金属切削过程
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第二章第1节-金属切削过程及切屑类型分析
lfi
lfo
切屑与前刀面的摩擦
第一节 金属切削过程及切屑类型
积屑瘤
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呈三角
状的硬块,称为积屑瘤。
它的硬度很高，通常是
工件材料的2—3倍，在
切屑
处于比较稳定的状态时，
能够代替刀刃进行切削。
积屑瘤
刀具
积屑瘤
切屑的种类
名称
带状切屑
切屑类型及形成条件
挤裂切屑
单元切屑
崩碎切屑
简图
形态 变形
形成 条件
影响
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状
剪切滑移尚未达 到断裂程度
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
变形程度表示方法
变形系数
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层的变形程度。
◆ 厚度变形系数
h
hch hD
◆ 长度变形系数
L
LD Lch
Lch LD
切屑与切削层尺寸
第一节 金属切削过程及切屑类型
根据体积不变原理，则
h
lc lch
hch hDOMຫໍສະໝຸດ sin(90 OM sin
第二章 金属切削基本理论及应用
第一节 金属切削过程及切屑类型
金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过 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，产生许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀 具磨损和加工硬化等。
金属切削过程
(3)单元切屑 (3)单元切屑
在挤裂切屑的剪切面上，裂纹 扩展到整个面上，则整个单 元被切离，成为梯形单元切 屑。 如果改变挤裂切屑条件，进一 步减小前角，减低切削速度， 或加大切削厚度，就可以得 到单元切屑；反之则可以得 到带状切屑。
(4)崩碎切屑 (4)崩碎切屑
这是属于脆性材料的切屑 (加工灰铸铁、脆钢) 加工灰铸铁、脆钢) 塑性变形很不充分，即突然 崩裂而成为小块或粉末状 切屑。
1.3.2积屑瘤Built1.3.2积屑瘤Built-Up Edge
1.积屑瘤的形成 1.积屑瘤的形成 在切削区，金属材料层受到强烈的挤压和摩 擦，正压力和摩擦系数的乘积，即内摩擦 力大于金属材料的剪切强度，切屑底部一 部分金属就撕裂下来粘接在刀尖附近的表 面上，逐渐积成积屑瘤。
(1)积屑瘤特征 (1)积屑瘤特征
切屑的形成过程是工件受 到刀具的挤压而崩碎，无 塑性变形。如图：
A D
C B
滑移面AB，CD等与作用力P的方向大致呈45° 滑移面AB，CD等与作用力P的方向大致呈45°左右 角度。 AB，CD两侧还会产生一系列滑移面。 AB，CD两侧还会产生一系列滑移面。
1.3金属切削过程 1.3金属切削过程
金属切削过程是由挤压而产生的剪切过程。 这是俄国学者在1870年定义的 这是俄国学者在1870年定义的 在这个过程中会产生切屑，积屑瘤，切削力， 加工硬化和刀具磨损等物理现象。
1.3.1切削过程及切屑种类 1.3.1切削过程及切屑种类 1.切屑形成过程 1.切屑形成过程
(3)刀具角度 (3)刀具角度
1)前角增加，切削力减小。 1)前角增加，切削力减小。
切削力
γ0
2)后角增加，切削力减小。 2)后角增加，切削力减小。 3)主偏角kr增加，主切削力Fz减小，进给力Fx 3)主偏角k 增加，主切削力F 减小，进给力F 增加，切深抗力F 增加，切深抗力Fy减小。
金属切削过程
• ★ 磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口 前角为－60～ －85°） • ★ 磨粒及切削刃随机分布 • ★ 磨削厚度小（＜几μm），磨削速度高， 磨削点瞬时温度高（达1000℃以上）
磨削过程大致分为三个阶段：
1.滑擦阶段 工件表层产生弹
性变形和热应力
2.刻划阶段 产生塑性变形沟痕 隆起现象和热应力 3.切削阶段 切削厚度、切应力 和温度达一定值， 材料明显滑移形成切屑。
影响积屑瘤形成的主要因素
• 1、工件材料塑性韧性越好，越易形成； • 2、材料一定时，切削速度是主要因素，在 20m/min左右时最易形成； • 3、刀具前角、进给量影响； • 4、温度条件。
影响切削过程的主要因素
• 切削加工时，工件材料抵抗刀具切削所产 生的阻力称为切削力。它的主要来源有： 一方面是工件上的切削层产生的变形抗力； 另一方面是工件与刀、切屑与刀具的摩擦 力。通常把它分解为主切削力、背向力和 进给力三个分力。
影响切削力的因素
• 影响切削力的因素很多，主要有以下几个方面。 • （1）工件材料 工件材料的强度，硬度，加工硬化能力 以及塑性变形的程度都对切削力产生影响。一般材料的强 度愈高，硬度越大，加工硬化性越强，塑性变形越大，加 工此材料所需的切削力也越大。 • （2）切削用量 切削用量中对切削影响最大的是背吃刀 量，其次是进给量，切削速度影响最小。 • （3）刀具几何参数 • 刀具前角 • 在刀具几何参数中，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。
