第二章第1节-金属切削过程及切屑类型
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机械制造技术基础 第二章
切削力波动较大， 切削力波动大，有冲 切削过程不平稳， 击，表面粗糙度恶劣 ，易崩刀 表面粗糙度不佳
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切百度文库类型
带状切屑
挤裂切屑
节状切屑
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崩碎切屑
切屑形态照片
2、切屑的控制
切屑经第1、第11变形区的剧烈变形后，硬度
增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中， 当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表 面等障碍时，如某一部位的应变超过了切屑材料 的断裂应变值，切屑就会折断，图示为切屑碰到 工件或刀具后刀面折断的情况。（图8）
层材料对弹性变形、塑性变形
的抗力。 2）克服刀具与切屑、刀具与 工件表面间摩擦阻力所需的力。
２、切削合力及分解
Fc Ff · p
v
κr
Ff Fp Ff · p
F
f 背向力 Fp Ff · p Fc
Ff
进给力
切削力
F 切削合力 切削力的分解
Fc——切削力（主切削力或切向分力，以前用Fz表示）。它切于
积屑瘤的动态演示1
积屑瘤的动态演示2
切削过程
机械制造技术
切削过程
切削过程
切削过程是刀具从工件表面上切除多余材料，从
切屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程。
一、切屑的形成过程
在刀具的作用下，切削层金属经过一个复杂的过程变成切屑。在这一过程中，切削层的形态发生了变化。产生这一变化的根本原因是切削层金属在刀具的作用下产生老变形，这就是切削过程中的变形。伴随切削过程的变形，出现一系列的物理现象，如切削力、切削热、切削温度、刀具磨损、积屑瘤等。切削过程的变形是研究切削过程的基础。
图1 塑性金属材料的剪切破坏 削过程三个变形区
图1所示模型说明了切削过程的变形。塑性金属材料在刀具的作用下，沿与作用力成45o 的方向产生剪切滑移变形，当变形达到一定极限值时，就会沿着变形方向产生剪切滑移破坏。若刀具连续运动，虚线以上的材料就会在刀具的作用下与下方材料分离。金属切削过程与上述过程基本相似。
如图2所示，在刀具的作用下，切削层金属经过复杂的变形后与工件基体材料分离形成了切屑。这一过程中产生的变形可以划分为三个区域，即三个变形区，它们是位于切削刃前OAM之间的第I变形区、靠近前刀面的第II变形区和位于后刀面附近的第III变形区。
图2 切削过程三个变形区
（1） 第一(Ⅰ)变形区
切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区，也就是图3所示OA与OM之间的区域就是第一(Ⅰ)变形区。
图3 金属切削过程的三个变形区
金属材料在OA线以左发生弹性变形。在OA线上，材料的剪应力达到屈服强度τs，开始塑性变形，产生滑移，OA称为始滑移线。随着刀具的连续移动，原来处于滑移线上的金属不断向刀具靠拢，应
机械制造技术基础(第2版)第二章课后习题答案
《机械制造技术基础》部分习题参考解答
第二章 金属切削过程
2-1 什么是切削用量三要素？在外圆车削中，它们与切削层参数有什么关系？ 答：切削用量三要素是指切削速度v 、进给量f 、背吃刀量a p （切削深度）。 在外圆车削中，它们与切削层参数的关系是：
sin /sin D r
D p r D p
h f b a A fa κκ===切削层公称厚度： 切削层公称宽度： 切削层公称横截面积：
2-2 确定外圆车刀切削部分几何形状最少需要几个基本角度？试画图标出这些基本角度。
答：确定外圆车刀切削部分几何形状最少需要7个基本角度：前角、后角、主偏角、副偏角、副前角、副后角和刃倾角，这些基本角度如下图所示（其中副前角、副后角不做要求）。
2-3 试述刀具标注角度和工作角度的区别。为什么车刀作横向切削时，进给量取值不能过大？
答：刀具标注角度是在静态情况下在刀具标注角度参考系中测得的角度；而刀具工作角度是在刀具工作角度参考系中（考虑了刀具安装误差和进给运动影响等因素）确定的刀具角度。
车刀作横向切削时，进给量取值过大会使切削速度、基面变化过大，导致刀具实际工作前角和工作后角变化过大，可能会使刀具工作后角变为负值，不能正常切削加工（P23）。
2-4 刀具切削部分的材料必须具备哪些基本性能？
答：（P24）(1) 高的硬度和耐磨性；(2) 足够的强度和韧性；(3) 高耐热性；(4) 良好的导热性和耐热冲击性能；(5)良好的工艺性。
2-5 常用的硬质合金有哪几类？如何选用？
答：（P26）常用的硬质合金有三类：P类（我国钨钴钛类YT），主要用于切削钢等长屑材料；K类（我国钨钴类YG），主要用于切削铸铁、有色金属等材料；M类（我国通用类YW），可以加工铸铁、有色金属和钢及难加工材料。
金属切削过程基本规律及其应用
c
p
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四、刀具磨损与刀具耐用度
刀具失效 刀具磨损 刀具破损
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四、刀具磨损与刀具耐用度
1. 刀具磨损的形式
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图2-30 车刀典型磨损形式
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四、刀具磨损与刀具耐用度
2.刀具磨损的原因 (1) 擦伤磨损 （任何切削温度） (2) 粘结磨损 (3) 扩散磨损 （高速切削） (4) 氧化磨损 （高速切削）
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1. 切屑的形成
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图2-1 金属切削过程中的滑移线
3
2.1 金属切削过程的基本规律.
