金属切削过程及控制讲解
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第一章 金属切削过程及其控制(第一节)
轨迹法：利用切削运动中刀尖的运动轨迹形成被加工表面的形状。
轨迹法形成发生线需要一个独立的成形运动。
第一章 金属切削过程及其控制
第一节 金属切削过程的基本知识 发生线的形成方法——轨迹法
轨迹法：利用切削运动中刀尖的运动轨迹形成被加工表面的形状。
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的成形。 被加工表面的形状精度主要取决于机床切削运动的精度。 刀尖轨迹法是利用非成形刀具，在一定的切削运动下，由刀尖 轨迹获得零件所需表面的方法。
第一章 金属切削过程及其控制
1.2 加工表面和切削用量三要素 一、基本概念
（二）切削层及切削用量三要素——切削层 切削层是指在切削过程中，刀具的切削刃一次走刀所切
除的工件材料层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。
切削层形状、尺寸直接影响着切削过程的变形、刀具承 受的负荷以及刀具的磨损。
第一章 金属切削过程及其控制
为：简单成形运动和复合成形运动。
简单成形运动：如果一个独立的成形运动，是由单独的旋转运
动或直线运动构成的，则此成形运动称为简单成形运动。
一般以主轴的旋转，刀架或工作台的直线运动的形式出现，
用A表示直线运动，用B表示旋转运动。
第一章 金属切削过程及其控制
第一节 金属切削过程的基本知识 表面成形运动
的，也可以是断续进行的，可以由工件完成，也可以由刀具完成，可
以是简单运动，也可以是复合运动。
第一章 金属切削过程及其控制 （一）切削成形运动与加工表面 按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。 主运动：提供切削可能性的运 动。（速度最高，动力消耗最 大，有且只有一个） 进给运动：提供继续切削可能 性的运动。（速度低，有一个 或几个）
4技能训练应知篇之金属切削过程及其基本规律
（3）影响积屑瘤形成的因素 1）工件材料塑性大，加工时产生积屑瘤的可能 性大，加工脆性材料时，一般不产生积屑瘤； 2）切削速度过高或过低都不会产生积屑瘤，中 等速度范围内最易产生，如图4-9所示；切削速 度是通过切削热变化来体现 出对积屑瘤形成的影响的； 3）刀具前角大，能减小切 屑变形和切削力，降低切削 温度，能抑制积屑瘤产生或 减小积屑瘤的高度； 4）切削液可减少切削热和 图4-9 切削速度对 改善摩擦，抑制积屑瘤产生。 积屑瘤的影响
四、切削变形程度的衡量
衡量切削变形常用切削变形系数Λh、剪切应变ε 和剪切角 作为衡量切削变形程度的指标。 1．切应变ε（也称剪应变或相对滑移） 它是反映切削变形中金属滑 移本质的系数，切削层中m'n' 线滑移至m"n" 位置时的瞬时 位移为Δy，实际上Δy的值 很小，滑移量为Δs。滑移量 Δs越大，说明变形越严重。 由右图所示几何关系可得出 以下相对滑移关系表达式：
在整个刀-屑接触区内的正应力 分布情况是， 在刀刃处最大，离切削刃越远，前刀面上的 正应力越小，并逐渐减小到零。在前刀面刀 -屑接触区内，各点的正应力和切应力是不 相等的，所以，前刀面上各点的摩擦状态是 不同的，刀-屑摩擦系数也是变化的。且内 摩擦系数远远大于外摩擦系数的值。 一般切削条件下，来自粘结区的摩擦力约占 切削过程中总摩擦力的85%，可见，内摩擦 在刀-屑接触摩擦中起了主要作用，所以， 研究前刀面摩擦时应以内摩擦为主，这也是 切削摩擦不服从古典滑动摩擦法则的原因。
（2）第二变形区（也写成第II变形区） 是指刀-屑接触区域II。切屑沿前刀面流出 时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，切屑 卷曲，使朝向前刀面的切屑底层金属呈纤 维化，流线方向基本上和前刀面平行。 （3）第三变形区（也写成第III变形区） 指刀-工接触区域III。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 径向和切向弹性与塑性变形，造成工件已 加工表层晶粒纤维化与加工硬化。 三个变形区里的切削变形互相牵连，切削变 形是整体行为，是在极短时间内完成的。
切削过程及控制
一、 切屑的形成过程及切屑类型
1、切屑的形成过程
1）切削变形的力学本质
切削金属形 成切屑的过程是一个 类似于金属材料受挤 压作用，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生塑性变 形进而产生剪切滑移 的变形过程 。
实验表明，切屑(chips)的形成过程 是被切削层金属受到刀具前面的挤压作 用，迫使其产生弹性变形，当剪切应力 达到金属材料屈服强度时，产生塑性变 形。随着刀具前刀面相对工件的继续推 挤，与切削刃接触的材料发生断裂而使 切削层材料变为切屑。
2）积屑瘤的形成原因