三、砂 轮
（一） 砂轮的特性要素与选择 砂轮是用各种类型的结合剂把磨料粘合起来， 经压坯、干燥、焙烧及车整而成的磨削工具。因 此，砂轮由磨料、结合剂及气孔三要素组成。 1．磨料 普通砂轮所用的磨料主要有刚玉类和碳化硅类， 表 9-1 列出了常用磨料的名称、代号、主要性能和用 途。
5.4金属切削过程
(2)切削用量
在切削用量中，切削速度对切削温 度的影响最大。 随着切削速度的提高，材料切除率 随之成正比例的增加。但随着切削速度 的提高，切屑变形相应减小，所以，切 削功和切削热虽然有所增高，但不可能 成正比例的增高，因此，切削温度也不 会成正比例的增高。
综上所述，切削用量对切削温度的 影响程度以切削速度为最大，进给量次 之，背吃刀量最小。 因此，若要切除给定的余量，又要 求切削温度较低，则在选择切削用量时， 应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选 择一个适当的进给量，最后再选择合理 的切削速度。 上述切削用量选择原则是从最低切 削温度出发考虑的，这也是制订零件加 工工艺规程时，确定切削用量的原则。
• 螺卷屑 • 长紧卷屑： • 普通车床上 较好 • 发条状卷屑： • 重型机床上 较好
• 宝塔状卷屑： • 自动机或 自动线上较 好 • 崩碎屑 ：
• 带状屑： • 高速切削塑性金属， 一般应力求避免 • C形屑 ： • 切削一般碳钢和合 金钢时，采用带卷 屑槽的车刀时易得， 较好 • 长紧卷屑： • 普通车床上较好 • 发条状卷屑： • 重型机床上较好 • 宝塔状卷屑：
形成积屑瘤的条件： 主要决定于切削温度。在切削温度很 低时,切屑与前刀面间呈点接触,摩擦系数 μ较小,故不易形成粘结；在温度很高时, 接触面间切屑底层金属呈微熔状态,起润滑 作用，摩擦系数也较小，积屑瘤同样不易 形成通过切削实验和生产实践表明，在中 温情况下切削中碳钢，温度在300～380C° 时，积屑瘤的高度最大，温度在500～ 600C°时积屑瘤消失。
剪切滑移线与三个变形区示意图
切屑的类型
• 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： 带状切屑； 挤裂切屑； 单元切屑; 崩碎切屑。
金属切削基本过程金属切削过程
2．积屑瘤对切削过程的影响 （1）使刀具前角变大 目 录（2）使切削厚度变化 （3）使加工表面粗糙度增
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（4）对刀具寿命的影响
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积屑瘤对切削过程的影响有积极的一
面，也有消极的一面。精加工时必须防止 积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：
（1）正确选用切削速度，使切削速 度避开产生积屑瘤的区域。 目 录 （2）使用润滑性能好的切削液，目 的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面 上一间页的（摩3擦）。增大刀具前角，减小刀具前刀面 下一与页切屑之间的压力。
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1.4.3.6刀具后刀面磨损的影响
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• 刀具后刀面磨损带宽愈大，切削力愈 大。
• VB对背向力Fp影响最显著。
1.5 切削热和切削温度
• 1.5.1切削热的产生和传出 • 1.5.2影响切削温度的主要因素
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1.5.1切削热的产生和传出
1.3.1 切削层的变形
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【切削层】切削过程中，刀具切削刃的 一个单一动作，或一个单程，或指只产 生一圈（层）过渡表面，所切除的工件 材料层。
•1.3.1.1 第一变形区 •1.3.1.2 第二变形区 •1.3.1.3 第三变形区
切削层的变形
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2. 刀具几何参数对切削温度的影响 3. 刀具磨损对切削温度的影响 4. 工件材料对切削温度的影响 5. 切削热对切削温度的影响 6. 切削液对降低切削温度有明显的效果
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1.5.2影响切削温度的主要因素
认识金属切削过程
9
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（1）轨迹法
轨迹法是指利用刀具做一定规律的轨迹运动对工件进行
