第三章金属切削过程的基本规律

第三章

金属切削过程的基本规律

主要内容

一、切削变形与切屑形成过程（积屑瘤）

二、切削力三、切削热与切削温度

四、刀具磨损与刀具寿命第三章金属切削过程的基本规律

研究金属切削过程的意义金属切削加工中各种物理现象,生产实践中出现的许多问题,都同切削过程有关难加工材料的应用愈来愈多，对零件的质量要求亦不断提高

研究切削过程的基本理论，掌握切削基本规律对控制切削过程、保证加工质量、提高生产率、降低成本和促进切削加工技术的发展，有着十分重要的意义。第一节切削变形与切屑形成一、变形区的划分

以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为：

三个变形区

第一变形区第二变形区第三变形区二、金属在切削过程中的变形

1．第一变形区内金属的剪切变形

OA—始滑移线OM—终滑移线变形的主要特征：剪切滑移变形加工硬化一般速度范围内第一区宽度为0.02～0.2mm，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面一、切屑的形成过程与切削变形可以将切屑形成过程比拟为推挤一堆卡片的形象化模型,可说明切屑形成过程切削刃由a运动到O时整个平行四边形OMma受剪应力的作用，变成了平行四边形OMm1a1M

切屑单元在刀具前刀面作用下受到挤压,底边膨胀为Oa2形成近似梯形的切屑单元许多梯形叠加起来就迫使切屑向逆时针方向转动而弯曲

因此，也可以说金属切削过程是切削层受到刀具前面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变形，而形成为切屑的过程金属晶体沿滑移线的剪切变形剪切面剪切角剪切角φ：滑移面与切削速度方向之间的夹角（450）。滑移面与晶格纤维化方向夹角ψ：滑移面与晶格变形伸长方向夹角。2．第二变形区内金属的挤压变形

切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。

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出现“滞流层”，使金属纤维化，纤维化方向基本上和前刀面平行。切削变形金相显微照片前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响第二变形区特点:受前刀面的摩擦和挤压，切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，出现“滞流层”，甚至会停滞在前刀面上，形成积屑瘤；切屑弯曲；由摩擦产生的切削热使刀屑接触区温度升高。前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响⑴.当前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的。⑵.当摩擦增大时，变形增大。所以提高刀具的刃磨质量，施加切削液以减小前刀面上的摩擦对切削是有利的。前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响前刀面上的摩擦

内摩擦区：切屑和前刀面粘结层与其上层金属之间的摩擦，实质是金属内部的剪切滑移，与材料的流动应力特性以及粘结面积有关。单位切向力等于材料的剪切屈服强度。

外摩擦区：服从经典摩擦定律，与摩擦副摩擦系数及正压力有关。切屑变形的变化规律1.工件材料对切屑变形的影响工件材料强度愈高，切屑变形愈小工件材料的塑性也是影响切削变形的主要因素2.刀具前角对切屑变形的影响

刀具前角愈大，切屑变形愈小3.切削速度对切屑变形的影响4.切削厚度对切屑变形的影响3．第三变形区内金属的挤压摩擦回弹

已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。

第三变形区：已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形和回弹，造成纤维化与加工硬化。三、切屑类型

从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态：带状切屑节状切屑（挤裂切屑）粒状切屑(单元切屑)

崩碎切屑

二、切屑的类型

a）带状切屑塑性金属，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时

b）挤裂切屑

切削速度较低，切削厚度较大，刀具前角较小时产生。原因是被切材料局部达到破裂极限。

c）单元切屑

少见。整体达到破裂极限。以上三种为切削塑性材料时

d）崩碎切屑未经塑性变形而被挤裂破碎。力求避免1).带状切屑

特点：内表面光滑，外表面粗糙

条件：塑性材料，切削厚度小，切削速度高，前角较大

影响：切削过程平稳，切削力波动小，已加工表面粗糙度较小2).挤裂切屑（节状切屑）

特点：外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹条件：塑性材料，切削厚度较大，切削速度较低，前角较小，剪切滑移大，加工硬化大，剪应力超过剪切强度

影响：切削过程较不平稳，切削力波动较大，已加工表面粗糙度较大

3).单元切屑

如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。

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。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。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。4).崩碎切屑

这是属于脆性材料的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。

4)．崩碎切屑特点：不规则粒状条件：脆性材料，拉应力超过抗拉强度

以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。在现代切削加工中，切削速度与金属切除率达到了很高的水平，切削条件很恶劣，常常产生大量“不可接受”的切屑。所谓切屑控制（又称切屑处理，工厂中一般简称为“断屑”），是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。

