第三章 金属切削过程的基本规律
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第三章金属切削过程的基本规律
4)．崩碎切屑 特点：不规则粒状 条件：脆性材料，拉应力超过 抗拉强度
以上是四种典型的切屑，但加工现场获 得的切屑，其形状是多种多样的。在现代 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。
七、已加工表面变形和加工硬化
刀刃钝圆半径 rn 弹性恢复区CD
变形特征：
挤压、摩擦与回弹 金属进入第一变形区
时，晶粒因压缩而变长， 因剪切滑移而倾斜。 金属层接近刀刃时，晶粒更为伸长，成为包围在刀刃周围的 纤维层，最后在O点断裂。
已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于 已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产生 加工硬化，表面残余应力，称之为加工变质层。 经过严重塑性变形而使表 面层硬度增高的现象称为 加工硬化,亦称冷硬。 硬化程度的指标: •加工硬化程度N •硬化层深度△hD
H1 - H N = × 100 % H
H1是已加工表面显微硬度， H是金属材料基体显微硬度
减轻硬化程度的措施： 1)磨出锋利的切削刃 2)增大前角或后角 3)减小背吃刀量ap 4)合理选用切削液
八、影响切削变形的主要因素 1．加工材料 强度 、硬度 刀-屑面间正压力 、平均正 应力σ av F A υ = 45° - (β - γo ) μ = t anβ = f 1 = f 1 Fn(3-4) Af 1 1 则由：
一般内摩擦力约占总摩擦力的85%
(3-4)
六、积屑瘤 定义：冷焊在前刀面上的金属块。
六、积屑瘤
在速度不高切削塑性金 属形成带状切屑的情况 下，滞流层金属粘接 （冷焊）在前刀面上， 形成硬度很高的硬块 （2~3倍），称为积屑 瘤。
金属切削过程的基本规律
第三章 金属切削过程的基ຫໍສະໝຸດ 规律图3.5 切削合力与分力
第三章 金属切削过程的基本规律
3.2.2 切削功率 切削功率是指在切削过程中消耗的总功率， 切削功率是指在切削过程中消耗的总功率，用P表 表 不消耗机床功率， 示，因背向力FP不消耗机床功率，所以它是主切削力 因背向力 不消耗机床功率 所以它是主切削力Fc 与进给力Ff消耗的功率之和。由于进给力Ff消耗的功率占 与进给力 消耗的功率之和。由于进给力 消耗的功率占 消耗的功率之和 总消耗功率的1%～ ，可忽略不计， 总消耗功率的 ～5%，可忽略不计，故一般只计算切削 功率Pc： 功率 ：
第三章 金属切削过程的基本规律
2．切削力的分解 ． 常将合力F分解为 个互相垂直的分力 如图3.5所示 所示。 常将合力 分解为3个互相垂直的分力，如图 所示。 分解为 个互相垂直的分力， （1）主切削力 。 ）主切削力Fc。 Fc是切削合力 在主运动方向上的分力。 是切削合力F在主运动方向上的分力 是切削合力 在主运动方向上的分力。 （2）背向力 。 ）背向力FP。 FP是切削合力 在垂直于进给运动方向上的分力， 是切削合力F在垂直于进给运动方向上的分力 是切削合力 在垂直于进给运动方向上的分力， 纵车外圆时， 不消耗机床功率 不消耗机床功率， 纵车外圆时，FP不消耗机床功率，但它作用在机床工艺 系统刚性最差的方向上，使工件在水平面内弯曲， 系统刚性最差的方向上，使工件在水平面内弯曲，影响加 工精度，并且容易引起振动。 工精度，并且容易引起振动。 （3）进给力 。 ）进给力Ff。 Ff是切削合力 在进给运动方向上的分力。 是切削合力F在进给运动方向上的分力 是切削合力 在进给运动方向上的分力。
第三章 金属切削过程的基本规律
与切屑脱离的切屑底层金属冷焊并滞留在前面上， 与切屑脱离的切屑底层金属冷焊并滞留在前面上，在前面 上形成了第一层积屑瘤。后续切屑从其上流过， 上形成了第一层积屑瘤。后续切屑从其上流过，在原有的 切削条件下又发生新的冷焊，并堆积在第一层积屑瘤上。 切削条件下又发生新的冷焊，并堆积在第一层积屑瘤上。 如此逐层在前刀面上堆积和长大，最后长成积屑瘤。 如此逐层在前刀面上堆积和长大，最后长成积屑瘤。 变化规律：积屑瘤的产生、成长、 变化规律：积屑瘤的产生、成长、脱落过程是在短时期内 进行的，并在切削过程中不断地周期出现。 进行的，并在切削过程中不断地周期出现。 2．积屑瘤对切削过程的影响 ． 所示。 （1）保护刀具。如图 所示。 ）保护刀具。如图3.3所示 （2）增大刀具前角。 ）增大刀具前角。 （3）增大切削厚度。 ）增大切削厚度。 （4）增大已加工表面粗糙度。 ）增大已加工表面粗糙度。
