第二章金属切削过程的基本规律

第二章金属切削过程的基本规律第1页，共110页，2023年，2月20日，星期三第二章金属切削过程的基本规律第一节金属的切削过程第二节切削力与切削功率第三节切削热与切削温度第四节刀具的磨损及使用寿命第五节刀具合理几何参数的选择第六节工件材料的切削加工性第七节切削用量的选择第2页，共110页，2023年，2月20日，星期三第一节金属的切削过程一、概述

宏观上，金属切削过程是指：用刀具从工件上切除多余的金属层，使工件在尺寸、形状和表面质量方面都符合预定要求的一种加工过程。此过程在常温下进行，称为冷加工。研究金属切削过程的规律首先要从金属切削过程中金属层受力变形破坏的力学原理开始。

第3页，共110页，2023年，2月20日，星期三一、概述第4页，共110页，2023年，2月20日，星期三一、概述刀具挤压工件，产生变形滑移挤裂切离第5页，共110页，2023年，2月20日，星期三一、概述

金属切削过程：就是工件的被切削层金属在刀具前刀面的推移下，沿着剪切面(即滑移面)产生剪切变形并转变为切屑的过程。第6页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、切削变形区第7页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、切削变形区第8页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、切削变形区第9页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、切削变形区第10页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、切削变形区第11页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、切屑的类型带状切屑：产生条件：切削塑性材料、切削速度高、切削厚度较小、前角大。形状：连绵不断呈带状，切屑底面很光滑而背面呈毛茸状。形成原因：切削速度高，切削层未及充分变形即变为切屑，剪切面上的应力还未达到破坏值，因此，只有塑性滑移而无断裂；前角大，则刀具锋利；hD小则切削力小。故易得带状切屑。特点：切削过程变形小，切削力小且稳定；已加工表面粗糙度较小。对生产安全有危害。第12页，共110页，2023年，2月20日，星期三第13页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、切屑的类型挤裂切屑(节状切屑)：形状：宏观上自然连接，但外表面呈锯齿形，如竹节状。产生条件：切削塑性材料、切削速度中等、切削厚度较厚、前角较小。形成原因：切削层经过充分变形全过程，最后被挤裂。特点：切屑冷硬度高，脆且易断，便于处理；变形相对较大，切削力波动较大，易产生振动；已加工表面粗糙度较大。第14页，共110页，2023年，2月20日，星期三第15页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、切屑的类型单元切屑：形状：切屑沿挤裂面完全断开成单元状。产生条件：材料塑性很差、切速低、hD大、前角小。形成原因：整个剪切面上剪应力超过材料的破坏强度极限。特点：切削力波动很大，有振动；已加工表面粗糙度大，且有振纹。第16页，共110页，2023年，2月20日，星期三第17页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、切屑的类型蹦碎切屑：形状：切屑呈不规则的碎块状。产生条件：切削脆性材料。形成原因：材料塑性差，抗拉强度低，受前刀面挤压时几乎没有塑性变形便脆断成不规则的碎块。特点：切削过程不平稳，切削力波动大，有冲击，振动大，已加工表面粗糙。第18页，共110页，2023年，2月20日，星期三第19页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、切屑的变形及影响因素变形系数：厚度变形系数：式中：hch——切屑厚度

hD——切削层厚度第20页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、切屑的变形及影响因素变形系数：长度变形系数：式中：lc——切削层长度

lch——切屑长度

第21页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、切屑的变形及影响因素变形系数：根据体积不变原理：第22页，共110页，2023年，2月20日，星期三影响切屑变形的因素：工件材料：

刀具角度：

切削速度：工件塑性↗延伸率δ↗ξ↗γO↗刀具锋利塑性变形↙ξ↙V

↗ξ↙第23页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、积屑瘤第24页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、积屑瘤“在一定的温度和压力下，切削塑性金属时，切屑底层与前刀面发生摩擦，嵌入式结合发生冷焊现象,使一部分切屑粘结在前刀面上，形成积屑瘤”。特点：硬度是工件材料的2～3.5倍，可以代替刀具切削。周而复始的生长、脱落。产生条件：切削塑性材料。切削区界面状况符合在刀面上发生冷焊的条件：适当的温度、很大的压力和剧烈的摩擦。对切削过程的影响：积屑瘤代替刀刃进行切削，保护了刀刃，增大了前角，减少了切屑的变形，降低了切削力。。积屑瘤形状不规则，频繁生长脱落，影响尺寸精度和表面质量。故：粗加工时可人为控制积屑瘤的生长，使积屑瘤能稳定存在。精加工时应抑制积屑瘤的产生。第25页，共110页，2023年，2月20日，星期三控制措施：提高前刀面的光滑程度；适当增大刀具前角；提高工件的硬度，降低塑性；采用合适的切削液；避开积屑瘤产生的速度范围。第26页，共110页，2023年，2月20日，星期三⑤避开积屑瘤产生的速度范围第27页，共110页，2023年，2月20日，星期三⑤避开积屑瘤产生的速度范围Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成。第28页，共110页，2023年，2月20日，星期三⑤避开积屑瘤产生的速度范围

Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件形成，随着切削速度的提高积屑瘤的高度也增高。

第29页，共110页，2023年，2月20日，星期三⑤避开积屑瘤产生的速度范围

Ⅲ区：积屑瘤高度随着切削速度的提高而减小，当达到Ⅲ区右边界时，积屑瘤消失。

第30页，共110页，2023年，2月20日，星期三⑤避开积屑瘤产生的速度范围

Ⅳ区：切削速度进一步提高，由于切削温度较高而冷焊消失，此时积屑瘤不再存在了。第31页，共110页，2023年，2月20日，星期三第二节切削力与切削功率

切削力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。第32页，共110页，2023年，2月20日，星期三第二节切削力与切削功率

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重要影响。它直接影响切削时消耗的功率和产生的热量，并引起工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。掌握切削力的变化规律，计算切削力的数值，不仅是设计机床、刀具、夹具的重要依据，而且对分析、解决切削加工生产中的实际问题有重要的指导意义。第33页，共110页，2023年，2月20日，星期三第二节切削力与切削功率一、切削力的来源：工件、切屑的变形抗力刀具与切屑、工件与刀具之间的摩擦阻力第34页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、切削力的分解第35页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、切削力的测量原理测定切削力大都采用应变片测力仪。基本原理是在弹性变形元件上贴应变片组成电桥，测量拉压应力应变。常用八角环式测力仪。第36页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、切削力的计算由实验获得经验公式：注意：计算公式由实验测得，式中的各项应按照实验时的单位计算。即：aP：mm，f：mm/r手册中的数据为特定切削条件下测得的数据，当实际的条件与实验公式条件不符时，应加修正系数。第37页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、切削力的计算负倒棱的影响：br/f第38页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、单位切削力“单位面积上的主切削力”：估算切削力：第39页，共110页，2023年，2月20日，星期三切削力公式比较对碳钢45材料：经验公式：估算切削力：第40页，共110页，2023年，2月20日，星期三六、切削功率机床总功率：第41页，共110页，2023年，2月20日，星期三单位切削功率“单位时间内切下单位体积金属所需的功率”第42页，共110页，2023年，2月20日，星期三第三节切削热与切削温度一、产生原因：切削层的弹性及塑性变形。切屑与前刀面，工件与后刀面的摩擦。第一变形区：60%的热量第43页，共110页，2023年，2月20日，星期三第三节切削热与切削温度二、切削热的传递：Q=Q屑+Q刀+Q工+Q介在不使用冷却液的情况下：Q屑>Q刀>Q工>Q介

车削加工时，50～86％由切屑带走，40～10％传入刀具，9～3％传入工件，1％左右通过辐射传入空气。

钻削加工时，28％由切屑带走，15％传入刀具，52％传入工件，5％左右传入周围介质。第44页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、切削温度

切削温度分布：

切削温度：“指切削区（切屑与前刀面接触区）的平均温度第45页，共110页，2023年，2月20日，星期三切削温度的测量

常用热电偶法。两种不同的金属材料组成封闭回路，当两节点有温差时，会产生温差热电势

ε∝(T1-T0)第46页，共110页，2023年，2月20日，星期三切削温度的测量1)人工热电偶用两种热电位差较高的金属组成测温结点，测量点温度。例如，在刀具上打孔到接近前刀面，测点温。第47页，共110页，2023年，2月20日，星期三切削温度的测量2)自然热电偶利用刀具和工件本身两种不同材料组成热电偶，由于两端温度不同，产生温差热电势。这种方法测出的是切削区平均温度，需事先标定。第48页，共110页，2023年，2月20日，星期三200℃以下切屑呈银白色220℃切屑呈淡黄色270℃切屑呈暗红色290~300℃切屑呈暗蓝色320℃切屑呈蓝色350℃切屑呈蓝灰色400℃切屑呈灰白色>500℃切屑呈紫黑色切削碳钢时：切削温度的测量第49页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、影响切削温度的因素分析工件材料:HB、σb↗切削抗力↗功耗↗θ℃↗热处理HBσbθ℃正火18760100%调质22975125%淬火44HRC148145%45#钢为例：第50页，共110页，2023年，2月20日，星期三切削用量对切削温度的影响：vc、f、ap↗θ

