金属切削过程的基本规律及其应用
机械制造技术基础2
图 2.31 刀具磨损过程曲线
▼在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和 硬质合金刀具磨钝标准为： 在后刀面B区内均匀磨损VB=0.3mm； 在后刀面B区内非均匀磨损VBmax=0.6mm ； 月牙洼深度标准 KT=0.06+0.3f (f---进给量mm/r)
(表2.8为车刀的磨钝标准，供选用时参考 )
vc >f >ap ( 与Fr相反)。
⑵刀具几何参 数影响 γo kr ①前角γo γo ↗ ，切 削变形和摩 擦↘ ，因此 产生的热量 少，切削温 度↘ 。 但 γo ↗ 至 15o 左 右 ， 由 于楔角减少 使刀具散热 变差，切削 温度略有↗ 。
②主偏角kr 主偏角kr ↘ ，使切削宽 度bD ↗ ，切削 厚度hD ↘,因此， 切削变形和摩 擦↗ ，切削温 度↗ 。 但当切削 宽度bD ↗后， 散热条件改善。 由于散热起主 要作用，故随 着主偏角kr ↘ ， 切削温度↘ 。
2.1.2.2切削力测定和切削力实验公式(自阅) 2.1.2.3单位切削力、切削功率和单位切削功率
(自阅)
2.1.2.4切削力的变化规律 *
2.1.2.1切削力来源、合力及其分力*
• 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为 切削力。 • 切削力来源于两个方面：
①变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力； ②切屑、工件与刀具间的摩擦力。
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
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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。
机械制造技术基础 第2章(修改)
vc
⑵第二变形区内金属的挤压磨擦变形
切削在受前刀面挤压磨擦过程中进一步发生变形。
⑶第三变形区内
的金属的挤压磨
擦变形
已加工表面受
后刀面挤压磨擦 造成纤维化与加 工硬化。
2. 切屑的类型
由于材料不同(塑性或脆性材料)，切削条件不同，
切削过程中的变形情况也不同。
切屑的类型主要可分为四种类型：
(a)带状切屑
② 图2.14(b)为直角非自由切削时，受力情况。
为了便于分析、测量和计算切削力的大小，通常将合 力Fr分解成三个相互垂直的分力，即：
主切削力Fz：主运动切削速度方向的分力；
切深抗力Fy：切深方向的分力(径向力)；
进给抗力Fx：进给方向的分力(轴向力) 。
Fy Fxy FZ Fr
FX
合力Fr与三个分力之间的关系为：
变形的程度。
图2.4中，平行四边形
BAA′B′发生剪切变形后，
变为平行四边形BAA″B″， 其相对滑移为：
B′
ε=Δs/Δy
=ctgυ+tg(υ－γo)
(2) 变形系数Λh
切屑厚度hch与切削层厚
度hD之比称为厚度变形系 数Λha；
而切削层长度lc与切屑长
hch
度lch之比称为长度变形系 数Λhl。
Λh= lc / lch = hch / hD ＞1
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。
第一章 金属切削过程中的基本规律讲解
正常磨损分为三种形式： （1）前刀面磨损 （3）前、后刀面同时磨损
（2）后刀面磨损
前刀面磨损形成月牙洼磨损，其磨损值以其最大深度KT表示。 后刀面磨损值常以平均磨损带宽度VB值表示。 总体而言，一般以VB值表示刀面磨损程度。
刀具磨损和刀具寿命
非正常磨损——主要指刀具的脆性破损（如崩刃、 碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损（如塑性流 动）。
切削变形——切屑形成过程
当切屑沿前刀面流出时，受到前刀面的挤压与摩 擦，使得靠近前刀面的切屑底层金属再次产生剪切变 形，晶粒再度伸长，沿着前刀面的方向纤维化，其变 形程度比切屑上层严重几倍到几十倍。
切屑形成过程的本质——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。
（4）切削厚度 切削厚度增加，切削变形减小。
切削力与切削功率
件材切料削发力生Fr变—形—成切为削切时屑，所刀需具要切的入力工。件，使被加工工 切削力是设计和使用机床、刀具、夹具的依据。 切削力来自切削变形与摩擦。
切削力与切削功率
切削力克服的作用力包括：被加工材料对弹性变形、 塑性变形的抗力；切屑对刀具前刀面的摩擦力；刀具 后刀面对过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。
积的结果。 （2）积屑瘤对切削过程的影响 ①保护刀具 积屑瘤代替切削刃和前刀面进行切削。
②增大前角 积屑瘤具有30°左右的前角。
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。
金属切削过程基本规律
金属切削变形过程的研究，它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，提高生产率， 都有着十分重要的意义。很明显，因为金属切削加工中各 种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及已加工表 面质量等，都是以切屑形成过程为基础的，而生产实践中 出现的许多问题，如鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑与断屑等 ，都同切削变形过程有关。因此，开展金属切削变形过程 的研究，正是抓住了问题的根本，深入到本质，重视了基 础。