第三章 金属切削过程的基本规律
3.2.2 切削功率 切削功率是指在切削过程中消耗的总功率， 切削功率是指在切削过程中消耗的总功率，用P表 表 不消耗机床功率， 示，因背向力FP不消耗机床功率，所以它是主切削力 因背向力 不消耗机床功率 所以它是主切削力Fc 与进给力Ff消耗的功率之和。由于进给力Ff消耗的功率占 与进给力 消耗的功率之和。由于进给力 消耗的功率占 消耗的功率之和 总消耗功率的1%～ ，可忽略不计， 总消耗功率的 ～5%，可忽略不计，故一般只计算切削 功率Pc： 功率 ：
第三章 金属切削过程的基本规律
2．切削力的分解 ． 常将合力F分解为 个互相垂直的分力 如图3.5所示 所示。 常将合力 分解为3个互相垂直的分力，如图 所示。 分解为 个互相垂直的分力， （1）主切削力 。 ）主切削力Fc。 Fc是切削合力 在主运动方向上的分力。 是切削合力F在主运动方向上的分力 是切削合力 在主运动方向上的分力。 （2）背向力 。 ）背向力FP。 FP是切削合力 在垂直于进给运动方向上的分力， 是切削合力F在垂直于进给运动方向上的分力 是切削合力 在垂直于进给运动方向上的分力， 纵车外圆时， 不消耗机床功率 不消耗机床功率， 纵车外圆时，FP不消耗机床功率，但它作用在机床工艺 系统刚性最差的方向上，使工件在水平面内弯曲， 系统刚性最差的方向上，使工件在水平面内弯曲，影响加 工精度，并且容易引起振动。 工精度，并且容易引起振动。 （3）进给力 。 ）进给力Ff。 Ff是切削合力 在进给运动方向上的分力。 是切削合力F在进给运动方向上的分力 是切削合力 在进给运动方向上的分力。
第三章 金属切削过程的基本规律
与切屑脱离的切屑底层金属冷焊并滞留在前面上， 与切屑脱离的切屑底层金属冷焊并滞留在前面上，在前面 上形成了第一层积屑瘤。后续切屑从其上流过， 上形成了第一层积屑瘤。后续切屑从其上流过，在原有的 切削条件下又发生新的冷焊，并堆积在第一层积屑瘤上。 切削条件下又发生新的冷焊，并堆积在第一层积屑瘤上。 如此逐层在前刀面上堆积和长大，最后长成积屑瘤。 如此逐层在前刀面上堆积和长大，最后长成积屑瘤。 变化规律：积屑瘤的产生、成长、 变化规律：积屑瘤的产生、成长、脱落过程是在短时期内 进行的，并在切削过程中不断地周期出现。 进行的，并在切削过程中不断地周期出现。 2．积屑瘤对切削过程的影响 ． 所示。 （1）保护刀具。如图 所示。 ）保护刀具。如图3.3所示 （2）增大刀具前角。 ）增大刀具前角。 （3）增大切削厚度。 ）增大切削厚度。 （4）增大已加工表面粗糙度。 ）增大已加工表面粗糙度。
第三章 金属切削过程的基本规律
(三) 刀具几何参数影响
图3-19 前角对切削力的影响 加工条件：工件50钢、刀具P10(YT15)、 f=0.25mm/r、=20mm、 =100m/min
1. 前角γo
2. 主偏角κr
图3-20 主偏角对切削力的影响 a) 对切削力的影响 b) 对切削宽度的影响 加工条件：正火45钢、P10(YT15)、=15°、=6°～8°、 =10°～12°、=0.2mm、=3mm、f=0.3mm/r、=100m/min
结构钢 =650MPa 灰铸铁 190HBW
P10（YT1 5）
f≤0．3 f≤0．7
291 242 1898 158
0．15 0．15
0．20 0．35 0．20 0．40
0．20 0．20
K30（YG8） f≤0．4 f＞0．4
表3-4 硬质合金车刀纵车外圆公式中的系数、指数、修正系数值
修正系数 工 件 材 料 结构钢MPa ＞500~600 1．18 灰铸件HBW ＞160~180 1．15 主 偏 角 毛 坯 表 面 状 态 主偏角 结构钢 灰铸铁 无外皮 1 30 1．13 1．20 有外皮 棒料 0．9 锻件 0．8 铸件一般 0．8~0．85 铸件带砂 0．5~0．6 45 1 1 ＞600~700 1．0 ＞180~200 1．0 60 0．92 0．88 75 0．86 0．83 ＞700~800 0．87 ＞200~220 0．89 90 0．81 0．73
磨损量VC是因近刀尖处强度低、温度集中造成；中间磨损B区，除均匀磨 损量VB外，在其磨损严重处的最大磨损量为VBmax，这是因为摩擦和散热 差所致；边界磨损N区，切削刃与待加工表面交界处磨损量VN，这是由于
高温氧化和表面硬化层作用引起的。
第三章 金属切削过程的基本规律
2. 影响三个切削分力的大小和比例关系
Ff FD sin Fp FD cos
三、主偏角、副偏角的作用
3. 主偏角影响切屑层的形状 在f、ap相同的情况下： Кγ ↙ bD ↗
刀刃工作长度↗
单位负荷↙
选择原则
1. 工件材料： HB ↗ Кγ ↙ 刚性好，则Кγ 取小值。 3. 加工条件：