℃↗用YT15刀具，切削45#钢时(σb=75kg/cm2)四、影响切削温度的因素分析第51页，共110页，2023年，2月20日，星期三刀具几何角度对切削温度的影响：四、影响切削温度的因素分析

刀具几何参数(如前角、刃倾角、刀尖圆角、刀尖负倒棱、刀具磨损等)对切削温度的影响有时也是两种作用相互制约和矛盾的。刀具前角增大，切削变形及摩擦减小，切削力减小，有利于降低温度，但前角太大则刀具切削刃单薄，散热条件差，也有使刀具温度升高的因素，因此存在着一个有利于切削温度的优化的前角值。第52页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、控制切削温度的措施正确使用冷却液：1)切削液的种类①水溶液②乳化液③切削油第53页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、控制切削温度的措施正确使用冷却液：2)切削液的选用★一般，磨削时温度高，用水溶液。★车削时用乳化液。★精加工时用润滑性能好的切削液，极压切削液等。★切铸铁时一般不加切削液。★用硬质合金刀具时，因其高温硬度高，可不加切削液，但要加时应注意要连续不断地加，以防止热裂。第54页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、控制切削温度的措施合理选择切削用量：在满足工艺要求的前提下，取小的vC，较大的ap、f。改善刀具几何条件：θ

℃↙γO↗第55页，共110页，2023年，2月20日，星期三第四节刀具的磨损及使用寿命

切削过程中，刀具与工件、切屑的接触面上存在巨大的压力，相当高的温度和剧烈的摩擦，在这种条件下，刀面上一些材料的微粒在切削过程中会逐渐地被工件或切屑擦伤带走，这种现象称为刀具磨损。上述的刀具磨损属刀具的正常磨损。此外，还有刀具的非正常磨损(刀具破损)，如由于冲击、振动、热效应等原因致使刀具崩刃、卷刃、断裂、表面剥落而损坏。第56页，共110页，2023年，2月20日，星期三第四节刀具的磨损及使用寿命一、刀具的磨损形式：1．前、后刀面同时磨损2．后刀面磨损3．前刀面磨损第57页，共110页，2023年，2月20日，星期三1．前、后刀面同时磨损第58页，共110页，2023年，2月20日，星期三1．前、后刀面同时磨损第59页，共110页，2023年，2月20日，星期三1．前、后刀面同时磨损第60页，共110页，2023年，2月20日，星期三1．前、后刀面同时磨损当用较高的切削速度和较大的切削厚度切削塑性金属材料时，将发生前、后刀面同时磨损。第61页，共110页，2023年，2月20日，星期三2．后刀面磨损第62页，共110页，2023年，2月20日，星期三2．后刀面磨损当切削脆性金属材料或以较小的切削厚度切削塑性材料时，将发生后刀面磨损。第63页，共110页，2023年，2月20日，星期三3．前刀面磨损第64页，共110页，2023年，2月20日，星期三3．前刀面磨损当以很大的切削厚度（hD＞0.5mm），且切削速度较高的条件下切削塑件较大的材料时，将发生前刀面磨损。第65页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、刀具磨损机理

引起刀具磨损的原因很多，既有机械摩擦作用，又有切削力、切削热作用下的物理、化学作用。归纳起来主要有以下四种原因。第66页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、刀具磨损机理磨料磨损(机械磨损)

工件和切屑中的硬质点（如碳化物）以及不断脱落的积屑瘤碎片划擦刀面产生磨损。

磨料磨损在各种切削速度下都会发生，对于切削脆性材料和在低速条件下工作的刀具，如拉刀、丝锥、板牙等，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。

第67页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、刀具磨损机理粘结磨损(冷焊磨损)

切屑与刀具在压力和摩擦条件下冷焊粘结，然后相互被拉开，产生表面破坏伤痕。

粘结磨损的程度主要取决于工件与刀具材料之间的亲合能力和温度，两种材料的亲合能力越强，越容易发生粘结磨损。另外，在中温条件下，粘结磨损较为严重。第68页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、刀具磨损机理扩散磨损：