• （1）第一变形区 从OA线开始发生塑性变形，到 OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。OA线和OM 线之间的区域（图中Ⅰ区）称为第一变形区。
• （2）第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到
2）切削用量对切削力的影响。 b）切削速度Vc对切削力的影响;
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3. 影响切削力的因素
3）刀具几何参数对切削力的影响。
a） 前角go对切削力的影响;
前角go↑ 刀刃锋利↑ 变形抗力↓ 切削力↓
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3. 影响切削力的因素
3）刀具几何参数对切削力的影响。
金属切削过程之切削类型
▪ 2、控制切削速度。
▪ 例如： 中碳钢Vc＜5m/min，不易生成
▪
Vc＝5―50m/min易生成
▪
Vc＞100m/min不易生成
▪ 3、采用润滑性能良好的切削液，减小摩擦。
▪ 4、增大前角，减小进给量，提高刀具表面质量， 减小切削变形
▪ 3、积屑瘤脱落嵌入工件后会影响工 件的加工精度和表面质量
▪ 鉴于积屑瘤的优缺点，我们在粗加工时可以 形成积屑瘤，而在精加工时则要避免积屑瘤 的产生。
积屑瘤的控制
▪ 1、降低工件材料塑性
▪ 材料的塑性越好，产生积屑瘤的可能性越大。因此 对于中、低碳钢以及一些有色金属在精加工前应对 于它们进行相应的热处理，如正火或调质等，以提 高材料的硬度、降低材料的塑性。
积屑瘤对加工的影响
▪ 优点： ▪ 1、粗车时能代替切削刃进行切
削，起到保护前刀面和刀尖的作 用 ▪ 2、积屑瘤聚集在刀刃处，增大 了车刀的实际前角，能减小切削 变形和切削力
▪ 缺点：
▪ 1、无法形成稳定的刀面和刀刃，造 成切削的不稳定性，使切削力时大 时小，易引起振动。
▪ 2、积屑瘤超出刀尖时能影响尺寸精 度
衡量切屑可控性的主要标准
•
不妨碍正常的加工
•
不影响操作者的安全
•
易于清理、存放和搬运
切屑控制措施
•
磨断屑槽或使用压块式断屑槽
金属切削过程的基本规律.
