天津理工大学机械制造基础1.2.-2

前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角
β减小，剪切角φ增大，变形系数 将随之h
减小。
φ=π/4-β+γ0 ξ=cos（φ-γ0）/sinφ
2．刀具前角γ0
增大刀具前角γo，剪切角φ将随之增大，变 形系数 将随h 之减小；但γo增大后，前刀面倾斜 程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力
σav减小，使摩擦角β和摩擦系数μ增大而导致φ
切削速度对摩擦系数
的影响见图3-11。当 v<30m/min时，切削速 度提高，摩擦系数变大。
这是因为在低速区切削
温度较低，前刀面与切
削底层不易粘结，粘结
的严密程度随速度（温
度）增高而发展，从而 使μ上升。当v超过 30m/min后，温度进一 步升高，材料塑性增加， 而使切削底层材料的τs 下降，故μ随之逐渐下 降。
4.影响前刀面摩擦系数的主要因素
工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度 是影响前刀面摩擦系数的主要因素。 工件材料：实验表明在相同切削条件下，加工几种 不同工件材料，如铜、10钢、10Cr钢、1Cr18Ni9Ti 等，随着工件材料的强度和硬度的依次增大，摩擦 系数μ略有减少。这是 由于当切削速度不变时， 材料的硬度强度大时，切削温度增高，故摩擦系数 下降。 切削厚度、刀具前角：切削厚度ac增加时，μ也略为 下降，如10钢的ac从0.1mm增大到0.18mm,μ从0.74 降至0.72。因为ac增加后正应力也随之增大（参见 式3-10）。在一般切削速度范围内，前角γ0愈大， 则μ值愈大。因为随着γ0增大，正应力减小，故 μ增加。
六、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
1）什么是积屑瘤
在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处粘结 一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。
2）积屑瘤的形成原因
产生这种现象，是滞流层金属不断堆积的结果。
3）影响积屑瘤的因素
积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度 有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。
八、切屑的类型切屑类型及Βιβλιοθήκη 成条件名称带状切屑
挤裂切屑
单元切屑
崩碎切屑
简图
形态 变形
形成 条件
影响
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状
剪切滑移尚未达 到断裂程度
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
F tan（ - ）= p o FC
tan
2.剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系
切削合力Fr的方向就是主应力的方向。根 据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与 最大剪应力方向的夹角应为45，即Fs与Fr的夹 角应为45，故有
o4
4
o
o
4
4
o
分析上式可知：
减小。由于后一方面影响较小， 还是随h的γo增 加而减小。
φ=π/4-（β-γ0）
3．切削速度Vc
在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切
削速度vc 越大，变形系数 h越小。主要是因
为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削
速度vc 越高，切削变形越不充分，导致变形 系数 h 下降。此外，提高切削速度vC 还会
图3－8 作用在切屑上的力
a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力 b) 切屑作为隔离体的受力分析
如将上述两对力都画在切削刃的前方，就得到直角自由 切削时力与角度的关系图。
如用测力仪直接测得作用在刀具上的切
削分力 F和c F，p在忽略被切材料对刀具
后刀面作用力的条件下，即可求得前刀面 对切屑作用的摩擦角β，进而可近似求得前 刀面与切屑间的摩擦系数μ。
➢切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦
仅为外摩擦。
➢刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外
摩擦)区。
➢金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑
内摩擦。
令μ为前刀面上的平均摩擦系数，则
式中，Af1——内摩擦部分的接触面积； σav——内摩擦部分的平均正应力； τs——工件材料剪切屈服强度。 由于τs随切削温度升高略有下降，σav随材料硬 度、切削厚度及刀具前角而变化，其变化范围较 大，因此，μ是一个变数。
1）前角增大时，剪切角随之增大，变 形减小。这表明增大刀具前角可减少切削 变形，对改善切削过程有利。
2）摩擦角增大时，剪切角随之减小， 变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性 能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的 摩擦系数，有利于改善切削过程。
3. 前刀面上的摩擦
特点
在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑 与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。
剪应力τ的 分布 在粘结区 内τ基本上是不 变的，它等于较 软金属的剪切屈 服极限τs；在滑 动区剪应力τ是 变化的，离切削 刃越远，τ越小。