工件材料和刀具在高温下（900～1000℃）化学元素相互扩散造成的磨损。第69页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、刀具磨损机理扩散磨损：

扩散磨损的速率主要取决于刀具与工件材料间的亲合能力和两者接触面上的温度。温度是影响扩散磨损的最主要的因素，随着切削温度的提高，扩散磨损会迅速增加。第70页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、刀具磨损机理氧化磨损：

刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后，在高温下（700～800℃）与空气中的氧作用产生松脆氧化物，造成刀具磨损。一般来说，在刀—屑接触区内，空气不易进入，故氧化磨损多发生在主、副切削刃的工作边界附近，造成边界磨损。第71页，共110页，2023年，2月20日，星期三综上所述：切削速度(温度)对刀具磨损具有决定性的影响：高速(温)时扩散磨损和氧化磨损强度较高；中低速(温)时冷焊磨损占主导地位；磨料磨损在不同速(温)度下都存在。第72页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、磨损过程第73页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、磨损过程注意：在实际生产中，必须控制刀具不能进入剧烈磨损阶段。在进入急剧磨损阶段以前，就要换刀或重磨，否则，不仅会恶化工件加工质量，重磨时消耗过多的刀具材料和增加磨刀时间与费用，严重时还会造成产品、设备和人身事故。第74页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、刀具的磨钝标准“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大磨损尺寸”。以VB表示第75页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、刀具的磨钝标准“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大磨损尺寸”。以VB表示考虑因素：①刀具材料：强度高时，VB可取大值。②工艺系统刚性：工艺系统刚性差，VB应取小值。③工件材料：切削难加工材料(如高温合金、不锈钢、钛合金等)，一般应取较小的VB值，加工一般材料，VB可取大些。④加工精度和表面质量：加工精度和表面质量要求高时，VB应取小值。⑤工件尺寸：加工大型工件，为避免频繁换刀，VB应取大值。

第76页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、刀具的磨钝标准第77页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、刀具的使用寿命“刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总的切削时间”。记为：T切削用量与刀具使用寿命的关系：第78页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、刀具的使用寿命当用硬质合金外圆车刀切削σb＝0.75GPa的碳钢时，f＞0.75mm/r时，经验公式为：可见：vC对T的影响最大，f次之，aP最小。在优选切削用量以提高生产率时，首先应尽量选大的aP，然后根据加工条件和要求选允许最大的f，最后根据T选取合理的vC。第79页，共110页，2023年，2月20日，星期三五、刀具的使用寿命粗加工时：硬质合金：车刀：60min

端面铣刀：120～180min

高速钢：普通车刀：60min

成形车刀：120min

钻头：80～120min

齿轮刀具：200～300min精加工时：常以走刀次数或加工零件个数表示刀具使用寿命。第80页，共110页，2023年，2月20日，星期三六、刀具合理使用寿命的选择最大生产率使用寿命：TP“根据单件工序工时最短的原则来确定Tp”。第81页，共110页，2023年，2月20日，星期三六、刀具合理使用寿命的选择

经济使用寿命：TC“根据单件工序成本最低的原则来确定Tc”。式中：m：指数。对于高速钢：m=0.1~0.125，硬质合金：m=0.1~0.4，陶瓷刀具：m=0.2~0.4tct：换刀一次所需时间；Ct：刀具成本；

M：该工序单位时间内机床折旧费及所分担的全厂开支。第82页，共110页，2023年，2月20日，星期三第五节刀具合理几何参数的选择刀具合理几何参数：在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数。第83页，共110页，2023年，2月20日，星期三一、前角的作用直接影响刀具的锋利程度刀具锋利↗切屑变形程度↙切削力↙前角↗直接影响切削刃的强度和刀头强度前角↗刀刃及刀头强度↙易蹦刃楔角↙直接影响切屑的形状和断屑效果前角↙切屑变形程度↗易断屑切削热↙↗表面质量↗第84页，共110页，2023年，2月20日，星期三前角选择原则工件材料：脆性材料：γO小；塑性材料：γO大工件的强度、硬度低：γO大

刀具材料：刀具的强度、韧性越好：γO大

加工条件：粗加工/断续时：γO小；精加工时：γO大碳钢一般可取10～20°，铸铁一般可取0～15°。第85页，共110页，2023年，2月20日，星期三“锐字当先、锐中求固”前角选择总原则第86页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、后角的作用