当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作 用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使 这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。 当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时， 就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。
3）积屑瘤对起削过程的影响
总切削力在垂直于工 作平面方向的分力，
及计算刀具强度等必不可少的 参数。
Fp不消耗功率。但容 易使工件变形，甚至
进给力Fx (Ff)
可能产生振动，影响 工件的加工精度。是 进行加工精度分析、 计算工艺系统刚度以 及分析工艺系统振动
总切削力在进给方向的分力 ，进给力也作功，但只占总 功的1%～5%。是设计、校核 机床进给机构，计算机床进 给功率不可缺少的参数
切屑的变形和形成过程实际上经 历了弹性变形、塑性变形、挤裂、切离 四个阶段。
2）. 变形系数ξ
➢切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变 ➢形系数，用ξh 表示，ξh = ach/ac ；
而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变
➢形系数，用ξl表示，ξl=lc/lch 。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。
1、切屑的形成过程
1）切削变形的力学本质
切削金属形 成切屑的过程是一个 类似于金属材料受挤 压作用，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生塑性变 形进而产生剪切滑移 的变形过程 。
实验表明，切屑(chips)的形成过程 是被切削层金属受到刀具前面的挤压作 用，迫使其产生弹性变形，当剪切应力 达到金属材料屈服强度时，产生塑性变 形。随着刀具前刀面相对工件的继续推 挤，与切削刃接触的材料发生断裂而使 切削层材料变为切屑。
2）积屑瘤的形成原因
当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作 用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使 这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。 当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时， 就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。
3）积屑瘤对起削过程的影响
总切削力在垂直于工 作平面方向的分力，
及计算刀具强度等必不可少的 参数。
Fp不消耗功率。但容 易使工件变形，甚至
进给力Fx (Ff)
可能产生振动，影响 工件的加工精度。是 进行加工精度分析、 计算工艺系统刚度以 及分析工艺系统振动
总切削力在进给方向的分力 ，进给力也作功，但只占总 功的1%～5%。是设计、校核 机床进给机构，计算机床进 给功率不可缺少的参数
切屑的变形和形成过程实际上经 历了弹性变形、塑性变形、挤裂、切离 四个阶段。
2）. 变形系数ξ
➢切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变 ➢形系数，用ξh 表示，ξh = ach/ac ；
而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变
➢形系数，用ξl表示，ξl=lc/lch 。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。
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
金属切削过程及控制
图3－12 积屑瘤高度与切削速度关系示意图
4）积屑瘤对起削过程的影响
实际前角增大（图3-13）； 增大切削厚度（图3-13） ； 使加工表面粗糙度增大； 对刀具寿命的影响。
一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利 的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生， 但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。
图3－10
切屑和前面摩擦情况示意图
六、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
1）什么是积屑瘤