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4．崩碎切屑
切削脆性金属材料如灰铸铁时得到的。 产生原因：材料受到拉应力已超过其抗拉强度。 切削力波动甚大，有冲击负荷，已加工表面凹凸不平。 改变切削条件，如大前角，大刃倾角，小切削厚度，高
切削速度，可得到针状切屑或松散的带状切屑。此时切 削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。
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切削层金属的变形
二、切削层金属的变形 1. 变形区的划分（以直角自由切削方式切削塑性材料为例）
根据实验，切削层金属在刀具 作用下变成切屑大体可划分三 个变形区。
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金属切削过程中滑移线和流线示意图
（l）第一变形区（Ⅰ）
从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到 OM 线 （ 终 滑 移 线 ） 金 属 晶 粒 剪 切 滑 移 基 本 结 束 ， AOM区域叫第一变形区。
（3）第三变形区（Ⅲ）
刀工接触区。 已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶
粒进一步剪切滑移。 有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工
硬化和回弹现象。 三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三
个变形区内的变形又相互影响。
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2. 第一变形区内金属的剪切变形
剪切角可采用快速落刀实验获 得切屑根部照片再测量得到。
第二章-金属切削过程及其控制
多用于车刀，性脆，适 用于连续切削
立方氮化硼
7300～ 9000HV
压制烧结而成， 可用金刚石砂 轮磨削
用于硬度、强度较高材 料的精加工
金刚石
10000HV
用天然金刚石 砂轮刃磨极困 难
用于非铁金属的高精度、 小表面粗糙度切削
2.3 金属切削用的刀具
－磨料与磨具
磨料 磨料是砂轮的主要成分，直接担负切削工作。磨料应该具
－常用刀具
刀具分类
按功能： 车、铣、刨、钻、拉、铰等 按切削刃多少： 单刃、多刃 按标准化程度： 标准、非标准 按尺寸规格： 定尺寸、非定尺寸 按刀具组成形式： 整体式、装配式
2.3 金属切削用的刀具
按功能分：
－车刀
1—切断刀；2—左偏刀；3—右偏刀；4—弯头车刀；5—直头车刀；6—成形 车刀；7—宽刃精车刀；8—外螺纹车刀；9—端面车刀；10—内螺纹车刀； 11—内槽车刀；12—通孔车刀；13—盲孔车刀
第二章
金属切削原理与刀具
Metal Cutting Process and Control
本章提要
概述
金属切削加工的基本概念 金属切削加工用的刀具 金属切削过程中的变形 金属切削过程中切屑的类型及控制 金属切削过程中的切削力和切削效率 金属切削过程中的切削热和切削温度 刀具磨损和刀具寿命 工件材料的切削加工性 切削条件的合理选择 磨削过程与磨削机理
立方氮化硼
7300～ 9000HV
压制烧结而成， 可用金刚石砂 轮磨削
用于硬度、强度较高材 料的精加工
金刚石
10000HV
用天然金刚石 砂轮刃磨极困 难
用于非铁金属的高精度、 小表面粗糙度切削
2.3 金属切削用的刀具
－磨料与磨具
磨料 磨料是砂轮的主要成分，直接担负切削工作。磨料应该具
－常用刀具
刀具分类
按功能： 车、铣、刨、钻、拉、铰等 按切削刃多少： 单刃、多刃 按标准化程度： 标准、非标准 按尺寸规格： 定尺寸、非定尺寸 按刀具组成形式： 整体式、装配式
2.3 金属切削用的刀具
按功能分：
－车刀
1—切断刀；2—左偏刀；3—右偏刀；4—弯头车刀；5—直头车刀；6—成形 车刀；7—宽刃精车刀；8—外螺纹车刀；9—端面车刀；10—内螺纹车刀； 11—内槽车刀；12—通孔车刀；13—盲孔车刀
第二章
金属切削原理与刀具
Metal Cutting Process and Control
本章提要
概述
金属切削加工的基本概念 金属切削加工用的刀具 金属切削过程中的变形 金属切削过程中切屑的类型及控制 金属切削过程中的切削力和切削效率 金属切削过程中的切削热和切削温度 刀具磨损和刀具寿命 工件材料的切削加工性 切削条件的合理选择 磨削过程与磨削机理
1.2 金属切削过程
在背吃刀量和进给量f保持一定时，积屑瘤高度Hb与切削速
度有密切关系。
2．积屑瘤的形成及其影响
形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度； 积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分
布和压力分布等有关。
塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤； 加工硬化：在已加工表面的形成过程中，表层金属经受了复 杂的塑性变形，使金属的晶格发生扭曲，晶粒拉长，破碎，阻 碍了金属进一步的变形而使金属强化，硬度显著提高。
cot tan( o)
公式表明，剪切角φ与前角γ0变化是影响切削变形的两个 主要因素，因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角γ0 和剪切角φ，使ε、 Λh减小，则切削变形减小。Λh主要从塑 性压缩方面分析；而ε值主要从剪切变形考虑。所以，ε与Λh 只能近似地表示切削变形等程度。 Φ、ε、ξ均可表示切屑变形程度，但应指出，它们是根据 纯剪切的观点提出的，实际切削过程是复杂的，既有剪切，又 有前刀面对切屑的挤压和摩擦，所以这些公式不能反映全部变 形实质。例如当ξ＝1时，似没变形，但实际有相对滑移存在。
既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移， 当然就可以用相对滑移（剪应变）来衡量切削过程的变 形程度。如下图，平行四边形OHNM发生剪切变形后，变 为平行四边形OCPM，其相对滑移
s NP NK KP y MK MK
第2章 金属切削过程
2.4
刀具磨损与耐用度
2.4.1 刀具磨损的形态 1.前刀面磨损 刀具磨损的形态 2.后刀面磨损 3.边界磨损
1.前刀面磨损
在前刀面上离切削刃小段距离有一月牙洼，随着磨损的加剧，主要 是月牙洼逐渐加深，洼宽变化并不是很大。磨损程度用洼深KT表示
洼深
Leabharlann Baidu
2.后刀面磨损
在刀具后刀面上出现与加工表 面基本平行的磨损带:C、B、N三个区
2 Fc2 Fp F f2
3、切削功率 切削功率是指在切削过程中所削耗的功率,用Pc表示
