切削过程中的基本规律及切削力

切削力的产生
（2）切削合力及分力
Fr ＝ Fc2 FD2 FD ＝ Fp2 Ff2 合力Fr ＝ Fc2 Fp2 Ff2 Ff ——进给力 FP ——背向力 Fc ——切削力 切削合力及分解 FD为总合力在切削层尺寸平面上的投影

（3）切削功率 概念：
（2）实际切削厚度增大

由图2-9可以看出，当切削瘤存 在时，实际的金属切削层厚度 比无切削瘤时增加了一个△hD， 显然，这对工件切削尺寸的控 制是不利的。值得注意的是， 这个厚度△hD的增加并不是固 定的，因为切削瘤在不停变化， 它是一个产生，长大，最后脱 落的周期性变化过程，这样可 能在加工中产生振动。
2.2 切削过程的基本规律
2.2.1 切削力
切削力分析及切削功率 （1）切削力的产生 ①、切削力的概念： 刀具在切削过程中克服加工阻力 所需的力。
1.
②、切削力的产生
A、克服被加工材料对 弹性变形的抗力 B、克服被加工材料对 塑性变形的抗力 C、克服切屑对刀具前 刀面的摩擦力和刀具后 刀面对过渡表面和已加 工表面间的摩擦力。
（4）氧化磨损
硬质合金刀具切削温度达到700o～800o时，
刀具中一些C、CO、TiC等被空气氧化，在 刀具表层形成一层硬度较低的氧化膜，当氧 化膜磨损掉后在刀具表面形成氧化磨损。
（5）相变磨损
在切削的高温下，刀具金相组织发生改变，
引起硬度降低造成的磨损。
总的来说，刀具磨损可能是其中的一种或几




（3）破损 刀具破损比例较高，硬质合金刀具有50％～60％是破 损。特别是用脆性大的刀具连续切削或加工高硬度材 料时，破损较严重。它又分为以下几种形式： ①、崩刃 特点是在切削刃产生小的缺口，尺寸与进 给量相当。硬质合金刀具连续切削时容易产生。 ②、剥落 特点是前后刀面上平行于切削刃剥落一层 碎片，常与切削刃一起剥落。陶瓷刀具端铣常发生剥 落，另外硬质合金刀具连续切削也发生。 ③、裂纹 特点是垂直或倾斜于切削刃有热裂纹。由 于长时间连续切削，刀具疲劳而引起。 ④、塑性破损 特点是刀刃发生塌陷。是由于切削时 高温高压作用引起的。
刀尖圆弧半径增大，切削变形增大，切削力也增大。 相当于κr减小对切削力影响。
（4）刀具材料与切削液
刀具材料影响到它与被加工材料摩擦力的变
化，因此影响切削力的变化。同样的切削条 件，陶瓷刀切削力最小，硬质合金次之，高 速钢刀具切削力最大。 切削液的正确应用，可以降低摩擦力，减小 切削力。
2.2.2 切削热与切削温度
即主要在剪切面区产生。 切削热量的近似计算公式： Q ＝ Fc υc（J/s） 实际上是切削力所做的功。 其中：切削力Fc （N），切削主运动速 度υc （m/s）。
切削产生的热量在各种介质中传送的比例
切削产生的热量主要由切屑、刀具、工件和周围介 质（空气或切削液）传出，如不考虑切削液，则各 种介质的比例参考如下： （1）车削加工 切屑，50％～86％；刀具，10 ％～40％；工件，3％～9％；空气，1％。切削速 度越高，切削厚度越大，切屑传出的热量越多。 （2）钻削加工 切屑，28％；刀具，14.5％；工件， 52.5％；空气5％。
（4）切削刀具的耐用度降低
从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该
对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少 了刀具磨损。 积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从 刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面 金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质 合金刀具这一点表现尤为明显。
（2）粘结Βιβλιοθήκη Baidu损
加工过程中，切屑与刀具接触面在一定的温
度与压力下，产生塑性变形而发生冷焊现象 后，刀具表面粘结点被切屑带走而发生的磨 损。一般，具有较大的抗剪和抗拉强度的刀 具抗粘结磨损能力强，如高速钢刀具具有较 强的抗粘结磨损能力。
（3）扩散磨损
由于切削时高温作用，刀具与工件材料中的
合金元素相互扩散，而造成刀具磨损。硬质 合金刀具和金刚石刀具切削钢件温度较高时， 常发生扩散磨损。金刚石刀具不宜加工钢铁 材料。一般在刀具表层涂覆TiC、TiN、 Al2O3等，能有效提高抗扩散磨损能力。