加工的方法。利用轨迹法加工工件时，刀具切削刃与工件表 面之间为点接触，通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具 刀尖的运动轨迹来实现表面成形。
如图所示，刀尖的曲线运动和工件的回转运动相结合，形成了 回转双曲面。
每齿进给量：是指多齿刀具（如铣刀、铰刀等）每转过或移动一个齿相对工件在进给运动方向上的位
移，单位是mm/齿。 进给速度 vf 、进给量 f 和每齿进给量 fc 之间的关系如下：
vf nf nfz z
（2-2）
式中：n ——主运动的转速，r/s或r/min；
z ——刀具的齿数，齿/r。
15
三、切削用量
（a）平面的形成
（b）圆柱面的形成 （c）圆锥面的形成
7
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
普通螺纹的螺旋面可以看作是由“八”形线（母线）沿螺旋线（导线）运动而
形成的，如图d所示；
直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面可以看作是由渐开线（母线）沿直线（导
线）运动而形成的，如图e所示。
形成表面的母线和导线统称为发生线。
移量。已知：工件转速n为220 r/min，刀具每秒沿工件轴向移动1.6 mm，可得
（3）背吃刀量
f 60l 60 1.6 0.44 mm/r。 n 220
由于车外圆的主运动是工件的回转运动，因此根据式（2-3）和已知条件可得
ap
dw
dm 2
75 66 2
4.5 mm。
18
机械制造基础
11
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（3）展成法
展成法是指利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（1）轨迹法
轨迹法是指利用刀具做一定规律的轨迹运动对工件进行
加工的方法。利用轨迹法加工工件时，刀具切削刃与工件表 面之间为点接触，通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具 刀尖的运动轨迹来实现表面成形。
如图所示，刀尖的曲线运动和工件的回转运动相结合，形成了 回转双曲面。
每齿进给量：是指多齿刀具（如铣刀、铰刀等）每转过或移动一个齿相对工件在进给运动方向上的位
移，单位是mm/齿。 进给速度 vf 、进给量 f 和每齿进给量 fc 之间的关系如下：
vf nf nfz z
（2-2）
式中：n ——主运动的转速，r/s或r/min；
z ——刀具的齿数，齿/r。
15
三、切削用量
（a）平面的形成
（b）圆柱面的形成 （c）圆锥面的形成
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二、切削过程中工件的表面及其形成方法
普通螺纹的螺旋面可以看作是由“八”形线（母线）沿螺旋线（导线）运动而
形成的，如图d所示；
直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面可以看作是由渐开线（母线）沿直线（导
线）运动而形成的，如图e所示。
形成表面的母线和导线统称为发生线。
移量。已知：工件转速n为220 r/min，刀具每秒沿工件轴向移动1.6 mm，可得
（3）背吃刀量
f 60l 60 1.6 0.44 mm/r。 n 220
由于车外圆的主运动是工件的回转运动，因此根据式（2-3）和已知条件可得
ap
dw
dm 2
75 66 2
4.5 mm。
18
机械制造基础
11
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（3）展成法
展成法是指利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的
2[1].3金属切削过程
![2[1].3金属切削过程](https://img.taocdn.com/s3/m/6ade891aff00bed5b9f31d00.png)
积屑瘤对切削过程的影响
有利因素：
包覆在切削刃附近的前面上，减少磨损， 包覆在切削刃附近的前面上，减少磨损，保护切削刃 增大刀具的实际工作前角， 增大刀具的实际工作前角，减小切削力 粗加工：增大切削厚度， 粗加工：增大切削厚度，提高了生产率
不利方面： 不利方面：
当积屑瘤突出与切削刃外端时，引起过切量，切削力 ， 当积屑瘤突出与切削刃外端时，引起过切量，切削力↑， 影响零件尺寸精度 积屑瘤局部不稳定→切削力产生波动 切削力产生波动→引起振动 积屑瘤局部不稳定 切削力产生波动 引起振动 积屑瘤形状不规则→切削刃形状发生畸变 切削刃形状发生畸变→影响加工精度 积屑瘤形状不规则 切削刃形状发生畸变 影响加工精度 若积屑瘤被撕裂， 若积屑瘤被撕裂，一部分被切屑带走→加快刀具磨损 另一部分在已加工表面→形成毛刺→降低工件表面质量
刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近， 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， 中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离
二、切屑的类型及控制