P Fc v 103 c ( KW )
（2-10）
2.2.2 切削力的求法（了解） 1、通过测量机床功率求切削力 功率表测，误差较大。 2、利用测力仪测量切削力 例：压电晶体式测力仪，精度较高 3、利用经验公式计算切削力 4、用单位切削力计算切削力 2.2.3 影响切削力的主要因素 1、工件材料的影响 ⑴ 材料的强度、硬度越高，切削力愈大 ⑵ 化学成分
变 形 系 数
强度 图2-12 工件材料强度对切屑变形系数的影响曲线
2、刀具前角对切屑变形的影响 前角γ 0增大，剪切角φ增大，切削刃越锋利，前刀面 对切削层的挤压作用越小，则切削变形就越小。
变形系数
前角
图2-13
前角对变形系数的影响
3、切削厚度对切屑变形的影响 切削厚度增加，作用在前刀面上的法向力增大，摩擦 系数减小，因此切削变形减小。
切屑的类型及控制
第二章 金属切削过程
第三节 切削的类型及控制
1.切削的类型 2. 切削类型控制
第三节 切屑的类型及控制
1. 切屑的类型
ＩＳＯ规定切屑的类型
第三节 切屑的类型及Leabharlann Baidu制
第三节 切屑的类型及控制
1. 切屑的类型
由于工件材料不同、切削条件各异，切削过程中生成 的切削形状是多种多样的。切削的形状有：带状、节状、粒 状和崩碎四种类型。
第三节 切屑的类型及控制
1. 切屑的类型
带状切屑
节状切屑
粒状切屑 图 切屑形态照片
崩碎切屑
第三节 切屑的类型及控制
1. 切屑的类型
1）带状切屑：它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属 材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金），当切削厚度较小、 切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它 的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。
第二章 金属切削过程
第三节 切削的类型及控制
1.切削的类型 2. 切削类型控制
第三节 切屑的类型及控制
2. 切屑类型控制
在现行切削加工中，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。
切屑的类型及控制
(3)调整切削用量
提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利； 但增大f会增大加工表面粗糙度;
适当地降低切削速度使切削变形增大，也 有利于断屑，但这会降低材料切除效率。 须根据实际条件适当选择切削用量。
小结
1. 金属切削过程的本质及三个变形区的划 分，各变形区的特征；
2. 影响加工表面粗糙度的因素及减小表面 粗糙度的措施；
3.切屑的基本类型及影响切屑变形的因素有 哪些。
(1)采用断屑槽 通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的 约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。
断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则会影 响断屑效果。常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆弧形 和全圆弧形。
前角较大时，采用全圆弧形断屑槽刀具的强度较好。断 屑槽位于前刀面上的形式有平行、外斜、内斜三种。
切屑的类型及控制
一、切屑的类型
1.切屑类型 由于工件材料不同，切削条件各异．切削过程中生成的
切屑形状是多种多样的。切屑的形状主要分为带状、节状、 粒状和崩碎四种类型，如图所示。
(a)带状切屑
(b)挤裂切屑
(c)单元切屑
(d)崩碎切屑
来自百度文库
(1)带状切屑 这是最常见的一种切屑。它的内表面是光滑 的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、 切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切 屑。
金属切削过程及控制
金属切削过程及控制
第一节 金属切削过程及切屑类型
一、切屑的形成过程
1．切削变形的力学本质
切削金属形成切屑的 过程是一个类似于金属材 料受挤压作用，产生塑性 变形进而产生剪切滑移的 变形过程 （图）。
2．切屑形成过程模型
图3－1
图
挤压与切削的比较
图3－1 切屑形成过程模型
二、三个变形区
根据实验时的切削层变形图片可绘制如图3-2所示的切削变形模型，其 变形大致可分为三个变形区。
图3－10
切屑和前面摩擦情况示意图
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。
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。
第一节 金属切削过程及切屑类型
一、切屑的形成过程
1．切削变形的力学本质
切削金属形成切屑的 过程是一个类似于金属材 料受挤压作用，产生塑性 变形进而产生剪切滑移的 变形过程 （图）。
2．切屑形成过程模型
图3－1
图
挤压与切削的比较
图3－1 切屑形成过程模型
二、三个变形区
根据实验时的切削层变形图片可绘制如图3-2所示的切削变形模型，其 变形大致可分为三个变形区。
图3－10
切屑和前面摩擦情况示意图
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。
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。
金属切削基本理论
切屑类型
名称 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
简图
形态 变形
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
粒状
不规则块状颗粒
2、切屑的形成过程
1）切削变形的力学本质
切削金属形成切 屑的过程是一个类似 于金属材料受挤压作 用，产生塑性变形进 而产生剪切滑移的变 形过程 。
实验表明，切屑的形成过程是被切 削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫 使其产生弹性变形，当剪切应力达到金 属材料屈服强度时，产生塑性变形。随 着刀具前刀面相对工件的继续推挤，与 切削刃接触的材料发生断裂而使切削层 材料变为切屑。 切屑的变形和形成过程实际上经历 了弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四 个阶段。
崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，