2 . 刀具的磨损原因：
（1）硬质点磨损 （2）粘结磨损 （3）扩散磨损 （4）氧化磨损 （5）相变磨损
（1）硬质点磨损
因为工件材料中含有一些碳化物、氮化物、
积屑瘤残留物等硬质点杂质，在金属加工过 程中，会将刀具表面划伤，造成机械磨损。 低速刀具磨损的主要原因是硬质点磨损。
种。对一定的刀具和工件材料，起主导作用 的是切削温度。在低温区，一般以硬质点磨 损为主；在高温区以粘结磨损、扩散磨损、 氧化磨损等为主。
积屑瘤对金属切削过程产生的影响问题？
（1）实际刀具前角如何变化？
（2）实际切削厚度如何变化？
（3）加工后表面粗糙度如何变化？
（4）切削刀具的耐用度如何变化？
（2）后刀面磨损



①、特点： 在刀具后刀面上出现与加 工表面基本平行的磨损带。 ②、C、B、N三个区 C区是刀尖区，由于散热差， 强度低，磨损严重，最大值 VC； B区处于磨损带中间，磨损 均匀，最大磨损量VBmax； N区处于切削刃与待加工表 面的相交处，磨损严重，磨 损量以VN表示，此区域的磨 损也叫边界磨损， 加工铸件、锻件等外皮粗糙 的工件时， N区区域容易磨 损。



切削过程中所消耗的功率称为切削功率Pc。 背向力FP在力的方向无位移，不做功，因此切削 功率为进给力Ff与切削力Fc所做的功。 根据功率公式切削功率： Pc ＝ （ Fc υc ＋ Ff nf /1000）×10-3KW 式中， Fc切削力（N）， υc切削速度（m/min）， Ff进给力（N），n工件转速（r/s），f进给量 （㎜） 由于Ff消耗功率一般小于1％～2％，可以忽略不 计，因此功率公式可简化为 ： Pc ＝ Fc υc ×10-3KW
160
200
切削速度υ c(m/min)
（3）刀具几何参数

①
②
③
前角γO ：对切削力影响最大。切削力随着前角的 增大而减小。这是因为前角的增大，切削变形与 摩擦力减小，切削力相应减小。 刀具主偏角κr ： 对切削力Fc的影响不大，κr＝ 60 o～75 o 时， Fc 最小，因此，主偏角κr ＝75 o 的车刀在生产中应 用较多。 背向力Fp随主偏角κr的增大而减小。 进给力Ff随主偏角κr的增大而增大。
（1）实际刀具前角增大
刀具前角γo指前刀面与基面之间的夹角，其
概念将在后节详细论述。如图所示，由于积 屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个γb角度， 如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实 际刀具前角增大,现为γo ＋ γb 。 刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有 积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb 越大， 实际刀具前角也越大，切削更容易。
切削速度对切削力的影响
积屑瘤产生阶段，由
325
于刀具实际前角增大， 切削力减小。 在积屑瘤消失阶段， 切削力逐渐增大， 积屑瘤消失时，切削 力Fc达到最大，以后 又开始减小。 （与对变形系数的影 响一样，都有马鞍形 变化。）
300
切削力 Fc (9.8N)
275
250
40
80
120
（1）切削用量 经验公式：高速钢刀具(加工材料45钢)： θ ＝ 140～170a 0.080.1 0.2 0v 0.35 0.45 f .3 p 硬质合金刀具(加工材料45钢)： θ ＝ 320a f 0.15 v 0.05 0 .26 0 .41 切削用量三要素υpc、 ap 、f中， 切削速度υc对温度的影响最显著，因为指数最大，切削 速度增加一倍，温度约增加32％； 其次是进给量f ，进给量增加一倍，温度约升高18％， 背吃刀量ap影响最小，约7％。