从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态： 从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态：
切脆性材料 不平稳,表面粗糙 不平稳 表面粗糙 应↑γ0↑v↓ac
不妨碍正常的加工 不影响操作者的安全 易于清理、存放、搬运
积屑瘤 在速度不高切削塑性 金属形成带状切屑的情况 下，滞流层金属粘接在前 刀面上， 刀面上，形成硬度很高的 硬块，称为积屑瘤 硬块，称为积屑瘤。 原因： 原因：切屑与前刀面间 的强烈摩擦力
积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：降低工材塑性； 积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：降低工材塑性； 合理选切削速度；增大前角；减小进给量； 合理选切削速度；增大前角；减小进给量；采用润滑液等
2.4 金属切削过程
16
s NP NK KP y MK MK
cot tan( o )
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.4.2 切削变形的衡量方法
17
剪应变和变形系数的关系：
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.4.2 切削变形的衡量方法
3.剪切角
作用在切削上的力——前刀面：法向力Fn和摩擦力Ff 剪切面：法向力Fn和剪切力Fs。
机械制造技术基础 — 金属切削原理
36
2.4.5 积屑瘤
积屑瘤高度与切削速度的关系 Ⅰ区为低速区，不产生积屑瘤 Ⅱ区积屑瘤高度随切削速度增大而增高 Ⅲ区积屑瘤高度随切削速度增大而减小 Ⅳ区不产生积屑瘤
37
机械制造技术基础 — 金属切削原理
2.4.5 积屑瘤
（4）切削厚度
38
切塑性材料时，切削力、切屑与前刀面接触区长度都将 随切削厚度的增加而增大，将增加生成积屑瘤的可能性。 所以，在精加工时除选取较大的刀具前角，在避免积屑 瘤的产生切削速度范围内切削外，应采用减小进给量或 刀具主偏角来减小切削厚度。
（3）切削速度
切削速度主要是通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤的。 当刀具没有负倒棱时，在极低的切削速度条件下，不产生积 屑瘤。 以中碳钢为例，切削速度Vc<2m/min时，不产生积屑瘤。当 Vc>2m/min～30m/min时，积屑瘤从生产到生长到最大。也 即是说，切削温度为300℃ 左右时，切屑与刀具间的摩擦系 数最大，积屑瘤达到最高高度。随着切削速度相应的切削温 度提高，积屑瘤的高度逐渐减小。高速切削时(Vc> 120m/min)，由于切削温度很高(800℃以上)，切屑底层的滑 移抗力和摩擦系数显著降低，积屑瘤也将消灭。 所以我们日常精加工时，为了达到较低的已加工表面粗糙度 的办法是采用在刀具耐热性允许范围内的高速切削，或采用 低速(Vc<5m/min)切削，以防止积屑瘤的产生，提高已加工表 面的质量。
第2章 金属切削过程
⑶主偏角 主偏角κ r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗 力影响显著（ κr ↑—— Fp↓，Ff↑）
切削力/ N
2200
1800
1400 1000
κr - Fc
κr – Ff κr – Fp
FC—— 切削力(Fz) Ff—— 进给力(Fx) FP—— 背向力(Fy)
600 200 30 45 60
进给力Fx (Ff)
也称轴向分力，用Fx表示—总切削力在进给方 向的分力，是设计机床进给机构不可缺少的参数。 背向力 Fy（Fp） 也称径向分力，用Fy表示 —总切削力在垂直于
工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算
系统刚度，分析工艺系统振动所必须的参数。
三个分力FC、Ff、FP与合力F 合力F ＝
2、切削温度的分布
★ 切削塑性材料 ：
前刀面靠近刀尖处温度最高。
★ 切削脆性材料： 后刀面靠近刀尖处温度最高
750 ℃
刀 具
2.3.3 影响切削温度的主要因素
1.切削用量对刀具温度的影响
切削温度与切削用量的关系式为：
θ ＝ Cθ VcZθ fyθ apxθ 三个影响指数 zθ ＞yθ ＞xθ ，说明切削速度对切削 温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。
C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损 严重，磨损带最大宽度用VC表示 B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损 量VBmax；
3.边界磨损
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
2.4.2 刀具磨损的主要原因
1. 硬质点磨损
工件材料中含有硬质点杂质，在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。
金属切削过程
