的形状和颜色发生变化；切削的声音发生变化，产生一种沉重的感觉，甚至出现振动等等。 在刀具上，切削刃钝圆半径增大，后刀面上出现磨损带，前刀面上可能出现月牙状的凹坑。1，刀具寿命表（以加工工件数量为依据），一些高端装备制造业或者单品批量生产企业用它来指导生产，