影响切削温度的因素
主要的原因是速度增加，使摩擦热增多； f增加，切削变形减小，切屑带走的热量也增多，所以 热量增加不多； 背吃刀量ap的增加，使切削宽度增加，显著增加热量的 散热面积。
（2）刀具的几何参数
前角γo ：前角γo增大，切削温度降低。因前
角增大时，单位切削力下降，切削热减少。 主偏角κr ：主偏角κr减小，切削宽度bD增大， 切削厚度减小，因此切削温度也下降。
切削液对切削温度的影响，与切削液的导热
性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温 度都有很大关系。 切削液的导热性越好，温度越低，则切削温 度也越低。 从导热性能方面来看，水基切削液优于乳化 液，乳化液优于油类切削液。
2.2.3 刀具磨损与耐用度



1.刀具的磨损形式 （1）前刀面磨损 ①、特点： 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。





１.切削热的产生与传导 切削热产生的原因: ①、在金属切削过程中，切削层发生弹性与塑 性变形 ②、切屑、工件与刀具的摩擦也产生了大量的 热量。 切削热产生的区域： ①、剪切面， ②、切屑与刀具前刀面的接触区， ③、刀具后刀面与工件过渡表面接触区。
金属切削层的塑性变形产生的热量最大，
性越强，塑性变形越大，加工此材料所需的 切削力也越大。 有多种因素影响时，综合考虑。如奥氏体不 锈钢，虽然强度、硬度低，但加工硬化能力 大，因此切削力也较大。铜、铝塑性变形大， 但加工硬化小，切削力较低。
（2）切削用量
背吃刀量ap与进给量
f 影响 因为切削面积 AD＝ ap f ，所以背吃刀量ap与 进给量 f 的增大都将增大切削面积。切削面 积的增大将使变形力和摩擦力增大，切削力 也将增大，但两者对切削力影响不同。 由于进给量 f 的增大会减小切削层的变形， 所以背吃刀量ap对切削力的影响比进给量f大。 在生产中，如机床消耗功率相等，为提高生 产效率，一般采用提高进给量而不是背吃刀 量的措施。

Kc可以查表。
３.影响切削力的因素 （1）工件材料 （2）切削用量 ①、背吃刀量ap与进给量f影响 ②、切削速度 （3）刀具几何参数 ①、刀具前角 ②、刀具主偏角κr和刀尖圆弧半径 ③、刀具刃倾角λs （4）刀具材料与切削液

（1）工件材料
一般材料的强度愈高，硬度越大，加工硬化
（3）工件材料P54
材料的强度与硬度增大时，单位切削力增大，
因此切削热增多，切削温度升高。 导热系数影响材料的传热，因此导热系数大， 产生的切削温度低。 例如，低碳钢，强度与硬度较低，导热系数 大，产生的切削温度低。 不锈钢与45钢相比，导热系数小，因此切削 温度比45钢高。
（4）切削液



２.切削力的计算： （1）指数公式 指数公式应用较广，它的形式如下：

上式中，C Fc 、C Fp 、C F f 为被加工金属的切 削条件系数， K Fc 、KF p 、K F f 为当加工条件 与经验公式条件不同时的修正系数。
（2）单位切削力公式 ①概念： 单位切削力指单位切削面积上的切削力。 公式： Fc Fc Kc = A = a f（N/㎜2） D p 式中，Fc切削力（N）， AD切削面积（㎜2）， ap背吃刀量(㎜)，f进给量（㎜/r）。

切削温度的分布



（1）切削最高温度并不在刀刃， 而是离刀刃有一定距离。对于 45钢，约在离刀刃1㎜处前刀面 的温度最高。 （2）后刀面温度的分布与前刀 面类似，最高温度也在切削刃 附近，不过比前刀面的温度低。 （3）终剪切面后，沿切屑流出 的垂直方向温度变化较大，越 靠近刀面，温度越高，这说明 切屑在刀面附近被摩擦升温， 而且切屑在前刀面的摩擦热集 中在切屑底层。
（3）加工后表面粗糙度增大
积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身
也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较 稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂， 然后再形成。 破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加 工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可以 看出，如果想提高表面加工质量，必须控制 积屑瘤的发生。