后角的主要作用是减少后刀面与加工工件之间的摩擦和磨损。但后角过大，会削弱切削刃、刀头的强度和散热能力。

通常αO=5～

12°

在相同磨钝标准VB下，增大后角可以延长刀具使用寿命。第87页，共110页，2023年，2月20日，星期三后角选择原则工件材料：

刀具材料：刀具的强度、韧性较大，则αO可选大值

加工条件：粗加工时：αO小；精加工时：αO大工件的强度、硬度较大，则αO可选小值工件的塑性较大，则αO可选大值粗加工时，一般可取6°～10°，精加工时，一般可取8°～12°。第88页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、主偏角、副偏角的作用影响残留面积的高度Кγ、Кγ’↗Rmax↗

影响三个切削分力的大小和比例关系(Kr)第89页，共110页，2023年，2月20日，星期三三、主偏角、副偏角的作用主偏角影响切屑层的形状在f、ap相同的情况下：Кγ↙bD↗刀刃工作长度↗单位负荷↙第90页，共110页，2023年，2月20日，星期三主、副偏角选择原则工件材料：Кγ↙

工艺系统刚性：刚性好，则Кγ取小值。

加工条件：粗加工时：Кγ大；精加工时：Кγ小硬度↗主偏角Кγ常用的数值为30º、45º、60º、75º、90º、

93º

。副偏角Кγ’一般取5º

～15º

。第91页，共110页，2023年，2月20日，星期三主、副偏角选择总原则：在不产生振动的条件下，取小值。第92页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、刃倾角的作用1.影响切屑的流向：

λs>0°时，切屑流向待加工面；

λs<0°时，切屑流向已加工面；

λs=0°时，切屑切屑沿主剖面方向流出。

第93页，共110页，2023年，2月20日，星期三四、刃倾角的作用影响刀刃的强度和散热条件：

+λS刀尖高，-λS刀尖低。作断续切削时，-λS使远离刀尖的切削刃先切入工件，避免+λS时刀尖受冲击而损坏。同时，-λS时刀尖强度和散热条件也较好。第94页，共110页，2023年，2月20日，星期三一般情况下：粗加工时：λs=0～－5°

精加工时：λs=0～＋5°

工艺系统刚性不足，则λs>0刃倾角选择原则第95页，共110页，2023年，2月20日，星期三第六节工件材料的切削加工性

材料的切削加工性是指：对某种材料进行切削加工的难易程度。良好的切削加工性的内容：①在相同的切削条件下，刀具有较高的使用寿命；或在一定的刀具使用寿命下，能采用较高的切削速度。②在相同的切削条件下，切削力或切削功率小，切削温度低。③容易获得良好的表面加工质量。④容易控制切屑的形状或容易断屑。第96页，共110页，2023年，2月20日，星期三①以刀具使用寿命T的相对比值作为指标②以相同刀具使用寿命T下切削速度V的相对比值作为指标一、衡量材料切削加工性的指标

材料的切削加工性是一个相对的概念。通常在讨论钢材的切削加工性时，以45钢为比较基准；而讨论铸铁这样的脆性材料时，则以灰铸铁为比较基准。具体的评价指标主要有以下几种：第97页，共110页，2023年，2月20日，星期三相对加工性Kr：一、衡量材料切削加工性的指标

式中：V60——某种材料其刀具使用寿命为60min时的切削速度；

(V60)j——切削45钢，刀具使用寿命为60min时的切削速度。第98页，共110页，2023年，2月20日，星期三相对切削加工性及其分级

第99页，共110页，2023年，2月20日，星期三二、影响材料切削加工性的因素1.材料物理和机械性能的影响①硬度和强度②塑性和韧性③导热性④线膨胀系数金属材料的硬度和强度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，故切削加工性越差。

材料的导热系数越大，切削时的散热越好，有利于降低切削温度，故切削加工性越好。第100页，共110页，2023年，2月20日，星期三2.材料化学成分的影响

①碳钢中含碳量或普钢中合金成分(如Cr、Ni、Mo等)强度、硬度↗导热性↙加工性↙含量↗②加入S、Pb、P元素加入硫S、铅Pb塑性↙加工性↗二、影响材料切削加工性的因素加入磷P脆性↗加工性↗第101页，共110页，2023年，2月20日，星期三2.材料化学成分的影响

③铸铁二、影响材料切削加工性的因素灰铸铁内石墨呈片状分布，破坏了基体的连续性，而且有润滑作用，切削加工性较好。球墨铸铁内石墨成球状，有利于基体连续，强度高，较难加工。冷硬铸铁或白