磨钝标准就是规定的刀具后面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值VB。这是衡量刀具是否应该刃磨或更换刀刃 的标准。
- 22 -
3.2 切削过程基本规律
5. 刀具寿命 刃磨后的刀具，自开始切削到磨损量达磨钝标准为止的总切削工作时间，称为刀具寿命，以T 表示。这是确定换刀时间
的重要依据。 刀具总寿命表示一把新刀用到报废之前总的切削时间，其中包括多次重磨。因此，刀具总寿命等于刀具寿命乘以重磨次
切削厚度是指过切削刃上选定点，在基面内测量的垂直于加工表面的切削层尺寸，单位为mm。
ac ＝ f sin κr
2. 切削宽度aw 切削宽度是指过切削刃上选定点，在基面内测量的平行于加工表面的切削层尺寸，单位为mm。
aw ＝ ap sin κr
3. 切削面积Ac 切削面积是指过切削刃上选定点，在基面内测量的切削层的横截面面积，单位为mm2。
- 17 -
3.2 切削过程基本规律
三、刀具磨损和刀具寿命
1. 刀具的磨损 刀具磨损分为正常磨损和非正常磨损。正常磨损是指刀具在设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，在切
削过程中逐渐产生的磨损。非正常磨损是切削过程中突然或过早产生的损坏现象，如脆性破损（崩刃、碎裂、剥落等）、卷 刃等。
正常磨损
金属切削过程
-1-
目录页
Contents Page
01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 03 切削过程基本规律应用
-2-
过渡页
Transition Page
01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 03 切削过程基本规律应用
-3-
3.1 金属切削过程
一、切削层及其参数
以车削加工为例，如图3.1 所示，工件转一转，车刀沿工件轴向移动一个进给量 f（mm / r），车刀切削刃从一个位置移至 另一个位置，在两个位置之间由车刀切削刃切下的一层金属称为切削层。在与切削速度方向相垂直的切削层剖面内度量的切削 层的尺寸称为切削层参数。 1. 切削厚度ac
- 22 -
3.2 切削过程基本规律
5. 刀具寿命 刃磨后的刀具，自开始切削到磨损量达磨钝标准为止的总切削工作时间，称为刀具寿命，以T 表示。这是确定换刀时间
的重要依据。 刀具总寿命表示一把新刀用到报废之前总的切削时间，其中包括多次重磨。因此，刀具总寿命等于刀具寿命乘以重磨次
切削厚度是指过切削刃上选定点，在基面内测量的垂直于加工表面的切削层尺寸，单位为mm。
ac ＝ f sin κr
2. 切削宽度aw 切削宽度是指过切削刃上选定点，在基面内测量的平行于加工表面的切削层尺寸，单位为mm。
aw ＝ ap sin κr
3. 切削面积Ac 切削面积是指过切削刃上选定点，在基面内测量的切削层的横截面面积，单位为mm2。
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3.2 切削过程基本规律
三、刀具磨损和刀具寿命
1. 刀具的磨损 刀具磨损分为正常磨损和非正常磨损。正常磨损是指刀具在设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，在切
削过程中逐渐产生的磨损。非正常磨损是切削过程中突然或过早产生的损坏现象，如脆性破损（崩刃、碎裂、剥落等）、卷 刃等。
正常磨损
金属切削过程
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3.1 金属切削过程
一、切削层及其参数
以车削加工为例，如图3.1 所示，工件转一转，车刀沿工件轴向移动一个进给量 f（mm / r），车刀切削刃从一个位置移至 另一个位置，在两个位置之间由车刀切削刃切下的一层金属称为切削层。在与切削速度方向相垂直的切削层剖面内度量的切削 层的尺寸称为切削层参数。 1. 切削厚度ac
金属的切削过程
常用90°偏刀。
m 消耗在切削过程中的功率。
Pm =(FZ *v+ FX * nw *f/1000)×1000-3
kw
机床电动机 功率:
PE≥ Pm/ ηm
指数公式: 材料愈脆，切削厚度Ac ↑，前角γ ↓ 例如:γ =15°κ = ：切屑底层与前刀面
o r 58~90%， 是计算机床动力的主要依
如45钢的切削力>Q235A的切削力； (2)刀具几何参数对θ的影响
3. (3)径向力FY 它使工件变形(特别是细长轴)，引起振动，影响加工精度，应设法减少，如车细长轴时 ,
调质钢、淬火钢的切削力＞正火钢的切削力； 3~9％切削热由刀具带走→刀具温度↑ →刀具磨损↑；
中→刀尖角↓ →散热条件↓→ θ↑
产生:切削层的变形，刀具与切屑间磨擦，刀具与工 件间的磨擦。 传出：50~85％切削热由切屑带走，对加工影响 不大；
10~40％切削热由工件带走→工件温度↑ →变形 →影响加工精度；
3~9％切削热由刀具带走→刀具温度↑ →刀具磨损 ↑；
不锈钢的切削力＞45钢的切削力。 (3)刀具磨损的影响 刀具磨损→ 刃变钝→刃区前方
FZ = p Ac = p ap f
来源：①克服工件材料的变形抗力 ②克服刀具与工 件间的磨擦力 ③克服刀具与切屑间的磨擦力