第二变形区 第三变形区
该区域对工件表面的残余应力以 及后刀面的磨损有很大的影响。 第一变形区
三、切屑的类型
1. 带状切屑：
形成原因： 产生条件： 形状： 特点： 切速高，切削层未及充 切削塑性材料、切削 连绵不断呈带状，切 切削过程变形小，切 分变形即变为切屑，剪 速度高、切削厚度较 屑底面很光滑而背面 削力小且稳定；已加 切面上的应力还未达到 小、前角大。 呈毛茸状。 工表面粗糙度低。对 破坏值，因此只有塑性 生产安全有危害。 滑移而无断裂；前角大， 则刀具锋利；hD小则切 削力小。故易得带状切 屑。
前角↙ 切屑变形程度↗ 易断屑
选择原则
1. 工件材料： 脆性材料：γ O小，塑性材料： γ O大 2. 刀具材料： 刀具的σ b、α k较大，则γ O可选大值 3. 加工条件： 粗加工时：γ O小，精加工时： γ O大
“锐字当先、锐中求固”
二、后角的作用
后角的主要作用是减少后刀面与加工工
件之间的摩擦和磨损。后角过大，会削弱切
第三章金属切削过程的基本规律第一节金属的切削过程第二节切削力与切削功率第三节切削热与切削温度第四节刀具的磨损及使用寿命第五节刀具合理几何参数的选择第六节工件材料的切削加工性第一节金属的切削过程一概述1
第三章 金属切削过程的基本规律
第一节 金属的切削过程 第二节 切削力与切削功率
第3章 金属切削过程及其基本规律
切屑的变形可由两部分组成，一是切削
过程中产生的，称为基本变形；二是切 屑在流动和卷曲过程中的再次变形，称 为附加变形。 影响基本变形的抓因有所刀具前角、负 倒棱和切削速度。前角越小、负倒棱越 宽、切削速度越低，切屑的变形越大， 越有利于断屑。但从切削轻快和切削效 率的角度考虑，这样并不合理。
仪。具有灵敏度较高，量程范围较大，既可用 于静态，也可用于动态测量，测量精度较高等 特点。这种测力仪常用的电阻元件叫做电阻应 变片。将若干电阻应变片紧贴在测力仪的弹性 元件的不同受力位置，分别联成电桥。在切削 力作用下，电阻应变片随着弹性元件发生变形， 使应变片的电阻值改变，破坏了电桥的平衡， 于是电流表中有与切削力大小相应的电流通过， 经电阻应变仪得到电流示数，再按此电流示数 从标定曲线上可以读出三向切削力的值。
3.切削用量： (1)切削速度：在无积屑瘤的切削速度范
围内，切削速度越高，切削厚度压缩比 越小。因为塑性变形的传播速度较弹性 变形慢。另外，切削速度对摩擦因数也 有影响。除在低速区外，速度增大，摩 擦因数减小，因此变形减小。在有积屑 瘤的切削速度范围内，切削速度是通过 积屑瘤所形成的实际前角来影响切屑变 形的 （2）进给量：进给量增大， 切屑变形减 小
4.扫描电镜显微观察法：用扫描电子
显微镜观察切屑的变形情况。 5.光弹性、光塑性试验法
3.2 金属切削过程
3.2.1金属切削过程中三个变形区的划分
及其变形规律 第一变形区：沿滑移线的剪切变形以及 随之产生的加工硬化 第二变形区：切屑底层金属晶粒纤维化 第三变形区：已加工表面受到切削刃钝 圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变 形与回弹，造成纤维化与加工硬化。
2.切屑的折断：金属切削过程中产生的切
金属切削过程基本规律
6．光弹性、光塑性试验法
在实验观察金属切削过程的基础上，为了分析金属变 形区的应力情况，对切削刃前方的金属可进行弹性力学和 塑性力学的研究和实验。图3—5是一幅用偏光镜对切削过 程进行光弹试验的照片。图中的黑白条纹麦示在切削力作 用下工件材料内的等切应力曲线，在切削刃前方的正应力 是压应力，在它的后方则为拉应力，在这两组等切应力曲 线之间有一条分隔的中线(图中未标明)。塑性金属在切削 过程中，刃前区实际上产生塑性变形，并且是很大的塑性 变形，所以研究它的应力情况应该作光塑性试验。随着光 塑性理论的完善和新型光塑性材料的出现，已能用光塑性 法研究二维切削过程。浙扛大学已成功地以聚碳酸酯作工 件模型，获得模拟正交切削时以切应力差法求得的刃前区 应力分布的干涉条纹。
图3-2是一种弹簧式车削快速落刀装置。刀头 可绕小轴转动，在切削时它被半月形销轴 所固定。 要刀头脱离工件时，可扳动大齿轮，通过小齿轮 转动半月形销轴。当销轴脱开刀头末端时，刀头 即被弹簧快速掣回。这种装置在100m／min的切 削速度下可获得满意的结果。
4.在线瞬态体视摄影系统
图3—3a是用在线瞬志体视摄影系统所摄得 的实时流线照片，它只要在工件侧面刻若干细线， 用体视显徽镜、照相机和闪光源等即可组成(图 3—4)。从流线图即可求得剪切角和变形区厚度S， 如图3—3b所示。这个摄影系统的关键在于要选 择有足够光强度的闪光源和足够短的闪光时间， 以保证高速切削时图像清晰。
图3-1 金属切削层变形图像
2．高速摄影法