在现代技术装备中，难加工材料的应用愈来愈多，对零件的质量要求亦 不断提高，同时，切削加工自动化以及电子计算机在机械制造中的应用日益 广泛，这些都要求我们更加深入地掌握金属切削变形过程的规律，以创造出 更加先进的切削方法和高质量的刀具，适应生产发展的需要。
金属切削变形过程的研究，历来在国外都十分重视，花了许多人力物力 ，也取得了巨大的经济效益。从六十年代末就开始利用透射电镜观察切屑形 态，到七十年代开始利用扫描电镜对切屑形成进行直接的动态观察，再加上 高速摄影机和其他先进的测试技术及相关学科基础理论的发展和应用，加快 了金属切削变形过程研究工作的发展。
图3-3 流线图和剪切角与变形区厚度求法 a ） 流线图 b）剪切角与变形区厚度求法
5．扫描电镜显微观察法
扫描电子显微镜是一种电子光学显微镜，其 放大倍率可以调节到20万倍，分辨率可以高达 5nm，能观察极微小的表面和裂纹，常用以观察 分析试件表面形貌，还可以分析试件表面的化学 成分。它可用于观察切屑的断口型式，属于剪切 破坏或拉伸破裂，刀具的磨损机理以及切屑的变 形过程。
金属切削过程的基本规律及其应用
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦， 造成纤维化与加工硬化。
2.1.1.2 切屑的类型
由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也 不同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类：
（1）带状切 屑：外形呈带 状。
(3)单元切屑切 屑沿厚度断裂 成均匀的颗粒 状。
2.1 金属切削过程的基本规律
2.1.1 切削变形 2.1.2 切削力 2.1.3 切削热与切削温度 2.1.4 刀具磨损与刀具耐用度
2.1.1 切削变形
金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：
(a)压缩 图2.1 金属的压缩与切削（b）切削
塑性金属受压缩时，随着外力 的增加，金属先后产生弹性变 形、塑性变形，并使金属晶格 产生滑移，而后断裂
2.1.1.4 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤
(1)作用力分析 如图2.6所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的正压力Fn与摩擦力Ff组成的合力 Fr与剪切面上反作用力共线，并处于平衡。将合力F’r分解成二组分力：在运动方向的水 平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、 法向力Fns。分力Fz、Fy可利用测力仪测得。由于剪切力Fs的作用，使切削层在剪切面上
图2.1 金属的压缩与切削
第Ⅲ变形区 近切削刃处 已加工表层内产生的变形区。
考研复试机械制造基础重点
第一章金属切削过程的基础知识
主要内容与要求：讲授金属切削过程的基本定义和刀具材料的性能及选用。要求学生理解刀具切削部分、切削运动的基本定义，特别是主剖面参考系中的3 个参考平面和6 个主要角度的基本定义；了解常用刀具材料的要求、类型和特点，特别是要掌握YT 和YG 类硬质合金的用途与选择；掌握外圆车刀、端面车刀和切断刀的角度标注方法。
难点：刀具几何角度的三维空间定义与理解。
解决办法：
（1 ）多媒体课件中设计了刀具角度的三维动画演示；
（2 ）课堂上实物展示各种刀具，让学生区分刀具前、后刀面及估计几何角度；
（3）设计了实践性教学环节：要求学生动手测量刀具的几何角度；
第二章金属切削过程的基本规律及其应用
主要内容与要求：主要讲授金属切削过程中的切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损及寿命等四大规律，以及四大规律在生产中的应用。要求学生理解金属切削过程的四大规律。包括工件材料强度和硬度、刀具前角、切削用量等因素对切削变形、切削力、切削温度和刀具寿命的影响；了解四大规律在生产中四个方面（工件材料切削加工性、切削页、切削用量和刀具几何参数）的应用，具备合理选择切削刀具几何参数、切削用量和切削液的初步能力。
难点：切削变形、切削力与切削温度与工艺参数的关系与变化规律
解决办法：
（1 ）课件中穿插了精心设计与制作的切削加工现场录像，客观反映切削过程的全貌，同时局部放大了金属被挤压、变形至产生切屑的过程；
（2 ）课件中应用了大量图表，精心制作了三维动画以反映切削本质；
（3 ）安排了切削变形、切削力与切削温度测量的综合性实验；
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第二章金属切削过程的基本规律及其应用
本章主要介绍以下容：
1、金属切削过程基本规律
2、金属切削过程基本规律的应用
课时分配：1，三个学时，2，三个学时
重点：金属切削过程的基本概念
难点：金属切削过程基本规律的应用
金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。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，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进行研究，揭示其在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。总之，金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。因此，必须进行深入的研究。
2.1 金属切削层的变形
一、切屑形成过程及变形区的划分(见P19)
1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，
开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。