正应力σ分布 在接触区内正应力σ是 变·化的，离切削刃越远，前刀面上正压力 越小，故正应力σ越小。近切削刃处正应力σ 为最大值
图3－10 切屑和前面摩擦情况示意图
低速(vc≤3m／min左右)切削时，产生的切削温度很低；较高 速(vc>60m／min)切削时，产生的切削温度较高，这两种情况 的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。在中速(vc≈20m／ min)，积屑瘤的高度达到最大值。
图3－12 积屑瘤高度与切削速度关系示意图
4）积屑瘤对切削过程的影响
❖实际前角增大（图3-13）； ❖增大切削深度（图3-13） ； ❖使加工表面粗糙度增大； ❖对刀具寿命的影响。
3. 前刀面上的摩擦
➢在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面
之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢 得多，从而在切屑底部形成一个滞流层 。
➢所谓“内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩
擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大 小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。
一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利的， 在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，但在粗加 工时，有时可充分利用积屑瘤。
5）抑制或消除积屑瘤的措施
➢ 采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度
影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc＜3m/min 和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故 不易形成积屑瘤；
使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服 强度τs因温度的增高而略有下降，导致前刀
面摩擦系数μ减小，使变形系数 下降h。
4.切屑厚度对切屑变形的影响
当切削厚度增加时，摩擦系数减小，φ增大，变形 变小。可见，在无积屑瘤情况下，f愈大（ac愈大），则 ξ愈小。
从另一方面来看，切屑中的底层变形最大，离前面 愈远的切屑层变形愈小。因此，f愈大（ac愈大），切屑 中平均变形则愈小；反之，切屑愈薄，变形量愈大。
粒状
局部剪切应力达到断 剪切应力完全达
裂强度
到断裂强度
加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小
工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低
不规则块状颗粒
未经塑性变形即 被挤裂
加工硬脆材料， 刀具前角较小
切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
切削力波动较大， 切削力波动大，有 切削过程不平稳， 冲击，表面粗糙度 表面粗糙度不佳 恶劣，易崩刀
➢ 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； ➢ 适当减少进给量、增大刀具前角； ➢ 适当提高工件材料的硬度； ➢ 提高刀具的刃磨质量； ➢ 合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。
七、影响切屑变形的主要因素
1．工件材料
工件材料强度越高，切屑和前刀面的 接触长度越短，导致切屑和钢刀面的接触
面积减小，前刀面上的平均正应力 增大， av
两个摩擦区
➢ 粘结区：高温高压使切屑底
层软化，粘嵌在前刀面高低不 平的凹坑中，形成长度为lfi的 粘接区。切屑的粘接层与上层
金属之间产生相对滑移，其间 的摩擦属于内摩擦。
➢ 滑动区：切屑在脱离前刀面 之前，与前刀面只在一些突出 点接触，切屑与前刀面之间的 摩擦属于外摩擦。
lfi
lfo
图3-11 切屑与前刀面的摩擦
•钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量
等因素。
鳞刺是已加工表面上的一种鳞片状毛刺。其形成过程 如图3-17所示，可分为抹拭、导裂、层积、切顶四个阶段。
五．前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响
1. 作用在切屑上的力
•刀具与切屑之间的作用力分析如图3-8所示。 •在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对 其作用的法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向 力Fns,两对力的合力分别为Fr 和 Fr′。 •假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共线， 有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，φ是剪切 角；β是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角；γo是刀具前角。
九、已加工表面的形成过程
•已加工表面的形成与第三变形区的关系密切； •刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已
加工表面产生剧烈的塑性变形(图3-16a)。
•表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层
的残余应力。
•加工硬化和残余应力的存在，会影响已加工表面的质量
和工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀具 磨损。