切削层金属发生弹性变形以后，一般不经 过 塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑 片，即为崩碎切屑。 当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑， 产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主 切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损， 并容易产生振动，影响表面质量。
在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。
4）抑制或消除积屑瘤的措施
金属切削知识
减小；
切削速度继续在20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力
增加；
在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切
削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。
在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也
很小，所以切削速度υc 对切削力F c无明显的影响。
剪切角φ ↑ →剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓。
第一变形区的变形主要是剪切滑移，用相对滑移来衡量变形程度。
s y
cos
tan
0
450
0
2
2
２．第一变形区金属的剪切滑移
切屑变形程度可用变形系数（切屑厚度压缩比）来度量。
变形系数 h —
h
hch hD
lc lch
OA — 始剪切面，OM —终剪切面
图2. 2 第一变形区金属的滑移
切屑形成的过程，就其本质来说，被切削的金属层在刀具切削刃和前刀面作用下，因受 挤压而产生剪切滑移变形的过程。
在OA到OM之间的区域即为第一变形区，在一般速度范围内，其 宽度仅为0.02mm—0.2mm，故可用一个面表示，称为剪切面。 剪切角 Φ —剪切面和切削速度方向之间的夹角。
图2.4变形系数的计算
切削速度继续在20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力
增加；
在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切
削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。
在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也
很小，所以切削速度υc 对切削力F c无明显的影响。
剪切角φ ↑ →剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓。
第一变形区的变形主要是剪切滑移，用相对滑移来衡量变形程度。
s y
cos
tan
0
450
0
2
2
２．第一变形区金属的剪切滑移
切屑变形程度可用变形系数（切屑厚度压缩比）来度量。
变形系数 h —
h
hch hD
lc lch
OA — 始剪切面，OM —终剪切面
图2. 2 第一变形区金属的滑移
切屑形成的过程，就其本质来说，被切削的金属层在刀具切削刃和前刀面作用下，因受 挤压而产生剪切滑移变形的过程。
在OA到OM之间的区域即为第一变形区，在一般速度范围内，其 宽度仅为0.02mm—0.2mm，故可用一个面表示，称为剪切面。 剪切角 Φ —剪切面和切削速度方向之间的夹角。
图2.4变形系数的计算
第二章 金属切削的基本知识
主运动
第一节 刀具的角度及切削要素
四、 切削要素 ——切削用量和切削层要素。 (一) 切削用量三要素 切削用量是指切削速度vc、进给量f（或进给速度vf） 和背吃刀量ap。 其数值的大小反映了切削运动的快慢和刀具切入工件的 深浅，是用于调整机床的工艺参数(也称为工艺切削要素)。 1．切削速度vc (m/s或m/min) 刀具切削刃上的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的 瞬时速度。 d n
第一节 刀具的角度及切削要素
3．背吃刀量ap(mm)
dw dm ap 2
式中: dw—工件上待加工表面 直径(mm) dm—工件上已加工表面 直径(mm)
第一节 刀具的角度及切削要素
第一节 刀具的角度及切削要素
(二) 切削层公称横截面要素 (1)切削层公称厚度 hD 切削刃两瞬时位置过渡表面间的距离。
0
γ
0
′
α0′
A
κ
κ
r
r
′
f
A向
ε
r
λ λs s
车刀的主要角度 Pr
第一节 刀具的角度及切削要素
λs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖 强度，λs常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面 ，λs常取正值或零。
a）
b） 刃倾角对排wenku.baidu.com方向的影响
c）
刀具切削过程PPT课件
b)挤裂切屑(节状切屑):切屑背面呈锯齿形,底面有时有裂纹。加工 较 硬 的 塑 性材料(中碳钢),切削厚度较大,切削速度较低,刀具前角较小。 切屑变形:弹性变形→塑性变形→挤裂→切离
c)崩碎切屑:切屑呈碎块状。加工脆性金属材料(如铸铁、青铜),金 属未经过塑性变形就被挤裂或断裂,材料越脆,刀具前角较小,切削厚 度较大。切屑变形:弹性变形→挤裂→切离
2.切削变形区
(1)第Ⅰ变形区(AOM区域):又称基本变形区,切削层金属产生剪切滑移 和大量塑性变形区域,机床提供的大部分能量主要消耗在该区域。是 切削力、切削热的主要来源。 (2)第Ⅱ变形区(OE区域):切屑和前刀面的摩擦变形区。影响刀具前 刀面的磨损和积屑瘤的形成。 (3)第Ⅲ变形区(OF区域):工件已加工表面与刀具后刀面的摩擦区域, 影响刀具后刀面的磨损和工件的加工硬化和残余应力。
成为已加工表面的表层金 属产生一定的塑性变形; 刀具的刃口不可能磨的绝 对尖锐,导致切削层与工 件母体的分离点O不在刃 口圆弧的最低点,而有一 层厚度为∆H的金属留下 来,经过O点以下的刃口弧面挤压变形后成为已工件表面,由∆H 减薄
到∆ h;后刀面的磨损及被挤压金属产生的弹性恢复增加了后刀面与
已加工表面的接触长度,加剧了对已加工表面挤压和摩擦,使已加工 表面产生剧烈的塑性变形而产生加工硬化。
②精加工:应避免积屑瘤,以保证加工质量,常采用高速(Vc> 100m/min)或低速(Vc<5/min )
c)崩碎切屑:切屑呈碎块状。加工脆性金属材料(如铸铁、青铜),金 属未经过塑性变形就被挤裂或断裂,材料越脆,刀具前角较小,切削厚 度较大。切屑变形:弹性变形→挤裂→切离
2.切削变形区