要观察高速切削情况下金属的变形过程，目 视就较困难，可用高速摄影机拍摄。常用的高速 摄影机每秒可拍几百幅到万幅以上。拍摄时要用 显微镜头或具有放大作用的长焦距镜头，并且要 有强的光源。
• 3．快速落刀法
第03讲 金属切削过程的基本规律与应用
削
是剪切面方向
基
本
规
律
➢切屑形成的本质
✓切削层金属在刀具前刀面的推挤作用下发生了 剪切滑移和剪切破坏，从而变成了切屑。
8
金属切削的变形过程
切屑的形成过程
金属切削过程的三个变形区
金 根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑 属 的形态大体可划分为三个变形区：
切
剪切区
刀—屑接触区
刀—工件接触区
削
基本变形区
削
基
本
规
律
切削过程中的晶粒滑移示意图
12
金属切削的变形过程
切屑的形成过程
金属切削过程的三个变形区——第一变形区
金 切变过程
属
➢剪切面
切
✓一般第一变形区的宽度仅为0.02~0.2mm。且切 削速度愈高，宽度愈小。因此可将变形区视为
削
一个剪切平面，并把此面称为剪切面。
基
本
规
律
切削过程中的晶粒滑移示意图
切 削
➢������
=
������ ������
= ������������+������������
������
= tan
������ − ������0
+ cot ������
基 本
������
=
Λ2ℎ
−
2Λ Λℎ
ℎ sin ������0 cos ������0
+
1
规
律
➢相对位移是按纯剪切理论的观点提出的，但切削过 程比较复杂，既有剪切，又有挤压和摩擦作用，用
相对位移表示切屑变形有一定的局限性
21
金属切削的变形过程
第三章金属切削的基本规律
Principles of Metal Cutting & Cutters
3. 1.3 变形程度的量度方法
(1)相对滑移ε
相对滑移ε是用来量度第Ⅰ变形区滑移变形的程度。如图3.4，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。相对滑移ε表示为：
s y
B'C CB'' y
cot
t an (
0)
(3.1)
图3.4 相对滑移
Department of Mechanical Engineering, NingXia University
Principles of Metal Cutting & Cutters
（2）变形系数Λh 变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸
内表面光滑,外表面毛茸
b)挤裂切屑
切削速度较低,切削厚 度较大,刀具前角较小
内表面有裂纹,外表面呈锯齿形
c)单元切屑
相比b)进一步减小刀具 前角，减低切削速度
整个单元被切离
d)崩碎切屑
加工硬脆材料时切削厚 度较大时产生
形状是不规则的,表面是凸凹不平的
Department of Mechanical Engineering, NingXia University
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Principles of Metal Cutting & Cutters
通常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变型区，如图2.1（c） 所示：
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削 层内产生的塑性变形区；
第三节 金属切削过程的基本规律
金属切削过程的基本规律本章主要内容：介绍切削过程中的切屑形成、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等各种现象的成因、作用与变化规律。
重点：各种现象的作用及变化规律。
学习本章内容的意义：切削过程基本规律是我们合理使用刀具、夹具、机床，保证加工质量、降低成本、提高生产效率以及促进切削技术的发展等的理论基础。
第一节切削变形与切屑形成一、切削变形特点研究切削变形与切屑形成时非常复杂问题，为了便于建立初步概念，下面通过正交自由切削进行简要说明。
图3——1所示为切削变形状态图3-1a所示为切削时，切削层的受力及变形情况。
切削变形过程：切削层受刀具的正压力F rn摩擦力F r作用产生塑性变形，当切削层达到切削刃处OA面时，切应力达到材料的屈服强度，切削层产生剪切滑移；切削层移到OM面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形成切屑，然后沿前刀面流出。
图3-1b是切削层与切屑根部金相照片，表示了剪切滑移前后的状态。
