第2章-金属切削过程及其物理现象

2.1金属切削变形2.2切削力与切削功率2.3切削热与切削温度2.4刀具磨损与刀具寿命2.5切削用量的合理选择2.6刀具几何参数的合理选择2.7磨削原理2.1金属切削变形2.1.1金属切削过程及变形区1.切屑的形成过程

金属切削过程是指从工件表面切除多余金属层，并形成切屑和已加工表面的过程。在切削过程中，切削层受到刀具前刀面的推挤，通常会产生变形，形成切屑。图2-1切削过程示意图2.切削过程变形区的划分图2-2

剪切滑移线与三个变形区示意图第一变形区：图中Ⅰ（AOM），主要特征是沿滑移面的剪切变形，宽度仅为0.02mm～0.2mm第二变形区：图中Ⅱ，靠近前刀面处金属纤维化第三变形区：图中Ⅲ。此变形区位于后刀面与已加工表面之间，使已加工表面产生变形，造成纤维化和加工硬化2.1.2切屑类型及变形程度1.切屑的类型图2-3切屑类型2.切屑变形程度切屑厚度与切削层厚度之比或切削层长度与切屑长度之比称为切屑变形系数（2-1）2.1.3前刀面上的摩擦与积屑瘤现象1.前刀面上的摩擦特性图2-6

刀—屑接触面上的摩擦特性内摩擦区：在近切削刃长度lf1内，由于摩擦与挤压作用产生高温和高压，使切屑底面与前面的接触面之间形成粘结，亦称冷焊。粘结区或称冷焊区内是前面摩擦的主要区域。外摩擦区：在内摩擦区外的长度lf2内的摩擦区。滑动摩擦区。2.积屑瘤现象图2-7

积屑瘤（示意图）积屑瘤实验图现象：在切削塑性材料时，如果前刀面上的摩擦系数较大，切削速度不高又能形成带状切屑的情况下，常常会在切削刃上粘附一个硬度很高的鼻型或楔型硬块，称为积屑瘤。成因：切屑底层金属在高温、高压作用下在刀具前表面上粘结并不断层积的结果。变化规律：中温情况下切削中碳钢，温度在300～380C0时，积屑瘤的高度最大，温度在500～600C0时积屑瘤消失。作用：积屑瘤将前刀面与切屑隔开，其硬度是工件材料的2～3倍，可以代替刀刃进行切削，起到增大刀具前角和保护切削刃的作用。积屑瘤的产生与大小是周期性变化的。积屑瘤的周期性变化对工件的尺寸精度和表面质量影响较大。2.1.4已加工表面的形成与加工硬化1.已加工表面的形成图2-8已加工表面的形成过程切屑分离ＯＢ段挤压已加工表面ＢＣ段挤压摩擦弹性恢复ＣＤ段摩擦2.已加工表面的加工硬化现象：切削加工后，已加工表面将产生加工硬化。（工件材料表面硬度、强度有所提高）影响：给后续工序加工增加困难，影响零件已加工表面质量。提高工件表面耐磨性，增大表面层的脆性，降低零件表面的抗冲击能力。产生原因：在已加工表面的形成过程中表面层经受了复杂的塑性变形，金属晶格被拉长、扭曲与破碎，阻碍了进一步塑性变形而使金属强化。此外，切削温度有可能引起的相变也可导致加工硬化。已加工表面的加工硬化就是这种强化、相变的综合结果。表示方法：①用硬化层深度h表示。

②用硬化程度N表示。一般硬化层深度h可达几十到几百微米，硬化程度N可达120%～200%。2.1.5影响切削变形的因素工件材料刀具前角切削速度进给量工件材料的强度和硬度越高，变形越小刀具前角越大，切削刃越锋利，切削变形越小切削速度对切削变形的影响比较复杂积屑瘤最大时切削变形达最小值，积屑瘤消失时切削变形达最大值在无积屑瘤的切削范围内，切削速度越大，则切削变形越小进给量增加，切削变形减小2.2切削力与切削功率2.2.1切削力1.切削力的来源、合力与分力

刀具在切削工件时，由于切屑与工件内部产生弹、塑性变形抗力，切屑与工件对刀具产生摩擦阻力，形成了作用在刀具上的合力F合力F可分解为三个分力切削力Fc（主切削力Fz）——在主运动方向上分力；背向力Fp（切深抗力Fy）——在垂直于工作平面上分力；进给力Ff（进给抗力Fx）——在进给运动方向上。计算切削力的实验公式（指数公式）：

2.单位切削力单位切削力是指切削单位切削层横截面积所产生的切削力。

2.2.2切削功率在切削过程中消耗的功率叫切削功率Pc，单位为kw，它是Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。一般来说，Fp和Ff相对Fc所消耗的功率很小，可以略去不计。

机床电机的功率2.2.3影响切削力的主要因素工件材料切削用量刀具几何参数一般来说，材料的强度和硬度愈高，切削力愈大；塑性、韧性大的，或加工硬化严重的，切削力大。背吃刀量和进给量影响较明显。增加1倍，切削力增加约1倍；f增加1倍，切削力只增加68%～86%。切削速度对切削力的影响不大。前角和主偏角对切削力影响明显。增大，切削力减小；主偏角大小将影响背向力和进给力的分配比例，增大，背向力FP减小，进给力Ff增加。2.3切削热与切削温度1.切削热的产生和传散在切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全部转换为热能，即切削热。切削热通过切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）向外传散，同时使切削区域的温度升高。2.切削温度及其分布切削温度是指切屑、工件和刀具接触区的平均温度。图2-11车削时正交平面内切屑、工件、刀具上的温度分布情况3.影响切削温度的主要因素