(1)第Ⅰ变形区(AOM区域):又称基本变形区,切削层金属产生剪切滑移 和大量塑性变形区域,机床提供的大部分能量主要消耗在该区域。是 切削力、切削热的主要来源。 (2)第Ⅱ变形区(OE区域):切屑和前刀面的摩擦变形区。影响刀具前 刀面的磨损和积屑瘤的形成。 (3)第Ⅲ变形区(OF区域):工件已加工表面与刀具后刀面的摩擦区域, 影响刀具后刀面的磨损和工件的加工硬化和残余应力。
成为已加工表面的表层金 属产生一定的塑性变形; 刀具的刃口不可能磨的绝 对尖锐,导致切削层与工 件母体的分离点O不在刃 口圆弧的最低点,而有一 层厚度为∆H的金属留下 来,经过O点以下的刃口弧面挤压变形后成为已工件表面,由∆H 减薄
到∆ h;后刀面的磨损及被挤压金属产生的弹性恢复增加了后刀面与
已加工表面的接触长度,加剧了对已加工表面挤压和摩擦,使已加工 表面产生剧烈的塑性变形而产生加工硬化。
②精加工:应避免积屑瘤,以保证加工质量,常采用高速(Vc> 100m/min)或低速(Vc<5/min )
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第二章
金属切削基本理论及应用
第一节
金属切削过程及切屑类型
金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过
程，在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切
削的矛盾，产生许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀 具磨损和加工硬化等。
金属切削变形过程
切削变形实验设备与录像装置
金属切削变形过程
简图
形态 变形 形成 条件
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
粒状
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
局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
积屑瘤
刀具
积屑瘤
积屑瘤
积屑瘤成因
◆ 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘结 ◆ 粘结金属严重塑性变形，产生加工硬化 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，
ε主要反映第Ⅰ变形区 的变形，Λh 还包含了第 Ⅱ变形区的影响。
M
φ
O
相对滑移系数
第一节
剪切角
金属切削过程及切屑类型
剪切角φ ↑ →剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓。
φ角与剪切面面积的关系
结论：剪切角与前角是影响切削变形的两个主要因素。如 果增大前角和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小， 则切削变形减小。
切屑类型
带状切屑
挤裂切屑
单元切屑 切屑形态照片
崩碎切屑
切屑控制
为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切 屑卷曲和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果 断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）
切屑的卷曲
断屑的Hale Waihona Puke Baidu生
切屑的卷曲
断屑的产生
变形程度表示方法
lfi lfo
切屑与前刀面的摩擦
第一节 积屑瘤
金属切削过程及切屑类型
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢 料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面呈三角 状的硬块,称为积屑瘤。 它的硬度很高，通常是 切屑 工件材料的2—3倍，在 处于比较稳定的状态时， 能够代替刀刃进行切削。
前刀面的摩擦变形
特点
在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，切屑 与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。
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 粘结区。切屑的粘结层与上层 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。
第一节
金属切削过程及切屑类型
• 2、挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿 形。 形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于 它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移 量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、 刀具前角较小时产生。
第一节
金属切削过程及切屑类型
• 3、单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下,
Ⅱ
Ⅰ
Ⅲ
第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 切削部位三个变形区 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。 第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。
第一节
金属切削过程及切屑类型
二、第一变形区内的金属剪切变形
实验表明，切屑的形成过程是切削层金属受
到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，
当剪切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑
性变形。同时金属晶格产生滑移，最终形成切
屑。切屑的变形和形成过程如下图所示。
第一节
金属切削过程及切屑类型
第一节
金属切削过程及切屑类型
在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02— 0.2mm，所以，可以用一剪切面来表示。剪切面和切削速度 方向间的夹角称为剪切角，以Φ 表示。
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。
第一节
金属切削过程及切屑类型
积屑瘤高度与切削速度关系示意图