在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处粘 结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。
2）积屑瘤的形成原因
产生这种现象，是滞流层金属不断堆积的结果。
3）影响积屑瘤的因素
积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度 有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。
三、影响切削力的因素
1. 工件材料
•影响较大的因素主要是工件材料 的强度、硬度和塑性。 •材料的强度、硬度越高，则屈服 强度越高，切削力越大。 •在强度、硬度相近的情况下，材 料的塑性、韧性越大，则刀具前面 上的平均摩擦系数越大，切削力也 就越大。
2. 切削用量
进给量f和背吃刀量ap
进给量f和背吃刀量ap增加，使切 削力Fc增加，但影响程度不同。 进给量f 增大时，切削力有所增 加；而背吃刀量ap增大时，切削 刃上的切削负荷也随之增大，即 切削变形抗力和刀具前面上的摩 擦力均成正比的增加。
第一节 金属切削过程及切屑类型 一、切屑的形成过程
1．切削变形的力学本质
切削金属形成切屑的 过程是一个类似于金属材 料受挤压作用，产生塑性 变形进而产生剪切滑移的 变形过程 （图）。
2．切屑形成过程模型
图3－1
图
第一章 金属切削过程中的基本规律讲解
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。
③增大切削厚度 切削厚度增大了ΔhD。
④增大已加工表面粗糙度
原因：积屑瘤不规则的形状和非周期性的生成与脱 落、可能引起的振动、积屑瘤碎片残留在已加工表面 上。
积屑瘤
（3）影响积屑瘤的主要因素
在滑动区内的摩擦为外摩擦，该处的剪应力τy 由τs 逐渐减小到零。
正应力σγ 在刀刃处最大，离切削刃越远，前刀面上 的正应力越小，并逐渐减小到零。
刀-屑接触面上的摩擦特性
刀-屑接触面上的摩擦特性
前刀面上的摩擦系数μ是变化的，其计算公式如下：
s av
式中 τs ——工件材料的剪切屈服强度，随温度升 高而略有下降
响比较明显，前角γ0 对切削力的影响最大。
切削热的产生和传出
（1）切削热的产生 切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全 部转换为热能，因此三个变形区就是三个发热源。如 下图所示。
切削热的产生和传出
（2）切削热的传出 由切屑、刀具、工件、周围介质传导出去。
车削钢料时，切削热被切屑带走约50% ~ 86%，传入 刀具的约占10% ~ 40%，传入工件的约为3% ~ 9%，传入 周围介质的约占1%。
相对滑移ε
切削层中m´n´线滑移至m˝n˝ ，瞬时位移为∆y ， 滑移量为∆s 。
cos o
sin cos( o )
增大前角γo 和剪切角φ,则
相对滑移ε减小，即切削
变形减小。
变形系数ξ
将切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，可知切 屑的长度缩短而厚度增加。 变形系数就是切屑厚度和 切削层厚度的比值，或者是切削层长度和切屑长度的 比值。
②增大前角 积屑瘤具有30°左右的前角。
③增大切削厚度 切削厚度增大了ΔhD。
④增大已加工表面粗糙度
原因：积屑瘤不规则的形状和非周期性的生成与脱 落、可能引起的振动、积屑瘤碎片残留在已加工表面 上。
积屑瘤
（3）影响积屑瘤的主要因素
在滑动区内的摩擦为外摩擦，该处的剪应力τy 由τs 逐渐减小到零。
正应力σγ 在刀刃处最大，离切削刃越远，前刀面上 的正应力越小，并逐渐减小到零。
刀-屑接触面上的摩擦特性
刀-屑接触面上的摩擦特性
前刀面上的摩擦系数μ是变化的，其计算公式如下：
s av
式中 τs ——工件材料的剪切屈服强度，随温度升 高而略有下降
响比较明显，前角γ0 对切削力的影响最大。
切削热的产生和传出
（1）切削热的产生 切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全 部转换为热能，因此三个变形区就是三个发热源。如 下图所示。
切削热的产生和传出
（2）切削热的传出 由切屑、刀具、工件、周围介质传导出去。
车削钢料时，切削热被切屑带走约50% ~ 86%，传入 刀具的约占10% ~ 40%，传入工件的约为3% ~ 9%，传入 周围介质的约占1%。
相对滑移ε
切削层中m´n´线滑移至m˝n˝ ，瞬时位移为∆y ， 滑移量为∆s 。
cos o
sin cos( o )
增大前角γo 和剪切角φ,则
相对滑移ε减小，即切削
变形减小。
变形系数ξ
将切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，可知切 屑的长度缩短而厚度增加。 变形系数就是切屑厚度和 切削层厚度的比值，或者是切削层长度和切屑长度的 比值。
切削过程
