4技能训练应知篇之金属切削过程及其基本规律

（3）影响积屑瘤形成的因素 1）工件材料塑性大，加工时产生积屑瘤的可能 性大，加工脆性材料时，一般不产生积屑瘤； 2）切削速度过高或过低都不会产生积屑瘤，中 等速度范围内最易产生，如图4-9所示；切削速 度是通过切削热变化来体现 出对积屑瘤形成的影响的； 3）刀具前角大，能减小切 屑变形和切削力，降低切削 温度，能抑制积屑瘤产生或 减小积屑瘤的高度； 4）切削液可减少切削热和 图4-9 切削速度对 改善摩擦，抑制积屑瘤产生。 积屑瘤的影响
四、切削变形程度的衡量
衡量切削变形常用切削变形系数Λh、剪切应变ε 和剪切角 作为衡量切削变形程度的指标。 1．切应变ε（也称剪应变或相对滑移） 它是反映切削变形中金属滑 移本质的系数，切削层中m'n' 线滑移至m"n" 位置时的瞬时 位移为Δy，实际上Δy的值 很小，滑移量为Δs。滑移量 Δs越大，说明变形越严重。 由右图所示几何关系可得出 以下相对滑移关系表达式：
在整个刀-屑接触区内的正应力 分布情况是， 在刀刃处最大，离切削刃越远，前刀面上的 正应力越小，并逐渐减小到零。在前刀面刀 -屑接触区内，各点的正应力和切应力是不 相等的，所以，前刀面上各点的摩擦状态是 不同的，刀-屑摩擦系数也是变化的。且内 摩擦系数远远大于外摩擦系数的值。 一般切削条件下，来自粘结区的摩擦力约占 切削过程中总摩擦力的85%，可见，内摩擦 在刀-屑接触摩擦中起了主要作用，所以， 研究前刀面摩擦时应以内摩擦为主，这也是 切削摩擦不服从古典滑动摩擦法则的原因。
（2）第二变形区（也写成第II变形区） 是指刀-屑接触区域II。切屑沿前刀面流出 时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，切屑 卷曲，使朝向前刀面的切屑底层金属呈纤 维化，流线方向基本上和前刀面平行。 （3）第三变形区（也写成第III变形区） 指刀-工接触区域III。已加工表面受到切削 刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生 径向和切向弹性与塑性变形，造成工件已 加工表层晶粒纤维化与加工硬化。 三个变形区里的切削变形互相牵连，切削变 形是整体行为，是在极短时间内完成的。
2．积屑瘤 在切削速度不高、又能形成带状切屑的情况下 加工塑性较大的金属材料时，常常有一些从切 屑和工件上下来的金属冷焊并层积在前刀面上， 形成包覆着切削刃的硬度很高的楔块，能代替 刀面和切削刃进行切削， 这一小硬块称为积屑瘤。 它是由于剧烈的摩擦和 积屑瘤 变形造成冷焊而层积形 成于第二变形区内，它 的硬度约为工件材料硬 度的2~3.5倍。
图4-4 剪切变形示意
由上图所示几何关系可将相对滑移ε表示为： ε=Δs/Δy =(n'p + pn")/MP =cot + tan( -γo) 经整理得：
cos o sin cos o
由上式可知，当前角γo和剪切角增大时，剪 应变ε相应地减小，即切削变形减小。公式给 出了一个有益的提示，即通过对刀具前角γo的 改变是可以对切削过程中的工件材料变形实行 主动控制的。剪切角的大小是由材料属性和 切削条件所决定的，可见，工件材料已定的情 况下，改变切削条件（用量）也能控制变形。
1．刀-屑接触面上的摩擦特性及摩擦系数 当切屑流经前刀面时，强烈的挤压作用和剧烈 的变形，会产生高温和高压，使切屑底面与前 刀面形成粘结和发生剧 烈的刀-屑摩擦，这种摩 擦与一般固体金属接触 面间的摩擦形式不同。 它影响切削变形、切削 力、切削热和刀具磨损 等现象；从而影响工件 图4-7 刀-屑接触面上 已加工表面的质量。 的摩擦特性
（1）第一变形区（也写成第I变形区）
由OA线和OM线围成的区域I被称为第一变形 区，也称剪切滑移区，是切削过程中产生塑 性变形、形成切屑的主要区域。OA表示始滑 移线，OM表示终滑移线。在一般切削速度下， 第一变形区宽度 仅为0.020.2mm。 可用一个平面OM （剪切面）表示第一 变形区。剪切面OM 与切削速度方向的夹 图4-1 金属切削过程中的 角称为剪切角。 滑移线和流线示意图
三、切屑的形态