（2）切削用量的影响 流过→内磨擦→ 加工硬化→ 金
(2)轴向力FX 占的1~5%，易使车
第一变形区Ⅰ 0A~OE变形量最大；
Z c p 背吃刀量app ↑→切削区的热量虽增加，但刀刃的工作长度↑→改善散热条件↑→ θ升高不明显。
进给量f: f ↑→单位时间金属切除量↑→切削热↑→
κr: κr ↑→切削刃接触长度↓→切削热相对集
金属切削过程
名称 带状切屑
3.7切屑的类型与控制
（按切屑的形成机理 ）
挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
带状切屑
简图
节状切屑
形态 变形 形成条 件
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度 切削塑性材料， 速度高，切削厚 度小 前角大 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
节状，底面光滑有裂 粒状 纹，背面呈锯齿状 局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度 加工塑性材料， 工件材料硬度较 切削速度较低， 高，韧性较低， 进给量较大， 切削速度较低 刀具前角较小 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
调整切削速度
（↓Vc，↑Vc）
高速 （Vc>80-100）
中速 (Vc=5-50)
↓摩擦
（γo↑， ↓前刀面Ra值， 加切削液）
*** Vc=20-30 M/min 为积屑瘤高发区
加工硬化现象
演示
五. 切削热及切削温度
(Cutting Heat and Cutting Temperature) 1.切削热 （Cutting Heat）
产生 传散
切屑、刀具、工件、空气 % 50-80 20-40 3-9 1% 对切削加工的影响 刀具：体积小,゜c↑，HRC↓ 工件：薄、小工件变形，烧坏
2．切削温度
(Cutting Temperature) 高低 热的产生 散热条件 影响因素 工材： 强、硬度、导热性 切削用量 Vc>f>ap 刀具角度 γo 、κr 切削液
切屑颜色与切削区域温度
六、刀具的磨损与耐用度
(TOOL Wear and Degree of Durableness)
1．磨损
3.7切屑的类型与控制
（按切屑的形成机理 ）
挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
带状切屑
简图
节状切屑
形态 变形 形成条 件
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度 切削塑性材料， 速度高，切削厚 度小 前角大 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
节状，底面光滑有裂 粒状 纹，背面呈锯齿状 局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度 加工塑性材料， 工件材料硬度较 切削速度较低， 高，韧性较低， 进给量较大， 切削速度较低 刀具前角较小 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
调整切削速度
（↓Vc，↑Vc）
高速 （Vc>80-100）
中速 (Vc=5-50)
↓摩擦
（γo↑， ↓前刀面Ra值， 加切削液）
*** Vc=20-30 M/min 为积屑瘤高发区
加工硬化现象
演示
五. 切削热及切削温度
(Cutting Heat and Cutting Temperature) 1.切削热 （Cutting Heat）
产生 传散
切屑、刀具、工件、空气 % 50-80 20-40 3-9 1% 对切削加工的影响 刀具：体积小,゜c↑，HRC↓ 工件：薄、小工件变形，烧坏
2．切削温度
(Cutting Temperature) 高低 热的产生 散热条件 影响因素 工材： 强、硬度、导热性 切削用量 Vc>f>ap 刀具角度 γo 、κr 切削液
切屑颜色与切削区域温度
六、刀具的磨损与耐用度
(TOOL Wear and Degree of Durableness)
1．磨损
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(3)调整切削用量 提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有 利；但增大f会增大加工表面粗糙度; 适当地降低切削速度使切削变形增大， 也有利于断屑，但这会降低材料切除效 率。须根据实际条件适当选择切削用量 。
五、积屑瘤
积屑瘤现象：刀尖上急剧塑性变形而被强化的 硬度很高的的附着物－－生产中又称为刀瘤
五、积屑瘤
机械制造技术基础
本章内容
1.金属切削过程的实质是什么？ 2.切削力的分解及影响切削力的因素都有那些？ 3.切削热的来源及影响切削热的主要因素？ 4.刀具的磨损及影响刀具寿命的主要因素？
第二章 金属切削过程
1.什么是 金属切削过程？ 2.金属切削过程中会出现 哪些现象？
第二章 金属切削过程
1.什么是金属切削过程？