图3-1c剪切变形模型，切削层在OA、OM区域内产生剪切滑移，即晶格在晶面上滑移、晶粒伸长、但滑移与伸长方向并不重合，其夹角为ψ。
切屑沿前刀面流出的情况：切屑在前面上也受到挤压和摩擦，进一步加剧了变形，在切屑底部因急剧变形使晶粒拉长呈纤维化。
在△h ch层内不同高度上的流动速度是变化的，从上往下，流动速度逐渐变小，甚至趋于零，因而称△h ch 层为“滞留层”。
已加工表面的变形：受钝圆弧切削刃的挤压和后刀面的摩擦作用，使已加工表面层△h内，产生严重变形而使晶粒拉长、纤维化、扭曲、甚至碎裂，致使已加工表面产生加工硬化。
切削过程存在三个变形区：第一变形区（I）：始滑移面OA与终滑移面OM之间的区域。
两面之间的距离为0.02~0.2mm。
故将作为其代号。
其看作为一个平面，称之为剪切面或滑移面，用psh剪切角φ：剪切面与切削速度之间的夹角。
第二变形区（II）：与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区域。
第三变形区（III）：近切削刃处已加工表面层内产生的变形区域。
第3章 切削过程的基本规律
⑶工件材料影响 工件材料是通过强度、硬度和导热 系数等性能不同对切削温度产生影响的。 ⑷其它因素的影响 磨损、干切削都会使温度升高。浇 注切削液是降低切削温度的一个有效措 施
3. 4 刀具磨损与刀具耐用度
一、刀具磨损形式
刀具磨损形式为正常磨损和非正常磨损两大类。 ⑴正常磨损
正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制 造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削 过程中逐渐产生的磨损。
⑵切削速度
切削速度vc是通过(a)积屑瘤使剪切角φ改变; (b)切削 温度使磨擦系数μ变化,而影响切屑变形的。如图2.11以 中碳钢为例。
⑶进给量
进给量对切屑变形的影响规律如图2.12所示，即f ↗使Λh ↘； 这是由于f ↗后，使切削厚度↗，正压力和平均正应 力↗ ，磨擦系数↘ ，剪切角↗所致。
性变形就产生脆性崩裂，切屑呈不规则的细粒状。
三、切屑变形程度的表示方法 (1)剪切角φ vc
剪切面AB 与切削速度vc 之间的夹角。 V↗，φ↗， A剪切 ↘， （切削省力） F↘。
B
φ
A
大小确定： 获得切屑根部 照片，度量得 出。
(2)相对滑 移ε
B”
B’
ε=Δs/Δy=
ctgφ+tg(φ-γo)
3. 3 切削热与切削温度
一、切削热的来源与传导 1)热源： 剪切区变形功形成的热Qp; 切屑与前刀面摩擦功形成的热Qγf; 已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qαf。 2)传导：传入切屑Qch(切削钢不加切削液时传入比例50%~86%)、 工件Qw(40%~10%) 、刀具Qc(9%~3%)和周围介质Qf(1%)。 3)切削热的形成及传导关系为：
(二)、磨损过程和磨钝标准
▼ 磨损过程如图 3-26所示，图中大致分三个阶 段。 • 初期磨损阶段(I段)：磨损较快。是由于刀具 表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的。 • 正常磨损阶段(II)： 该磨损度近似为常数。 AB呈直线。 • 急剧磨损阶段(III)：磨损急剧加速继而刀具 损坏。由于磨损严重，切削温度剧增，刀具强 度、硬度降低所致。
第三章 金属切削过程的基本规律
第二变形区 第三变形区
1. 第Ⅰ变形区 :
塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。 塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间 形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间 的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区(Ⅰ)。
第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。
四、 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。
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
以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、 温度、和应变速度的影响，金属切削过程 如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产 生塑性变形。