图1-35 卷屑槽的卷屑机理
15
图1-36
卷屑槽的截面结构
16
图1-37 卷屑槽方向
图1-38 刃倾角对排屑方向的影响
17
图1-39
C形屑折断形式
18
图1-40 精车时的长螺卷屑
19
图1-41 发条状切屑碰到工件切削表面上折断
20
图1-42 C形切屑撞在工件上折断
21
图1-43 切屑碰在后刀面上折断
①脆性刀具材料破损 刀具破损前，刀具切削部分无明显的塑性变形，称为脆性破 损。硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具材料的硬度 高、脆性大常发生脆性破损，一般表现分为以下几种形式： 崩刃、 碎裂、 剥落、热裂。
②塑性刀具材料破损 由于高温高压的作用，刀具会因切削部分发生塑性流动而迅 速失效，称为塑性破损。形式：卷刃（塑性变形使刀具几何 角度）变化）、烧刃（刀具材料金相组织变化）。
22
1.2.3 切削力
（1）切削力的来源
图1-44 切削力的来源
23
（2）切削合力和分力
切削力分解为三个互相垂直的分力： 切削力Fcc——切削合力在主运动方向上的分力， 或称切向分力。 背向力Fp—— 切削合力在垂直于工作平面上的分力， 或称径向力。 进给力Ff—— 切削合力在进给方向上的分力， 或称轴向力。
6
（4）剪切滑移变形的度量 一般采用剪切角φ 、变形系数∧h和剪应变ε 三个参 数来衡量。
图1-22 金属切削层滑移过程示意图
7
变形系数定义为切屑厚度hch与切削层厚度hD之比， 或用切削层长度lc与切屑长度lch之比。
图1-23 变形系数Λ h的计算参数
8
剪应变也称相对滑移，ε =NP/MK 。
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。
金属切削过程及控制
第3章金属切削过程及其控制3.1 概述■金属切削过程通过刀具从被加工表面切除多余材料而获得预定的尺寸精度和形状、位置精度的过程。
■金属切削过程中所涉及的主要问题●工件材料及其切削加工性能●切削力、切削热●刀具材料、角度●刀具变形、磨损●积屑瘤、残余应力●切屑控制3.2 金属切削加工的基本概念Basic Concepts About Metal Cutting■主运动v c（T——直线运动R——回转运动）■进给运动v f■合成切削运动v e■定位调整运动3.2.2 加工表面■待加工表面■已加工表面■过渡表面3.2.3 切削用量切削用量——切削时各种参数的总称。
包括：切削三要素●切削速度●进给量●背吃刀量（切削深度）■切削速度v c单位时间内工件和刀具沿主运动方向的相对位移。
切削速度的单位为m/s，用v c 表示。
●主运动为回转运动（R）时Vc=πdn/1000*60n——主运动（工件或刀具）的转速（r/min）；d——工件或刀具接触部位的最大直径（mm）。
●主运动为往复直线运动（T）时，Vc=2Ln/1000*60L——每次往复运动的行程长度（mm）；nr——主运动每分钟的往复次数（str/min）。
■进给量 f主运动一个循环（回转一周或往复一次），工件与刀具沿进给方向上的相对位移。
进给量用 f 表示，单位是mm/r 或mm/str。
每齿进给量fz （对多点刀具）f=z*f z进给速度V f=n*f=n*z*f z■背吃刀量（切削深度）ap主切削刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值——已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。
3.2.4 切削层截面参数■切削层（公称）厚度■切削层（公称）宽度■切削层（公称）横截面积3.3 金属切削刀具Metal Cutting T ools3.3.1 刀具结构●外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成●车刀的切削部分由3个刀面、2个刀刃和1个刀尖组成刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合3.3.2 刀具标注角度参考系（刀具静止参考系）设计标注、刃磨、测量刀具角度的基准.⑴基面Pr ：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。
金属工艺学第一章 金属切削基础知识
主要的影响因素
切削速度 （切中碳钢） <5m/min不产生 5~50m/min形成
控 制 措 降低塑性 施
(正火、调质)
>100 m/min不形成 选用低速或高速
冷却润滑条件
300~500oC最易产 生 >500oC趋于消失
选用切削液
第三节 金属切削过程
三、切削力与切削功率
1、切削力的构成与分解
切削力的来源
热处理变形 不需要
用途
各种刀片
1200
（12~14）
高硬度钢材 精加工
人造金刚石
HV10000 (硬质合金为 HV1300~1800)
700~800
不宜加工钢铁材 料
第二节 刀具材料及刀具构造
三、刀具角度