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层变的变形程度。
hch Ld Ah hD L ch
说明： 1、同一工件材料，若切削条件不同， 则切削厚度压缩比不同； 2、不同工件材料，即使切削条件相同， 切削厚度压缩比不同； 3、用切削厚度压缩比反映切削变形比 较简单、直观，但很粗略,只在一定条件 下反映切削变形。前角=0-30，Ah>1.5
主切削力Fc（N）
981
784 588
5 19 28 35 55 100 切削速度 v（m/min） 130
切削速度对切削力的影响
影响切削力因素
3 刀具几何角度影响
◆ 前角γ0 增大，切削力减小 ◆ 主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗 力影响显著（ κr ↑—— Fp↓，Ff↑）
切削力/ N 切削力F
从而影响已加工表面质量。
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。
已加工表面的形成过程
三、切削变形程度的表示方法 1. 剪切角φ
剪切角φ ↑ →剪切面 积↓→变形程度↓→切削力↓
剪切面 与切削速度(主 运动)方向之间的夹角 称为剪切角，用φ表示
图2-2 剪切角与切削变形
2.切削厚度压缩比（变形系数>1）
2.切削层参数 切削层参数共有三个，它们通常都在垂 直于切削速度v的平面内度量。 ⑴ 切削宽度：刀具主切削刃与工件接触的长 度。
车削外圆时切削宽度：
aw
ap sin kr
⑵切削厚度：刀具或工件每移动一个进给量， 主切削刃相邻两位置间的垂直距离。
车外圆时，切削 厚度：
ac f sin kr
⑶切削面积：工件被切下的金属层的截面积。
车外圆时：
Ac awac ap f
二、影响切削力的主要因素
2、切削用量的影响
◆切削深度与切削力近似成正比； ◆进给量增加，切削力增加，但不成正比； ◆切削速度对切削力影响不大（影响积屑瘤） 在切削加工时，
从降低切削力和
切削功率的角度 考虑，加大进给 量比加大背吃刀 量有利。
Lch LD
图2-3 切屑厚度压缩比四、 来自屑类型切屑类型及形成条件
名称 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
简图
形态 变形 形成 条件
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
粒状
不规则块状颗粒
未经塑性变形即 被挤裂 加工硬脆材料， 刀具前角较小
2200 1800 1400 1000
金属切削过程就是通过刀具把被切金属层 变成切屑的过程。 2.金属切削过程中包含有哪些现象？ 切 削变形、卷屑断屑、切削力、切削热、切削温 度、刀具磨损、已加工表面硬化和残余应力、积屑 瘤等。
第二章 金属切削过程
第一节 金属切削过程概述
一、金属切削过程的实质（塑性材料）
通过刀具把被切金属层变为切屑的过 程，其实质是一种挤压、剪切变形过程。 塑性金属的切削过程一般要经过弹性 变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段
局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小
切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低
第一变形区金属的滑移
第一变形区的切削变形是切削过程中切削力和切削热的主 要来源。
2. 第二变形区 （挤压和摩擦） 切屑沿刀具前面排出时会进一步受到 前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存 在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前 刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形。 这部分区域称为第二变形区（Ⅱ）。
切屑经第I、第Ⅱ变形区的剧烈变形后，硬 度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排 出过程中，当碰到刀具后刀面、工件上过 渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部 位的应变超过了切屑材料的断裂应变值， 切屑就会折断。
研究表明，工件材料脆性越大(断裂应变值小)、切屑厚度越 大、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断。可采取以下措 施对切屑实施控制： (1)采用断屑槽 通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定 的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。 断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则 会影响断屑效果。常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆 弧形和全圆弧形。