金属试件受挤压时，在其内部产生 主应力的同时，还将在与作用力大 致成45°方向的斜截面内，产生最 大切应力，在切应力达到屈服强度 时将在此方向剪切滑移。
第一变形区内金属的剪切变形
ψ hch 刀具 M
A
一般速度范围内Ⅰ区宽度为0.02～.2mm，速 度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面或称滑 移面
hD
• 剪切角υ : 剪切面和切削速度方向的夹角。 υ值小，反映剪切变 形的程度大 • 实验证明，对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的 切削层，当切削速度高时，剪切角ф较大，剪切面积变小切削比 较省力，说明切屑变形较小。相反，当剪切角ф较小，则说明切 屑变形较大
1. 第Ⅰ变形区 :
塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。 塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间 形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间 的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区(Ⅰ)。
第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。
四、 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。
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
以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、 温度、和应变速度的影响，金属切削过程 如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产 生塑性变形。
金属试件受挤压时，在其内部产生 主应力的同时，还将在与作用力大 致成45°方向的斜截面内，产生最 大切应力，在切应力达到屈服强度 时将在此方向剪切滑移。
第一变形区内金属的剪切变形
ψ hch 刀具 M
A
一般速度范围内Ⅰ区宽度为0.02～.2mm，速 度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面或称滑 移面
hD
• 剪切角υ : 剪切面和切削速度方向的夹角。 υ值小，反映剪切变 形的程度大 • 实验证明，对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的 切削层，当切削速度高时，剪切角ф较大，剪切面积变小切削比 较省力，说明切屑变形较小。相反，当剪切角ф较小，则说明切 屑变形较大
3第三章金属切削过程的基本规律
（1）工件材料的影响
工件材料的塑性或韧性越高，切屑越不易折断，使切 屑与前刀面间摩擦增加，故切削力增大。 注意点：材料硬化能力越高，则力越大。 奥氏体不锈钢，强度低、硬度低，但强化系数大，较 小的变形就会引起材料硬度提高，所以切削力大。 铜、铅等塑性大，但变形时，加工硬化小，则切削力 小。
3.1.7 影响切削变形的主要因素
进给量f增大，切削厚度ac增加，平均正应力av增 大，正压力Fn增大，因此摩擦系数μ下降、剪切 角φ增大。致使变形系数ξ减小。 切削厚度ac增加，切屑中平均变形减小；反之， 薄切屑的变形量大。
3.2 切削力
概念： 切削过程中，刀具施加于工件使工件材 料产生变形，并使多余材料变为切屑所 需的力称为切削力。 而工件低抗变形施加于刀具称为切削抗 力，在分析切削力以及切削机理时，切 削力与切削抗力意义相同。 意义： 切削力是影响质量的重要因素； 是机床、刀具、夹具设计、和计算动力 消耗的主要依据。还可用来监控刀具磨 损与加工表面质量。
（2）切削用量的影响
切削速度 加工塑性金属时，主要因素为积屑瘤与摩擦。 低、中速（5－20m/min）：υ提高，切削变形 减小，故Fz逐渐减小；积屑瘤渐成。 中速时（20m/min左右）：变形值最小，Fz减 至最小值，积屑瘤最高，大前角作用。 超过中速，υ提高，切削变形增大，故Fz逐渐 增大。积屑瘤消失。 高速（υ＞60m/min），切削变形随着切削速 度增加而减小，Fz逐渐减小而后达到稳定。 切削脆性金属，因为变形和摩擦均较小，故切 削速度υ改变时切削力变化不大。