由于工件材料性质和切削条件的不同，切削变 形程度也不同，产生的切屑也是多种多样。归 纳起来，切屑形态主要分为以下四种类型：
a) 带状切屑
b) 挤裂切屑
c) 单元切屑
d) 崩碎切屑
图4-3
四种常见的切屑形态
1．带状切屑 切屑成较长的带状，这是一种 切削塑性钢材时最常见的切屑。它的切削速 度较高，切削厚度较薄，刀具前角较大，切 削过程较平稳，切削力波动较小，所获得的 已加工表面粗糙度较小。朝向前刀面的切屑 底层表面光滑，而外表面呈细小毛葺状。 2．挤裂切屑（又称节状切屑） 切屑底面有 裂纹，外表面呈锯齿形。它出现在以较低速 度和较大厚度加工塑性金属材料时，它出现 的切削过程剪切应变较大，切削力波动大， 易发生颤振，已加工表面粗糙度较大。
图4-5
切削变形系数Λh 的计算参数
由上图所示的几何关系还可推算出剪切角与变 形系数Λh之间的关系，有
hch OM cos( o ) cos( o ) h hD OM sin sin
经变换后，有
cos o tan h sin o
2 2 h sin o 1 h h cos o
也可推算Λh与ε的关系，有
切削变形系数Λh>1，直观地反映了切削变形 的程度，且容易测量。Λh值越大，表示切削变 形程度越大。刀具前角增大，剪切角增大，则 切削变形系数Λh减小，切削变形也随之减小。
3．剪切角 剪切角与切削变形有着十分密切的关系。剪 切角值越大，反映出的切削变形程度越小。 金属产生滑移变形时，最大剪应力出现在剪切 面上。根据外力主应力 方向与最大剪应力方向 夹角为45°的原理，有
2．切削变形系数Λh 切削变形系数Λh用以表示切屑外形尺寸变化的 程度，可用切屑厚度变形系数Λha或长度变形系 数Λhl来表示。式中符号参见下图4-5所示。
Λha hch 1 hD
Lc Λhl 1 Lch
h ha hl 1
通常，切削加工中，切 屑厚度都要大于切削层 的厚度，切屑长度总是 小于切削层长度。据此 事实可以切削变形系数 Λh来衡量切削变形程度。
（1）刀-屑接触区内的摩擦特点 在切削塑性金属材料时，在切屑流经前刀面滑出 的过程中，在刀-屑接触面间的部分区域内， 切屑底部严重塑性变形并粘结在前刀面上，使 得刀-屑接触面间的摩擦不再是外摩擦，而是 粘结层与金属层间的内摩擦。切削时，前刀面 上的刀-屑接触区实际上存在着两个区域，即 滑动区和粘结区，见图4-7，摩擦特性图示。 在粘结区内的摩擦为内摩擦，该处所受的剪应力 τ等于材料的剪切屈服强度τs，即τ=τs； 在滑动区内的摩擦性质为外摩擦，该处所受的剪 应力τ由τs逐渐减小到零。
（2）积屑瘤对切削过程的影响 它对切削过程既有积极影响，也有消极作用。 1）保护刀具 积屑瘤包围着切削刃，并覆盖一 部分前刀面，能够减少刀具磨损； 2）增大前角 积屑瘤通常具有约30°左右的前 角，因而减少了切削变形，降低了切削力； 3）增大切削厚度 积屑瘤包覆并伸出切削刃， 使切削厚度增加，这时的切削厚度随着积屑瘤 的不规则变化而变化，影响加工尺寸精度； 4）增大表面粗糙度 也是由于积屑瘤的生成与 脱落等不规则变化引起加工表面粗糙不平。 显然，积屑瘤对精加工不利，对粗加工有利。
3．单元切屑（又称粒状切屑）采用极低的切削 速度和大的切削厚度，以及小前角或负前角切 削塑性材料时，切削变形极大，可能在整个剪 切平面上的剪应力超过材料断裂强度，挤裂切 屑便被切离成单元状。其切削过程更不稳定， 工件表面质量更差。此种切屑很少见。 以上三种切屑是在加工塑性材料时得到的，同样 的工件材料，只是切削条件不同，切屑形态就 随着切削条件改变而发生了转化。 4．崩碎切屑 属于加工抗拉强度较低的铸铁等 脆性材料时出现的切屑，工件材料越脆，切削 厚度越大，越容易出现这种切屑。崩碎切屑由 于挤裂或脆断呈不规则状，加工表面不平。
当切屑沿前刀面流出时，受到前刀面的挤压 与摩擦，使纤维化。它的变形程度比切屑上层 严重几倍到几十倍。 总之，切屑形成过 程，就其本质来说， 是被切削层金属在 刀具切削刃和前刀 面作用下，经受挤 压而产生剪切滑移 变形的过程。 图4-2 切屑的形成过程
（2）前刀面上的平均摩擦系数
令μ 代表前刀面上的平均摩擦系数，则按内摩 擦的规律可得

Ff Fn Af s A f av
s av
由于τ s和σ av都是变量，因此，平均摩擦系数 μ 也是一个变量，切削钢材时μ 的变化范围 在0.2~1.2之间，这也说明了前刀面上内摩擦 的摩擦系数μ 变化规律不同于古典法则对一 般固体接触表面间外摩擦情况的定义描述。 平均摩擦系数在滑动区和粘结区内各自的本质 是不同的。各点的数值也只能由实验确定。

2

o
2
上式即麦钱特 (M. E. Merchant)公式。 以上公式定性准确，但定量上与事实有出入。 剪切角 的讨论： （1）当γo增大时， 随之增大，变形减小。切 削刃强度许可时，增大γo有利于切削。 （2）当β增大时， 随之减小，变形增大。切 削时应尽量减小刀-屑摩擦系数。
五、前刀面上的摩擦与积屑瘤

4 o
式中 β－刀-屑摩擦角； γo－刀具前角。 上式即李和谢弗(Lee and Shaffer)公式。
图4-6 直角切削时力与 角度的关系
以上是根据主应力方向与最大剪应力方向夹角 为45°的原理得出的剪切角 计算公式。 下面根据切削力合力最小原理计算剪切角 ：

4
第一节
金属切削的变形过程
一、切削变形
1．变形区的划分 金属切削变形过程也是切屑形成的过程。在金 属切削过程中，被切削金属层经受刀具的挤 压作用，发生弹性变形和塑性变形形成切屑 排出。通常金属切削变形过程可用滑移线和 流线表示，滑移线即等切应力曲线，流线表 示被切削金属的某一点在切削过程中流动的 轨迹。金属切削变形过程分为三个变形区。
图4-8 积屑瘤
（1）积屑瘤的形成过程 对于积屑瘤的成因尚有不同的解释，通常认为 是切屑底层材料在前刀面流过时与之发生粘 结（亦称为冷焊）、不断进行层积的结果。 在切削过程中，在一定的温度和压力下，切屑 底层金属与前刀面发生粘结并形成滞流层， 滞流层金属流动时产生内摩擦，发生很大塑 性变形和加工硬化，这部分金属被阻滞并与 前刀面粘结，逐渐扩大，形成积屑瘤。 积屑瘤的存在是一个动态过程：起初是局部形 成，层层增高，最终到一定高度后脱落；经 历了一个生成、长大、脱落的周期性过程。
技能训练应知篇
项目四、金属切削过程 及其基本规律
金属切削过程是指从工件表面切除多余金 属、形成已加工表面的过程，该过程也是切 屑形成的过程。 伴随着切屑和已加工表面形成，切削过程 中会产生切削变形、积屑瘤、表面硬化、切 削力、切削热和刀具磨损等各种物理现象。 了解与掌握金属切削变形过程，能够促进 切削加工技术发展和进步，是保证加工质量， 降低生产成本，提高生产率的基础。
二、切屑的形成
当刀具和工件开始接触时，被切削层金属受 到刀具的挤压，内部产生应力和弹性变形；随 着切削刃与前刀面对工件材料挤压作用增强， 材料内部应力和变形增大，当剪切应力达到材 料的屈服强度τs时，材料将沿着与切削主应力 方向成45°的剪切面滑移，即产生塑性变形； 剪切应力随着滑移量增加而增加，当剪切应力 超过材料的强度极限时，切削层金属与基体分 离，从而形成切屑沿前刀面流出。第一变形区 变形的主要特征是沿滑移面的剪切变形，以及 随之产生的加工硬化。如下图4-2所示。
2．切削变形过程描述 切削层金属以切削速度向切削刃逼近，进入第 一变形区后开始产生弹、塑性变形，当其剪 切应力达到材料屈服强度时，晶粒被伸长成 纤维状，当材料移动到切削刃处时，刀尖以 上部分沿前刀面流出，成为刀屑；刀尖以下 很小一部分进入第三变形区后沿后刀面流出， 其间经过进一步的弹塑性变形，金属纤维越 拉越长、也越细，最后被拉断，成为已加工 表面层的一部分；工件里层的材料只发生弹 性变形和弹性恢复。可见，已加工表面层受 到挤压、摩擦、变形、切削热等作用。