四、变形程度的表示方法

1、切削厚度压缩比Λh：切屑厚度与切削层厚度的比值。切屑厚度与切削层厚度的比值。（3-2）2、剪切角Φ

：剪切面与切削速度方向之间的夹角。（3-3）β为前刀面的摩擦角由上式可知：增大刀具前角，减小到屑之间的摩擦，使剪切角增大，是减小切削变形的重要途径。3.相对滑移ε：滑移距离Δs与单元厚度Δy之比。

ε=Δs/Δy=NP/MK=(NK+KP)/MK=ctgΦ+tan(Φ-γ0）五、前面上摩擦特点

切塑性金属时前刀面上应力分布情况→刀-屑接触区可分两部分：粘接区lf1:剪切滑移，内摩擦滑动区lf2:滑动摩擦，外摩擦一般内摩擦力约占总摩擦力的85%(3-4)滞流层：接近前刀面的切屑底层晶粒拉长，形成与前刀面平行的纤维层，流速很慢，变形程度非常剧烈。定义：冷焊在前刀面上的金属块。

六、积屑瘤

六、积屑瘤

在速度不高切削塑性金属形成带状切屑的情况下，滞流层金属粘接（冷焊）在前刀面上，形成硬度很高的硬块（2~3倍），称为积屑瘤。

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“内摩擦”。

3.如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，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。

积屑瘤形成后不断长大，达到一定高度又会破裂，而被切屑带走或嵌附在工件表面上，影响表面粗糙度。积屑瘤是如何形成的?

所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；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。走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。

积屑瘤的形成主要取决于切削温度，如在300o~380o切削碳钢易产生积屑瘤。500o~600o积屑瘤消失。积屑瘤的产生原因切屑底层产生滞留层滞留层与切屑分离，粘结在前刀面前刀面和切屑底面的挤压和摩擦逐层滞留粘结形成楔块冲击振动不断破裂，脱落再生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。但由于积屑瘤不稳定，导致了切削力的波动。

2.产生挤压和过切作用，增大切削厚度。

3.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。

4.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。

防止积屑瘤的方法

(1)降低切削速度，使温度较低，使粘结现象不易发生；

(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以减小摩擦；

(4)减小进给量、增加刀具前角，以减小刀屑接触区压力；

(5)提高工件材料硬度减少加工硬化倾向。

(6)合理使用切削液。积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：七、已加工表面变形和加工硬化

刀刃钝圆半径

rn弹性恢复区CD变形特征：挤压、摩擦与回弹

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。金属层接近刀刃时，晶粒更为伸长，成为包围在刀刃周围的纤维层，最后在O点断裂。

已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产生加工硬化，表面残余应力，称之为加工变质层。经过严重塑性变形而使表面层硬度增高的现象称为加工硬化,亦称冷硬。

硬化程度的指标:加工硬化程度N硬化层深度△hDH1是已加工表面显微硬度，H是金属材料基体显微硬度减轻硬化程度的措施：1)磨出锋利的切削刃

2)增大前角或后角

3)减小背吃刀量ap4)合理选用切削液

八、影响切削变形的主要因素1．加工材料强度、硬度刀-屑面间正压力、平均正应力σav

则由：(3-4)（3-3）（3-2）2．前角γo

前角γo增大，楔角βo减小，切削刃钝圆弧半径rn减小，切屑流出阻力小，使摩擦系数μ减小，剪切角φ增大，故切削变形减小。

3．切削速度vc

切削速度是通过切削温度和积屑瘤影响切削变形的。

4．进给量f

当进给量增大时，切屑厚度hD与切屑厚度hch增加，使前面上正压力Frn增大，使平均正应力σav增大，因此，摩擦系数μ减小和切屑厚度压缩比Λh减小。第二节切

削

力切削力指切削过程中刀具对工件的作用力。研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力。第二节切削力切屑的弹塑性变形抗力工件的弹塑性变形抗力后刀面与工件的摩擦力前刀面与切屑的摩擦力一、切削力来源、合力及其分力1、来源

1．弹、塑性变形的抗力；

2．摩擦力。2、合力两者作用在刀具上的合力为F

3、分力切削力Fc(主切削力Fz)——在主运动方向上的分力；背向力Fp(切深抗力Fy)——在垂直于假定工作平面上分力；进给力Ff(进给抗力Fx)——在进给运动方向上的分力。

（3-5）二、各分力的作用

1、切削分力的作用---切削力Fc（主切削力Fz）它是设计机床主轴、齿轮和计算主运动功率的主要依据，也是用于选用刀杆、刀片尺寸、设计夹具和选择切削用量的重要依据。使车刀产生弯矩，也是计算切削功率的依据2、切削分力的作用---背向力Fp（切深抗力Fy）Fp使工件产生弯曲，是影响加工工件精度，引起切削振动的主要原因，是计算系统刚度的依据。