切削温度的高低主要取决于切削加工过程中产生热量的多少和向外传散的快慢。影响热量产生和传散的主要因素有：切削用量工件材料刀具几何参数切削液2.4刀具磨损与刀具寿命

2.4.1刀具磨损1.刀具磨损形式（1）正常磨损（2）非正常磨损：破损（a）前刀面磨损：月牙洼（b)后刀面磨损：刀尖、中间、边界磨损区2.刀具磨损原因3.刀具磨损过程

造成刀具磨损有以下几种原因：磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损。初期磨损阶段（OA段）正常磨损阶段（AB段）急剧磨损阶段（BC段）

2.4.2刀具寿命1.刀具的磨钝标准2.刀具寿命刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。国际标准ISO规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB值作为刀具的磨钝标准。参考依据：自动化生产：刀具径向磨损量；实际生产：切削时突发现象，振动产生、已加工表面质量变差、切屑颜色改变、切削噪声明显增加等。刀具寿命又称刀具耐用度，是指一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，或者说是刀具两次刃磨之间总的切削时间，用T表示，单位为min。3.刀具合理寿命的选择刀具寿命T的经验公式：（2-17）最高生产率寿命最低生产成本寿命2.5切削用量的合理选择

2.5.1选择切削用量的原则切削用量的三要素对加工质量、生产效率、刀具耐用度的影响不尽相同，故选择切削用量时要考虑综合效果，其原则是在保证加工质量的前提下尽可能提高生产率，降低生产成本（较高的刀具寿命）。

2.5.2切削用量的确定1.背吃刀量的合理选择背吃刀量一般是根据加工余量确定。粗加工：=加工余量，可达8～10mm；半精加工：＝0.5～2mm；精加工：＝0.1～0.4mm。2.进给量的合理选择粗加工合理的f是工艺系统所能承受的最大进给量。-------切削用量手册精加工进给量主要受加工表面粗糙度限制，一般取较小值。3.切削速度的合理选择由已定的、f及T，计算（2-23）确定后，计算机床主轴转速n（2-24）一般机床主轴转速为有限的不连续间断值，n取机床所有值或接近值

2.5.3切削用量的优化切削用量的优化，即在一定的预定目标及约束条件下，选择最佳的切削用量。作为常用的优化目标函数有：最低加工成本；最高生产率；最大利润。切削用量的优化主要是指切削速度与进给量f的优化组合。它们要受到机床、工件、刀具及切削条件等方面的限制，根据这些约束条件，可建立一系列约束条件不等式。对所建立的目标函数及约束方程求解，便可很快获得和f的最优解。2.6刀具几何参数的合理选择1.前角的选择2.后角的选择前角不能太小，也不能太大，应有一合理前角。通常加工铸铁＝５o～15o；加工钢材＝10o～20o；加工紫铜＝2５o～35o；加工铝＝30o～40o。刀具的合理后角的选择主要依据切削厚度（或进给量）的大小。一般车刀合理后角与进给量f的关系为：f＞

0.25mm/r，＝50～80；f≤0.25mm/r，＝100～120。3.主偏角的选择主偏角的大小影响着切削力、切削热和刀具寿命。一般取300、

450、

600、

750、

900等。4.副偏角的选择5.刃倾角的选择副偏角的作用是减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面间的摩擦。一般选取：精加工=50～100；粗加工=100～150。有些刀具因受强度及结构限制（如切断车刀），取=10～20。刃倾角的作用是控制切屑流出的方向、影响刀头强度和切削刃的锋利程度。一般加工钢材和铸铁时，粗车取=00～－50，精车取=00～50，有冲击负荷时取=－50～－１50。2.7磨削原理

2.7.1磨削加工类型磨削可大致分为内圆磨削、外圆磨削和平面磨削。

2.7.2磨削运动

（a）外圆磨削时的运动（b）平面磨削时的运动图2-18磨削时的运动主运动主运动速度是砂轮外圆的线速度。径向进给运动

工件相对砂轮在工作台每双（单）行程内沿砂轮径向移动的距离，用径向进给量表示，mm/d•str（mm/str）。轴向进给运动工件相对砂轮沿其轴向的进给运动，用轴向进给量表示。工件进给运动工件自身的旋转运动或工件随工作台的直线往复运动，用工件速度表示。2.7.3砂轮及其特性砂轮是由结合剂将刚玉类或碳化硅类磨料黏合而成的多孔体。砂轮的特性与组成砂轮的各要素，即磨料、粒度、结合剂、硬度、组织等有关。2.7.4磨削过程和磨削机理磨粒要从工件上切下切屑，要经历滑擦阶段、刻划阶段和切削阶段。图2-20磨粒切削过程的三个阶段

2.7.5磨削温度1.磨削温度2.磨削温度的影响因素磨削温度是指砂轮与工件接触面的平均温度。区分：磨粒磨削点温度、砂轮磨削区温度工件速度对磨粒磨削点温度的影响比砂轮速度影响大。径向进给量影响磨粒磨削点温度，当径向进给量增加时，磨粒磨削点温度也增加，但没有工件速度和砂轮速度的影响大。径向进给量对砂轮磨削区温度的影响最大。

2.7.6磨削表面质量磨削表面质量包括磨削表面的粗糙度和磨削表面的物理力学性能两方面。1.磨削表面的粗糙度磨削表面的粗糙度是由磨粒磨削后在加工表面上形成残留廓形和工艺系统振动所引起的波纹所决定的。（2-28）磨削表面的粗糙度实验公式：2.磨削表面的物理力学性能磨削的表面烧伤在磨削高温下形成的氧化膜厚度不等，在阳光下出现干涉色。金属光泽淡黄色黄褐色紫褐色无烧伤轻度烧伤400~500℃中度烧伤深度烧伤800~900℃影响磨削表面烧伤的因素：砂轮的磨