各种刀具的切削部分形状
第二节 刀具材料及刀具构造
二、刀具角度
1、车刀切削部分的组成
三面
两刃 一尖
（2）作用 ①冷却 ②润滑
第三节 金属切削过程
五、刀具磨损和刀具耐用度
1、刀具磨损形式
（1）前刀面磨损 （2）后刀面磨损 (通常以后刀面磨损值VB表示刀具磨损程度) （3）前后刀面同时磨损
2、刀具磨损过程：
前面磨损、后面磨损、前后面同时磨损 。 刀具磨损过程： 初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段
刀尖高低对刀具工作角度的影响
车刀刀杆安装偏斜对刀具角度的影响
② 进给运动的影响
第二节 刀具材料及刀具构造
三、刀具结构
刀具的结构形式很多，有整体式、焊接式、机夹 不重磨式等。
目前一般整体式的多为高速钢车刀，其结构简单， 制造、使用都方便。而对于贵重刀具材料，如硬质合 金等，可采用焊接式或机夹不重磨式。焊接式车刀结 构简单、紧凑、刚性好，可磨出各种所需角度，应用 广泛。
金属切削过程的基本理论和规律
• 金属切削过程中的变形一、切屑的形成过程1．变形区的划分切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。
图2-10是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图。
流线表明被切削金属中的某一点在切削过程中流动的轨迹。
切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：（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前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，基本上和前刀面平行。
这一区域（图中Ⅱ区）称为第二变形区。
（3）第三变形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，造成表层金属纤维化与加工硬化。
这一区（图中Ⅲ区）称为第三变形区。
在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以与随之产生的加工硬化。
OA称作始滑移线，OM称作终滑移线。
当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。
晶粒伸长的方向与滑移方向（即剪切面方向）是不重合的，它们成一夹角ψ。
在一般切削速度X围内，第一变形区的宽度仅为0．02－0．2mm，所以可以用一剪切面来表示（图2－12）。
剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角，以φ表示。
2．切屑的受力分析在直角自由切削的情况下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上的正压力Fns和剪切力Fs；这两对力的合力互相平衡，如图2－14所示。
如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力F c和F p，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角β，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数μ。
二、切削变形程度切削变形程度有三种不同的表示方法，分述如下。
1．变形系数在切削过程中，刀具切下的切屑厚度h ch通常都大于工件切削层厚度h D，而切屑长度l ch却小于切削层长度l c。
切屑厚度h ch与切削层厚度h D之比称为厚度变形系数；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数。
切削过程及控制
（3）刀具几何参数 （4）刀具磨损
1)前角γo↑→塑性变形和摩擦 ↓→切削温度↓（图）。但前角 不能太大，不然刀具切削部分 旳锲角过小，容热、散热体积 减小，切削温度反而上升。 2)主偏角κr↑→切削刃工作接触 长度↓，切削宽度bD↓，散热条 件变差，故切削温度↑（图）。
（5）切削液
利用切削液旳润滑功能 降低摩擦系数，降低切削热 旳产生，也可利用它旳冷却 功用吸收大量旳切削热，所 以采用切削液是降低切削温 度旳主要措施。
1-硬质点磨损； 2-粘结磨损；3-扩散磨损；4-化学磨损
三、刀具磨损过程及磨钝原则
1.刀具磨损过程 2.刀具旳磨钝原则
图3-30
•早期磨损阶段（Ⅰ） •正常磨损阶段（Ⅱ） •剧烈磨损阶段（Ⅲ）
刀具磨损到一定程 度就不能继续使用，这 个磨损程度称为磨钝原 则。磨钝原则旳详细数 值可从切削用量手册中 查得。
第三章 切削过程及控制
在金属切削过程中，一直存在着刀具切 削工件和工件材料抵抗切削旳矛盾，从而产 生一系列物理现象，如切削变形、切削力、 切削热与切削温度以及有关刀具旳磨损与刀 具寿命、卷屑与断屑等。