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。
3. 第三变形区
在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成 的变形区域称为第三变形区（Ⅲ）。 由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的
存在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切
除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀
具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，
从降低切削力和
切削功率的角度 考虑，加大进给 量比加大背吃刀 量有利。
主切削力Fc（N）
981
784 588
5 19 28 35 55 100 切削速度 v（m/min） 130
切削速度对切削力的影响
第四节
切削层参数与切削方式
切削层几何参数
1.切削层:工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻 两个加工表面之间的一层金属。
切削功率
3 P F v 10 c c
( KW )
式中
Fc —— 主切削力（N）； v —— 主运动速度（m/s）。
工作功率
进给功率很小，仅为工作功率的2-3%，所以
Pe Pc Fc vc 10
机床电机功率
PE
3
Pc
( KW )
式中 η —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
切屑底层金属与前刀面的粘结和加工硬化。
积屑瘤的形成条件
必要条件
加工塑性金属材料 中速切削
不使用切削液时容 易产生
5m/min 60m/min
积屑瘤改变刀具切削条件
刀尖被包裹起来 前角增大 切削深度变化 工件上的已加工 表面变粗糙
积屑瘤是否有害呢？
对工件的影响
C C C
加工表面的粗糙度增加（变差） 鳞刺可能就是因积屑瘤破裂形成的 切深变化－工件尺寸精度下降
可代替切削刃 进行切屑，减 少刀具的磨损
可减小切削变 形和切削力， 使切削轻快
不利方面
影响工件尺 寸精度
时大时小，时有时无，使切削 力产生波动而引起振动 积屑瘤的顶端突出于切削刃之外， 使实际的切削深度不断变化 积屑瘤破裂后会划伤表面，加 快刀具磨损
影响工件表 面粗造度 会形成硬点和毛刺，使工件表面粗 造度值增大
挤压与切削
切屑的形成与切离过程，是切削 层受到刀具前刀面的挤压而产生以 滑移为主的塑性变形过程。 正挤压：金属材料受挤压时，最大 剪应力方向与作用力方向约成45°
45°
M
A F
O B a）正挤压
45° M A B O F
偏挤压：金属材料一部分受挤压时 b）偏挤压 ， OB 线以下金属由于母体阻碍，不 能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移 M 切削：与偏挤压情况类似。弹性变 O 形→剪切应力增大，达到屈服点→产 F 生塑性变形，沿 OM 线滑移 → 剪切应 c）切削 力与滑移量继续增大，达到断裂强度 →切屑与母体脱离。 金属挤压与切削比较
精加工应尽量避免积屑瘤
选择切削速度，（温度）避开产生积屑瘤的区域 高速：Vc>60m/min－－高速精加工 低速：Vc< 5m/min－－铰孔和拉削 适当提高工件材料硬度，降低塑性、减小加工硬化倾向 增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力 使用润滑性能好的切削液，减小切屑底层材料与刀具前刀 面间的摩擦 切削液的合理选择。
第二章 金属切削过程
第二节 切削力与切削功率
切削力是切削过程中刀具与工 件之间的相互作用力。
一、切削力的产生和分解
1、切削力的产生
a.是克服切屑形成过程中金属产生弹、塑性
变形的变形抗力所需要的力；
b.是克服切屑与刀具前刀面、刀具后刀面与
工件表面之间的摩擦阻力所需要的力。
切削力的来源
F f Fp
2
2
某种条件下：
Ff (0.4 ~ 0.5) Fc
Fp (0.3 ~ 0.4)Fc
F (1.12 ~ 1.18) Fc
Fc (0.85 ~ 0.89) F
工作功率Pe 和切削功率Pc
工作功率Pe :
定义：“同一瞬间切削刃基点的工作力与合成切 削速度的乘积”。 工作力 (Fe) ：是指总切削力在合成切削速度方向 的正投影，在工作平面中定义。 工作功率Pe也可以称为切削过程消耗的总功率。它 包括切削功率和进给功率两部分。
1.积屑瘤产生的原因
切削过程中，由于金属的挤压和强烈摩擦，使切屑与前刀 面之间产生很大的应力和很高的切削温度。当应力和温度条 件适当时，切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大，使得切屑 底层流出速度变得缓慢，形成一层很薄的“滞流层”，当滞 流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时，滞流层 的金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤.