金属切削

第二节 金属切削过程的基本 规律与控制
分析产生切削变形、切削力、切削热与切削温度、 刀具磨损与耐用度变化等现象的原因及对切削过程 的影响，总结出四大规律。 应用四大规律，解决生产上出现的各种问题。
研究金属切削变形过程的意义和方法
研究金属切削变形过程的意义
金属切削加工过程中，切削力、切削热、刀具磨损以及已加工表
4．切削层公称厚度
hD ↑ Fn ↑
h
D
μ ↓β ↓
φ ↑Λh ↓
在无积屑瘤的切
削速度范围内， 切削层公称厚度 hD越大，变形系 数Λh越小。
（四）积屑瘤及其对切削过程的影响
1．积屑瘤现象及其产生条件
在金属切削过程中，常常有一些从切屑和工件上来 的金属冷焊并层积在前刀面上，在近切削刃处形成一个 非常坚硬的金属堆积物，其硬度是工件材料硬度的2～ 3.5倍，能代替刀刃进行切削，并且以一定频率生长和 脱落。这种堆积物称为积屑瘤。 当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切 削速度不高，又能形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。
的变形密切相关。
（三）影响切削变形的主要因素
从相对滑移ε、变形系数Λh计算式中可知，切屑 变形的程度主要决定于剪切角φ和摩擦系数μ的大小。 改变加工条件，促使φ增大、μ减小，就能减小切屑 变形。
1．工件材料
不同γ0切削不同材料时的变形系数
工存材料的机械性能不同，切削变形也不同。
材料的强度、硬度提高，正压力Fn增大，平均正应力σav 增大； 但同时切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和刀面的 接触面积减小；
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
粘结接触区上各点的摩擦系数

1

M 终滑移线 A
I 剪切滑移区
切屑
Φ剪切角 始滑移线：τ=τs
II 挤压 摩擦区
刀具
O
III 挤压摩擦回弹区
切屑根部金相照片
3、前刀面上的摩擦
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。 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。在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状 态，切屑与前刀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 。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。 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。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。
截取切屑根部标本，在显微镜下观察金属切削变形情况。
高频摄影法
高速摄影法为动态观察切削过程提供了条件。
扫描电镜和透视电镜显微观察法
此方法可以观察到金属晶粒内部的微观滑移情况，能用金 属物理的观点来理解金属切削变形过程及其现象。
光弹性和光塑性实验法
在实验观察金属切削变形过程的基础上，对切削刃前方的 金属进行弹性力学和塑性力学的研究和实验，从而可以分析金
滑动接触区上各点的摩擦系数
μ＝τs/σS=常数
服从古典摩擦法则。 一般切削条件下，紧密性摩擦占总摩擦力的85％，在 切削过程中起主要作用，即前刀面上的摩擦不服从古
典摩擦法则。
（二）变形程度的表示方法
切削变形程度有三种不同的表示方法，分述如下。
1．变形系数ζ
在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都大于工 件切削层厚度hD，而切屑长度lch 却小于切削层长度lc 。切 屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数ζh；而切削层 长度与切屑长度之比称为长度变形系数ζl 。
行。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。
第三变形区
（挤压摩擦回弹区）
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和 摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。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。
刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集 中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离
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。
如图所示，积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔 块，图为积屑瘤替代切削刃参加切削情况。 当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时(图中R0．134mm)， 会产生较大的挤压作用。
此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表
面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避免 或抑制积屑瘤的产生。
s Aa
Fn
由
可知，摩擦系数μ下降，剪切角φ增大，切屑
变形减小。 所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，需达到 一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑 性较高的材料，则变形较大。
2．刀具前角γ0
增大刀具前角γo ，由
cos o sin cos( o )
面质量等以切屑形成过程为基础；
实际生产中出现的鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑及断屑等与切削变 形过程有关； 难加工材料对零件质量的要求不断提高； 切削加工的自动化以及现代制造发展的需要；
研究金属切削变形过程对于切削加工技术的发展和进步、保证加
工质量、降低生产成本、提高生产效率都有十分重要的意义。
研究金属切削变形过程的实验方法
金属切削过程是高速进行的微观变形过程，研究金属切削过
程中金属的变形应能抓住高速和微观两个特点。
侧面方格变形观察法
在抛光的工件侧面上划出精密的小方格，用很低的切削速度进
行直角自由切削，通过放大镜观察小方格的歪扭来认识切削层 金属塑性变形的方法。
快速落刀法
利用“快速落刀装臵”，在某一瞬间使刀具快速离开切削区，
3、剪切角
剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角Φ。 剪切角φ是影响切削变形的一个重要因素。Φ减小，切 屑变厚、变短，变形系数ξ变增大。若能预测剪切角φ 的 值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学
者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角φ 的计算式。
根据合力最小原理确定
令dF/dφ＝0，得到按最少能量（最小切削合力F） 原则来确定剪切角的麦钱特计算式为：
厚度变形系数：
h hch / hD
hch-—切屑厚度 hD —切削层厚度
长度变形系数：
l lc / lch
lc— 切削层长度 lch—切屑长度 切削层变为切 屑后，宽度变化很 小。根据体积不变 原理，有：
cos( 0 ) h l 1 sin
2．相对滑移/剪应变ε
vc＝20m/min时， Λh值最 小
vc在20 ~40m/min范围内提高，积
屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减 小，使φ减小， Λh增大。
vc 超过40m/min继续增高，由于切削
温度逐渐升高，致使摩擦系数μ下降， 故变形系数Λh减小。
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Λh越小。
根据最大剪应力理论确定
在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就 在剪切面上。由直角自由切削状态下的作用力分析 可知，切削合力F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45o，即Fs与F的夹角应为45o， 故可得到李和谢弗公式：
o
4

4
o

分析上式可知：
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。这一结论也说明第Ⅰ变形区的变形与第Ⅱ变形区
知， 剪切角φ
将随之增大，变形系数Λh将随之减小； 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减小。 由于后一方面影响较小,Λh还是随的γo增加而减小。
3．切削速度Vc
（以中碳钢为例）
vc在3~20m/min范围内提高，积屑瘤高 度随着增加，刀具实际前角增大，使 剪切角φ增大，故变形系数Λh减小
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
cot tan( o)
s NP NK KP y MK MK
以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大
致划分为： 第一变形区:近切削刃处切削层内产生的塑性变形区 ; 第二变形区:与前刀面接触的切屑层内产生的变形区 ;
2、各变形区的特点
第一变形区
（剪切滑移区）
切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下， 使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变 形，在这同时金属晶格产生滑移。金属切削过程的