积屑瘤
积屑瘤形成过程
滞留—粘结—长大
积屑瘤影响
◆实际前角增大 ◆ 大切削厚度， 可能引起振动 ◆ 使加工表面粗 糙度增大 ◆ 对刀具寿命有 影响
第一节
金属切削过程及切屑类型
切屑 M 终滑移线
A
Φ剪切角 始滑移线：τ=τs O
刀具
切屑根部金相照片
第一节
金属切削过程及切屑类型
一.切削形成过程及变形区的划分 下图是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金 属切削滑移线和流线示意图。
第一节 金属切削过程切屑类型
三个变形区分析
第Ⅰ变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。
通过分析积屑瘤产生原因可以得出防止积屑瘤的主要方法：
1)降低切削速度，使温度较低，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，减小摩擦； 4)增大刀具前角，以减小切屑于前刀面接触区的压力； 5)适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
已加工表面的变形 变形原因
切削刃存在刃口圆弧， 导致挤压和摩擦，产生 第Ⅲ变形区。
hD
τ
ΔhD A C E F Δh
变形情况
A点以上部分沿前刀面 流出，形成切屑；A点 以下部分受挤压和摩擦 留在加工表面上，并有 弹性恢复。
σn
τ
已加工表面变形
应力分布
A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。
当进一步降低切削速度，增大 进给量，减小前角时则出现 单元(粒状)切屑。
• 4、崩碎切屑 切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规
则细粒状的切屑。产生这种切 屑会使切削过程不平稳，易损 坏刀具，使已加工表面粗糙。 工件材料越是脆硬、进给量越 大则越容易产生这种切屑。
切屑的种类
切屑类型及形成条件
名称 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小
切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低
影响
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
切屑的种类
此公式表明，剪切角φ 与前角γ 0是影响切削变形的两个主要 因素。当前角一定时，随剪切角的增大而减小。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。
相对滑移系数
相对滑移系数
滑移距离Δs与单元厚度Δy之比。
cos 0 S y sin cos( 0 )
γ0
当γ0 = 0～30°，Λh ≥1.5时， Λh与ε相近
变形系数
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层的变形程度。 ◆ 厚度变形系数
h
hch hD
◆ 长度变形系数
LD L Lch
Lch LD
切屑与切削层尺寸
第一节
金属切削过程及切屑类型
根据体积不变原理，则
lc hch OM sin(90 0 ) cos( 0 ) h lch hD OM sin sin
Φ
第一节
金属切削过程及切屑类型
三、切屑的类型 1、带状切屑 最常见的屑型之一 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条件： 一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削 速度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。 优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较 小。 缺点：紊乱状切屑缠绕在刀具 或工件上影响加工过程。
金属切削基本理论及应用
第一节
金属切削过程及切屑类型
金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过
程，在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切
削的矛盾，产生许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀 具磨损和加工硬化等。
金属切削变形过程
切削变形实验设备与录像装置
金属切削变形过程
简图
形态 变形 形成 条件
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
粒状
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
局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
积屑瘤
刀具
积屑瘤
积屑瘤
积屑瘤成因
◆ 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘结 ◆ 粘结金属严重塑性变形，产生加工硬化 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，
ε主要反映第Ⅰ变形区 的变形，Λh 还包含了第 Ⅱ变形区的影响。
M
φ
O
相对滑移系数
第一节
剪切角
金属切削过程及切屑类型
剪切角φ ↑ →剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓。
φ角与剪切面面积的关系
结论：剪切角与前角是影响切削变形的两个主要因素。如 果增大前角和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小， 则切削变形减小。
切屑类型
带状切屑
挤裂切屑
单元切屑 切屑形态照片
崩碎切屑
切屑控制
为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切 屑卷曲和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果 断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）
切屑的卷曲
断屑的Hale Waihona Puke Baidu生
切屑的卷曲
断屑的产生
变形程度表示方法
lfi lfo
切屑与前刀面的摩擦
第一节 积屑瘤
金属切削过程及切屑类型
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢 料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面呈三角 状的硬块,称为积屑瘤。 它的硬度很高，通常是 切屑 工件材料的2—3倍，在 处于比较稳定的状态时， 能够代替刀刃进行切削。