以上切屑虽然与加工不同材料有关，但加工同一种材料采用不同 的切削条件也将产生不同的切屑。如加工塑性材料时，一般得到 带状切屑，但如果前角较小，速度较低，切削厚度较大时将产生 挤裂切屑；如前角进一步减小，再降低切削速度，或加大切削厚 度，则得到单元切屑。掌握这些规律，可以控制切屑形状和尺寸， 达到断屑和卷屑目的。
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第二节
切
削
力
一、切削力的来源、合力及其分力 1、合力及其分力
2 F Fc2 FD Fc2 Ff2 Fp2
第二节
切
削
力
二、各分力的作用
第二节
切
削
力
三、切削力的实验公式
1、切削力的测定原理 （1）电阻应变片式测力仪
第二节
切
削
力
1、切削力的测定原理 （2）压电晶体测力仪
第二节
第四节
刀具磨损与刀具寿命
（四）合理的刀具寿命确定原则 各种刀具寿命参考数值： 高速钢车刀 硬质合金焊接车刀 硬质合金可换位车刀 组合机床、自动机、自动线刀具 高速钢钻头 硬质合金端铣刀 齿轮刀具 30～60min 15～60min 15～45min 240～480min 80～120min 20～180min 200～300min
第三章 金属切削过程的基本规律
切削变形与切屑形成 切削力 切削热与切削温度 刀具磨损与刀具寿命
第三章 金属切削过程的基本规律
本章要求
1.了解金属切削变形三区域、变形四要素、 切屑四种基本形式。 2.了解切削力及其影响三要素。 3.了解切削热的产生、切削温度的分布及散 热介质、散热比例等。 4.掌握刀具磨损阶段及磨损原因。
切削温度的测量方法很多：热电偶法、热辐射法、 远红外法和热敏涂色法等，其中热电偶法应用较为普遍。 1、测定原理
第三节
切削热与切削温度
二、切削温度测定原理与切削温度分布
2、切削温度分布
第三节
切削热与切削温度
二、切削温度测定原理与切削温度分布
2、切削温度分布 切削温度在刀具、切屑、工件上分布极不均匀： 1）刀——屑接触面间摩擦大，热量不易传散，故温 度最高； 2）在刀具中，靠近切削刃处（约1mm）温度最高； 在工件中，切削刃附近温度最高。 3）切屑带走的热量最多。 切削钢料时，切屑表面产生一层氧化膜，它的颜色随 切削温度的高低而变化，可从切屑颜色大致判断切削温度 高低。300℃以下切屑呈银白色；400℃左右呈黄色；500 ℃左右呈深蓝色；600℃左右呈紫黑色。
切
削
力
——切削用量中对切削力的影响最大的是背吃刀量， 其次是进给量，切削速度对切削力的影响程度最小。 2、工件材料 （1）强度和硬度 （2）塑性和韧性
第二节
（1）前角
切
削
力
3、刀具几何角度
前角γｏ：前 角γｏ增大，刀具、 切屑接触面摩擦减 少，切削变形小， 故切削力减小。
第二节
切
削
力
3、刀具几何角度
切
削
力
三、切削力的实验公式 2、切削力的实验公式 ——式（3－6）, 式中各相关系数可查阅相关手册。 3、单位切削力的实验公式 CFC FC N/mm2 kc 1 yFC AD f 则切削力公式为：
FC kC AD kC aP f
第二节
4、切削功率
切
削
力
三、切削力的实验公式
（1）主运动消耗的切削功率：
2、剪切角
切削变形与切屑形成
第一节
切削变形与切屑形成
四、前面上摩擦特点
第一节
五、积屑瘤
切削变形与切屑形成
1、现象及其形成原因
第一节
五、积屑瘤
切削变形与切屑形成
2、对切削加工的影响
——正反两个方面：
3、抑制或消除积屑瘤的常用措施
1）通过热处理降低材料的塑性，提高硬度，减少滞留层 的产生。 2）控制切削速度，以控制切削温度。 3）增大刀具前角，合理调节切削参数，提高刀具刃磨质 量，合理选用切削液，使摩擦力减小，切削温度降低，积屑瘤 就不易产生。
第一节
五、积屑瘤
切削变形与切屑形成
第一节
切削变形与切屑形成
六、已加工表面变形和加工硬化
——冷硬现象、衡量指标以及应对措施
1）磨出锋利的切削刃； 2）增大前角或后角； 3）减小背吃刀量； 4）合理选用切削液；
第一节
切削变形与切屑形成
七、影响切削变形的主要因素 1、被加工材料
第一节
切削变形与切屑形成
刀具磨损与刀具寿命
（二）磨损过程和磨损标准 3、磨损过程曲线
初期磨损阶段 正常磨损阶段 急剧磨损阶段
第四节
一、刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
（二）磨损过程和磨损标准 2、磨损标准
刀具磨损的测量位置
第四节
一、刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
（三）刀具磨损的原因（机理） 1、磨粒磨损
2、相变磨损 3、粘结磨损
P kC aP fvC Fcvc / 60103 C
（2）机床电机功率：
KW
Pe P /m C
机床效率： m 0.75 ~ 0.85