研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理 论, 对有效控制切削过程、确保加工精度和表 面质量，提升切削效率、降低生产成本，合理 改善、设计刀具几何参数，减轻工人旳劳动强 度等有主要旳指导意义。
图 切削厚度与变形系数旳关系
图 前角对变形系数旳影响
图 刀尖圆弧半径对变形系数旳影响
八、切屑旳类型
图3－15 切屑类型
a) 带状切屑 b) 挤裂切屑
图3－15 切屑类型
C）单元切屑 d ) 崩碎切屑
九、已加工表面旳形成过程
图3－16 已加工表面旳形成过程
第二节 切削力
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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Fxnw f 1000
×10-3（KW）—— 进给运动消耗的功率，占 总消耗功率的5%左右。
切深抗力方向没有位移，因此不消耗功率。
总消耗功率：Pm=（Fzvc+
Fxnw f 1000
）×10-3
机床电机功率：
PE
Pc
(KW )
式中 η —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
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教案十
教案九
3.1 切削过程与切屑类型
安徽工程大学
切削变形实验设备与录像装置
教案九
3.1 切削过程与切屑类型
直角切削
没有副刃参加切削，且λs = 0°。
a）直角切削
b）斜角切削
c）不自由切削
直角、斜角自由切削与不自由切削
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教案九
3.1 切削过程与切屑类型
一、切屑成形过程及切削变形区的划分
切屑
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教案十 3.1 切削过程与切屑类型
断屑槽在前刀面的位置有三种型式： （a）平行式；（b）外斜式；（c）内斜式。 ➢ 其中外斜式最常用，平行式次之。内斜式主要用于
背吃刀量ap较小的半精加工和精加工。
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教案十 3.1 切削过程与切屑类型
改变刀具角度 ➢ 增大刀具主偏角，切削厚度变大，有利于断屑。
滞留层 （3）滞留层脱离 （4）新的滞留层产生 （5）积屑瘤不断的生成、
脱落
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教案十
3.1 切削过程与切屑类型
3、积屑瘤对切削过程的影响
◆增大前角，减小切削变形 和切削力 ◆降低加工精度 ◆增大已加工表面粗糙度 ◆影响刀具寿命
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教案十
3.1 切削过程与切屑类型
4、控制积屑瘤的措施
➢切削脆性材料 产生崩碎切屑，切削过程不平稳,表面粗糙度大， 应↑γ0↑v↓hD
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教案十 3.1 切削过程与切屑类型
切
屑
类
带状切屑
型
（
视
频
）
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单元切屑 切屑形态照片
挤裂切屑 崩碎切屑
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教案十 3.1 切削过程与切屑类型
2、切屑的控制 ➢控制切屑的意义
➢断屑机理及措施
➢ 减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断。 ➢ 刃倾角可以控制切屑的流向，为正值时，切屑常卷曲 后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑； 为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形 屑或6字形屑。
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教案十 3.1 切削过程与切屑类型
调整切削用量 ➢ 提高进给量使切削厚度增大，对断屑有利；但增大
教案十
切削力Fz 2）切深抗力Fy 3）进给力Fx
Fr FZ2 FX2Y FZ2 FY2 FX2
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教案十
3.2 切削力
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教案十
3.2 切削力
3、切削功率