2、变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是
切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。
3、切屑的形成及变形特点(见P20)
1）第一变形区（近切削刃处切削层产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形
切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。
在下图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度围，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第—变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB 滑移面来表示第—变形区，AB面亦称为剪切面。
剪切面AB与切削速度Vc之间的夹角 称为剪切角。作用力Fr与切削速度Vc之间的夹角ω称为作用角。
第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。
2）第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）金属的挤压磨擦变形
经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。
应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。
3）第三变形区（近切削刃处已加工表面产生的变形区）金属的挤压磨擦变形
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。
二、切削变形程度的度量方法
1、相对滑移ε
相对滑移ε是用来量度第1变形区滑移变形的程度。如右图，设切削层中A'B'线沿剪切面滑移至A"B"时的距离为△y，事实上△y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为△s。则相对滑移ε表示为：
1、变形系数∧h
变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。
变形系数∧h表示切屑收缩的程度，即
从上图可知，剪切角ϕ变化对切屑收缩的影响，ϕ增大剪切面AB减短，切屑厚度hch 减小，故∧h变小。它们之间的关系如下：
从上面两个公式可知，剪切角ϕ与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角ϕ，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。
注意：由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有
挤压、摩擦等作用，而ε值主要从剪切变形考虑；而∧h主要从塑性压缩方面分析。所以，ε与∧h都只能近似地表示切削变形程度。
三、剪切角的确定
剪切角ϕ是影响切削变形的一个重要因素。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。
其中，按最少能量原则来确定剪切
角的计算式为：
按最大剪应力的理论，求出剪切角
计算式为：
从上面公式可看出：ϕ与γ0、β有关。增大前角γ0、减小摩擦角β，使剪切角ϕ增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。
从上面公式也可看出：第2变形区产生的摩擦对第1变形区剪切变形的影响规律。
四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响(见P24)
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有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。
1、积屑瘤是如何形成的?
1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。
2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。
切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“摩擦”。
3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。
4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。
2、形成积屑瘤的条件：
主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。
1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；
2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。
3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
3、积屑瘤对切削过程的影响
1）实际前角增大
它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，
实际前角愈大。
2）使加工表面粗糙度增大
积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而
排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。
3）对刀具寿命的影响
积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命