第二节
切
削
力
四、影响切削力的主要因素 1、切削用量 （1）背吃刀量与进给量
第二节
切
削
力
四、影响切削力的主要因素 1、切削用量 （2）切削速度
第二节
第四节
刀具磨损与刀具寿命
（五）刀具寿命允许的切削速度计算
CT vT m xv T aP f
yv
K vT
——各个相关系数见表3－4、3－5。
思考题：
1.切削区域可划分为哪几个变形区？各变形区有什么特征？ 2.切屑有哪些种类?各种类切屑有什么特征?在什么条件下形 成？ 3.什么是积屑瘤？它是怎样产生的？生产中如何控制积屑瘤？ 4.切削力是怎样产生的？总切削力可分解成哪几个分力？各 个分力有什么实用意义？ 5.刀具角度和切削用量对切削力有何影响？ 6.切削热是怎样产生、怎样传出的? 7.切削温度对切削过程有何影响？ 8.刀具切削过程可分为哪几个阶段？并请说明原因。 9.何为刀具寿命? 为什么说对刀具寿命的影响，切削速度最 大、进给量次之、背吃刀量最小？ 10.刀具磨损的形式有哪几种?磨损过程分哪几个阶段？
第三节
切削热与切削温度
三、影响切削温度的因素
——切削温度的高低决定于热量产生的多少和传散 热量的快慢。 1、切削用量 切削用量增加均使切削温度升高，但其中 vc 影响 最大，f 居中，ap 影响最小。 2、工件材料 热量产生——强度、硬度等 热量传散——热传导率
第三节
切削热与切削温度
三、影响切削温度的因素
研究意义：热变形影响加工质量，温度过高 影响刀具寿命。 一、切削热的来源与传散 1、来源 切削变形和摩擦：
Q FC vc
2、传散 切削热向切屑、刀具、工件和周围介质中传散， 但其比例是不同的，一般切屑带走的热量最多，工件 次之，刀具中较少，周围介质中最少。
第三节
切削热与切削温度
车削和钻削时切削热由各部分传出的比例
第四节
一、刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
（三）刀具磨损的原因（机理） 4、扩散磨损
第四节
一、刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
（三）刀具磨损的原因（机理） 5、氧化磨损
第四节
刀具磨损与刀具寿命
二、刀具寿命 （一）刀具寿命概念 定义——刀具达到规定标准的总切削时间。 刀具总寿命是新刀具从开始使用起，至完全报废 为止的总切削时间。它与刀具寿命是两个不同的概念。 刀具总寿命等于刀具报废前的刀具寿命乘以允许的刃 磨次数。
Q屑
车削 钻削 50%~86% 28%
Q刀
10%~40% 14.5%
Q工
3%~9% 52.5%
Q介
1% 5%
传散比例与切削速度有关，提高切削速度摩擦热 增多，切屑带走的热量也增多，传入工件和刀具的热 量减少，留在工件中的热量更少。故高速切削对切削 加工较为有利。
第三节
切削热与切削温度
二、切削温度测定原理与切削温度分布
3、刀具几何角度
4、切削液
第四节
一、刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
（一）刀具磨损形式 1）正常磨损
a）后面磨损 b）前面磨损 c）前、后面同时磨损
第四节
一、刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
（一）刀具磨损形式
第四节
一、刀具磨损
刀具磨损与刀具寿命
（一）刀具磨损形式 之“非正常磨损”——破损
第四节
一、刀具磨损
第四节
刀具磨损与刀具寿命
（）影响刀具寿命的因素 1、切削速度vc
C T vc
m
M为切削速度vc对T的影响程度指数。
第四节
刀具磨损与刀具寿命
（二）影响刀具寿命的因素 2、进给量 f 与背吃刀量aP 进给量 f 增大，切削温度升高—— 背吃刀量aP增大，切削温度升高，但散热条件改善—— 3、刀具几何角度 4、工件材料 5、刀具材料 ——讨论：
第一节
切削变形与切屑形成
图3－1 切削变形过程
第一节
切削变形与切屑形成
一、切削变形区
（1）第Ⅰ变形区
（2）第Ⅱ变形区
（3）第Ⅲ变形区
第一节
切削变形与切屑形成
二、切屑类型
1）带状切屑 2）节状切屑 3）单元切屑 4）崩碎切屑
第一节
切削变形与切屑形成
三、变形程度的表示方法 1、厚度压缩比
第一节
（2）主偏角
主偏角κｒ：主偏角对Ｆｆ、Ｆｐ影响较大，对Ｆｃ 影响较小
第二节
切
削
力
4、其它因素影响
（1）刃倾角：刃倾角λｓ对主切削力影响很小，但对切 深抗力Ｆｐ和进给抗力Ｆｆ影响较大。 （2）刀尖圆弧半径： （3）刀具磨损： （4）切削液： （5）刀具材料： ——切削力修正系数：表3－2
第三节
切削热与切削温度
第四节
刀具磨损与刀具寿命
（三）刀具寿命方程式
CT T xT vc aP f
m
yT