前刀面的摩擦变形
特点
在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，切屑 与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。
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 粘结区。切屑的粘结层与上层 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。
第一节
金属切削过程及切屑类型
• 2、挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿 形。 形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于 它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移 量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、 刀具前角较小时产生。
第一节
金属切削过程及切屑类型
• 3、单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下,
Ⅱ
Ⅰ
Ⅲ
第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 切削部位三个变形区 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。 第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。
第一节
金属切削过程及切屑类型
二、第一变形区内的金属剪切变形
实验表明，切屑的形成过程是切削层金属受
到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，
当剪切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑
性变形。同时金属晶格产生滑移，最终形成切
屑。切屑的变形和形成过程如下图所示。
第一节
金属切削过程及切屑类型
第一节
金属切削过程及切屑类型
在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02— 0.2mm，所以，可以用一剪切面来表示。剪切面和切削速度 方向间的夹角称为剪切角，以Φ 表示。
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。
第一节
金属切削过程及切屑类型
积屑瘤高度与切削速度关系示意图
积屑瘤
积屑瘤形成过程
滞留—粘结—长大
积屑瘤影响
◆实际前角增大 ◆ 大切削厚度， 可能引起振动 ◆ 使加工表面粗 糙度增大 ◆ 对刀具寿命有 影响
第一节
金属切削过程及切屑类型
切屑 M 终滑移线
A
Φ剪切角 始滑移线：τ=τs O
刀具
切屑根部金相照片
第一节
金属切削过程及切屑类型
一.切削形成过程及变形区的划分 下图是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金 属切削滑移线和流线示意图。
第一节 金属切削过程切屑类型
三个变形区分析
第Ⅰ变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。
通过分析积屑瘤产生原因可以得出防止积屑瘤的主要方法：
1)降低切削速度，使温度较低，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，减小摩擦； 4)增大刀具前角，以减小切屑于前刀面接触区的压力； 5)适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
已加工表面的变形 变形原因
切削刃存在刃口圆弧， 导致挤压和摩擦，产生 第Ⅲ变形区。
hD
τ
ΔhD A C E F Δh
变形情况
A点以上部分沿前刀面 流出，形成切屑；A点 以下部分受挤压和摩擦 留在加工表面上，并有 弹性恢复。
σn
τ
已加工表面变形
应力分布
A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。
当进一步降低切削速度，增大 进给量，减小前角时则出现 单元(粒状)切屑。
• 4、崩碎切屑 切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规
则细粒状的切屑。产生这种切 屑会使切削过程不平稳，易损 坏刀具，使已加工表面粗糙。 工件材料越是脆硬、进给量越 大则越容易产生这种切屑。
切屑的种类
切屑类型及形成条件
名称 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小
切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低
影响
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
切屑的种类
此公式表明，剪切角φ 与前角γ 0是影响切削变形的两个主要 因素。当前角一定时，随剪切角的增大而减小。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。
相对滑移系数
相对滑移系数
滑移距离Δs与单元厚度Δy之比。
cos 0 S y sin cos( 0 )
γ0
当γ0 = 0～30°，Λh ≥1.5时， Λh与ε相近
变形系数
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层的变形程度。 ◆ 厚度变形系数
h
hch hD
◆ 长度变形系数
LD L Lch
Lch LD
切屑与切削层尺寸
第一节
金属切削过程及切屑类型
根据体积不变原理，则
lc hch OM sin(90 0 ) cos( 0 ) h lch hD OM sin sin
Φ
第一节
金属切削过程及切屑类型
三、切屑的类型 1、带状切屑 最常见的屑型之一 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条件： 一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削 速度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。 优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较 小。 缺点：紊乱状切屑缠绕在刀具 或工件上影响加工过程。