Fzvc×10-3（KW）——主运动消耗的功率 ，占总 切
削功率的95%左右。
（1）正确选择切削速度 （2）使用润滑性能好的切削液 （3）增大刀具前角 （4）适当提高工件材料硬度。
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3.1 切削过程与切屑类型
四、切屑的类型及控制
1、切屑的类型
➢切削塑性材料
带状切屑
挤裂切屑
单元切屑
切削平稳，力波动小 滑移量较大，局部 切削不平稳，力波动大 加工面光洁，断屑难 剪应力达断裂强度 加工表面粗糙 少见
3.2 切削力
二、切削力的计算及经验公式
1、计算切削力的指数公式
Fz
CFz
a X Fz p
f YFz
V nFz
KFz
Fy
CFy
a X Fy p
f YFy
V nFy
KFy
Fx
CFx
a X Fx p
f YFx
V nFx
KFx
CFz、CFy、CFx——与被加工金属材料和切削条件有关的系数；
切屑经第Ⅰ、第Ⅱ变形区的剧烈变形后，硬度 增加，塑性下降，脆性增加。在切屑排出过程中， 当碰到障碍时，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。
工件材料脆性越大、切屑厚度越大、切屑卷曲半 径越小，切屑就越容易折断。
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教案十 3.1 切削过程与切屑类型
采用断屑槽
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。
切屑与切削层尺寸
变形系数Ah的计算
教案十
3.1 切削过程与切屑类型
影响切削变形的因素
1、切削厚度 2、刀具角度 3、切削速度
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教案十
3.1 切削过程与切屑类型
三、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
1、形成前提：
（1）工件材料的塑性；（2）切削速度；
2、积屑瘤生成过程
（1）产生新鲜表面 （2）温度和压力下，产生
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。
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教案十
3.2 切削力
一、切削力的来源、切削合力及分解、切削功率
1、切削力的来源
★ 切削层金属、切 屑和工件表面金属 的弹、塑性变形所 产生的抗力 ★ 切屑、工件与刀 具间摩擦阻力
安徽工程大学
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教案九
3.1 切削过程与切屑类型
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教案九
3.1 切削过程与切屑类型
晶粒滑移示意图
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教案九
3.1 切削过程与切屑类型
二、变形程度的表示方法
——变形系数Λh ◆ 厚度变形系数
h
hch hD
cos( ) sin
◆ 长度变形系数
L
LD Lch
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Lch LD
金
M
属
终滑移线
切 削A
变
形
Φ剪切角
刀具
过
程 始滑移线：τ=τs
（
视
O
频
）
切屑根部金相照片
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教案九
3.1 切削过程与切屑类型
金属切削过程中的滑移线和流线示意图
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教案九
3.1 切削过程与切屑类型
三个变形区分析
➢ 第Ⅰ变形区：金属切削 过程的塑性变形主要集中 于此区。
Ⅱ Ⅰ
Ⅲ
切削部位三个变形区
➢ 第Ⅱ变形区：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Ⅲ变形区：造成已加工面加工硬化和纤维化的主要原因。
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教案九 第3章 金属切削过程与控制
3.1 切削过程和切屑 3.2 切削力 3.3 切削热、切削温度和切削液 3.4 刀具的磨损和刀具耐用度 3.6 切削用量的合理选择 教学目的：掌握切削的三个变形区；了解切屑的基本类型； 掌握切削力的组成及计算方法；掌握切削热的产生以及对刀 具寿命的影响。 教学重点：1．金属切削过程中所产生的物理现象及其 内在规律及应用；2．刀具耐用度和刀具总寿命；3．合理 选择切削用量的原则和方法；
xFz、xFy、xFx——背吃刀量ap的影响指数；