3、切削分力的作用---进给力Ff(进给抗力Fx)Ff作用在机床进给机构上，是计算和检验进给机构薄弱环节零件强度的主要依据。

三、切削力的实验公式

1．切削力的测定原理及种类

(1)电阻应变片式测力仪

(2)压电晶体测力仪

2．切削力实验公式

Fc,Fp、Ff——各切削分力，单位为N；CFz、CFp、CFf——公式中系数，根据加工条件由实验确定；xF、yF、nF——表示各因素对切削力的影响程度指数；KFc、KFp、KFf——不同加工条件对各切削分力的影响修正系数。

(3-6)3．单位切削力 单位切削力是切削单位切削层面积所产生的作用力。

(3-7)(3-8)4．切削功率主运动消耗的切削功率Pc(单位为kW)应为：

Fc——切削力，单位为N；vc——切削速度，单位为m/min。Pc——切削功率，单位为kW。

四、影响切削力的因素

（一）切削用量的影响

1．背吃刀量ap与进给量fap↑→Ac成正比↑，kc不变，

ap的指数约等于1，因而

切削力成正比增加

f↑→Ac成正比↑，但kc略减小，f的指数小于1，因而

切削力增加但与f不成正比(68%~86%)如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。

1)在积屑瘤增长阶段

随v↑→积屑瘤高度↑变形程度↓，F↓2)在积屑瘤减小阶段

v↑→

变形程度↑，F↑3)在无积屑瘤阶段

随v↑，F↑,v中速后，温度升高，摩擦系数↓变形程度↓→F↓

2．切削速度vc速度v对F的影响在无积屑瘤阶段，v↑→变形程度↓→切削力减小（二）工件材料的影响（系数CF或单位切削力kc体现）

工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。加工脆性金属时，因变形和摩擦均较小，故切削速度对切削力影响不大。

(三)刀具几何参数影响

1.前角γ0加工塑性材料时，γ0↑→变形程度↓→F↓加工脆性材料时，切削变形很小，γ0对F

影响不显著γ0＞30°γ0对F

影响不显著影响切削力的因素二、工件材料:

强度、硬度↗力↗;脆性材料力小.也就是：工件材料的硬度、强度越高，切削力越大工件材料的塑性、韧性越高，切削力越大影响切削力的因素三、刀具几何参数①前角的影响

：增大，切削力减小

,加工脆性金属时，对切削力影响小。

②负倒棱的影响：增大

影响切削力的因素③主偏角的影响：kr

增加时

，Fp减小，Ff增大④刃倾角λs的影响（1）λs对Fc影响很小（2）λs对Fp、Ff影响较大

Fp随λs增大而减小，

Ff随λs增大而增大刃倾角负值越大，背向力越大（10-2~3%）⑤刀尖圆弧半径rε的影响（1）rε对Fc影响很小（2）Fp随rε增大而增大

Ff随rε增大而减小rε增大相当于κr减小的影响1．刀具磨损刀具的切削刃及后刀面产生磨损后，会使切削时摩擦和挤压加剧，故使切削力Fc和Fp增大。2．切削液 切削液润滑作用越好，力减小越显著，低速时更突出。

3．刀具材料各种刀具材料对切削力的影响，是通过刀具材料与工件之间的亲和力、摩擦力和磨损等因素决定的。按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序，切削力依次增大。四、其它因素第三节切削热与切削温度一、切削热的来源与传散

切削热和由它产生的切削温度，会使加工工艺系统产生热变形，不但影响刀具的磨损和耐用度，而且影响工件的加工精度和表面质量。因此，研究切削热和切削温度的产生及其变化规律有很重要的意义。切削层金属发生弹性变形和塑性变形

切屑与前刀面、工件与后刀面间消耗的摩擦功

1、来源（3-10）

由于切削层金属的弹性变形、塑性变形以及摩擦而产生的热，称为切削热。

被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热的一个重要来源。此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要耗功，也产生出大量的热量。来源变形摩擦因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。2、切削热的传出Q切削热Qt刀具Qw工件Qc切屑Qm介质Q屑占50％～86％、Q刀占10％～40％、Q工占3％～9％、Q介占l％

不用切削液时，切削热的70%~80%由切屑带走，20%~15%传入工件，10%~5%传入刀具，1%左右传入空气。钻削时，切屑28%、工件52%、刀具15%、介质5%。二、切削温度测定原理与切削温度分布（一）切削温度测定原理

1．自然热电偶法

2、人工热电偶法(二)切削温度分布

1)刀-屑接触面间摩擦大，热量不易传散，故温度值最高

温度分布规律

2)切削区域的最高温度点在前面上近切削刃处，在离切削刃1mm处的最高温度约900℃，因为在该处热量集中，压力高。在后面上离切削刃约0.3mm处的最高温度为700℃；3)切屑带走热量最多，切屑上平均温度高于刀具和工件上的平均温度，因切屑剪切面上塑性变形严重，其上各点剪切变形功大致相同。各点温度值也较接近。工件切削层中最高温度在近切削刃处，它的平均温度较刀具上最高温度点低2～3倍。切削温度的分布4）剪切面上各点温度几乎相同。

5）前刀面和后刀面上的最高温度都不在刀刃上，而是在离刀刃有一定距离的地方。

6）在剪切区域中，垂直剪切面方向上的温度梯度很大。

7）在切屑靠近前刀面的一层（简称底层）上温度梯度很大，离前刀面0.1—0.2mm，温度就可能下降一半。

三、影响切削温度的因素

1．切削用量1）切削速度

切削速度

切削温度

增加最显著，但不成正比的增加（30%）2）进给量

进给量的增大

，切削温度上升，但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。（18%）3）切削深度

虽然随着切削深度的增加，切削温度也有所增加，但是切削深度ap对切削温度的影响很小

。（7~8%）2．工件材料强度硬度、塑性和韧性越大，切削力越大，切削温度升高。热导热率大，散热快，温度下降3．刀具几何参数

1）前角γo

的影响γo↑→变形程度↓→摩擦热↓→θ↓但γo

＞20°时，因散热面积↓，对θ的影响减小2）主偏角κr的影响κr↑，切削刃工作长度↓刀尖角减小↓，散热面积↓→θ↑3）刀尖圆弧半径、负倒棱的影响rε↑、bγ↑切屑变形程度↑→切削热

↑同时散热条件改善，两者趋于平衡，对θ影响很小4．切削液

浇切削液对切削温度↓刀具磨损↓加工质量↑有明显效果。热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。第四节刀具磨损与刀具寿命一、刀具磨损

(一)刀具磨损形式

磨损（正常工作时逐渐产生的损耗）破损（突发的破坏，随机的）1．正常磨损

(1)前面磨损切塑性材料，切削速度

和切削厚度较大时，在前刀面上形成月牙洼磨损，

以最大深度KT表示(2)主后面磨损切铸铁或切削速度

和切削厚度较小切塑性材料时，主要发生这种磨损,而不产生月牙洼磨损。后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；边界处磨损严重，以VN表示。(3)副后面磨损在切削过程中因副后角αo′及副偏角κr′过小，致使副后面受到严重摩擦而产生磨损。

2．非正常磨损（破损）

(1)沟槽磨损

因刀具材料耐磨性不够，或加工材料表面有硬质点摩擦等所致。

(2)切削刃细小缺口(3)塑性变形

是由于刀片硬度高、脆性增大、切削刃锋利使强度变差、断续切削或切屑碰坏造成的。

切削温度过高和切削压力过大，刀头强度和硬度降低。尤其在高速钢刀具上较易出现。(4)切削刃崩裂在切削刃和前刀面上受较大冲击力作用、背吃刀量ap和进给量f过大使切削力增大，中间切人使主、副切削刃均受切削力作用，刀具前角大和强度低等情况(5)切削刃剥落

(6)热裂

常发生在硬度高、脆性大的陶瓷刀具上。并在压力和摩擦力较大情况下易产生。

由热循环使材料疲劳，或因间断切削和切削液浇注不均匀使切削温度骤变，易引起前、后刀面上出现细微裂纹。(二)磨损过程和磨损标准(磨损判据)

1．磨损过程曲线

1）初期磨损阶段与刀具刃磨质量有关2）正常磨损阶段

VB与切削时间近似正比斜率表示磨损强度3）急剧磨损阶段切削力、温度急升，刀具磨损加剧，之前换刀2．磨损标准 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。正常磨损VB=0.3mm后面：非正常磨损

VBmax=0.6mm前面：KT=(0.06+0.3f)mm

以1/2背吃刀量处后刀面平均磨损宽度VB为刀具磨钝标准(三)刀具磨损原因切削过程中的刀具磨损具有下列特点：

(1)刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。

(2)接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。

(3)接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达800～1000℃，对于高速钢刀具可达800～600℃。1．磨粒磨损（磨料磨损）切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对刀具表面刻划作用造成的机械磨损。低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因2．相变磨损:＞9000C刀具在较高速度切削时，由于切削温度升高，使刀具材料产生相变，硬度降低，若继续切削，会引起前面塌陷和切削刃卷曲的“塑性变形”,3．粘结磨损

刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。

在高速钢刀具的正常工作速度和硬质合金刀具偏低的工作速度下比较严重

4．扩散磨损:（800-9000C）

扩散磨损是在高温作用下，使工件与刀具材料中合金元素相互扩散置换造成的。切削温度越高扩散越快；刀体材料亲合力越大扩散越快；高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。

5．氧化磨损

一定温度下，刀材与空气中的氧起化学作用，生成较