第三节 金属切削过程物理现象
金属切削过程及其物理现象
之一
切削层金属经过第I、II变形区的挤压和摩擦变形，切屑的长 度将减小，厚度将增加。这种现象称为切屑收缩。切屑收缩 是切削层金属塑性变形的有力证据。 切削收缩的程度可用变形系数来表示ξ，用下式计算
ξ = ac/a = l/lc
式中：a、l分别为切削层的厚度和长度 ac、lc分别为切屑的厚度和长度，
教学光盘（30”）
10
影响积屑瘤的因素
工件材料
塑性越大，越容易产生积屑瘤 当工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤的主要因素 规律：高速或低速不易产生积屑瘤
切削速度
刀具角度 切削液
11
控制积屑瘤的措施
提高或降低切削速度 增大刀具前角 使用润滑性能较好的切削液
总之：减小切屑流走时的阻力和摩擦力，都会减小积屑瘤的 高度或避免积屑瘤挤裂切屑）
条件：v较低、f较大、 γ 0较小、加工塑性金属； 特征：靠近前刀面一侧有裂纹（贯穿或不贯穿），另 一面锯齿状
6
切屑的种类
C:崩碎切屑
特征：碎屑 条件：切削脆性材料
7
注意
各种不同切屑的形成，主要是由于切削过程中 金属的变形能力和变形程度不同造成的
切屑的各种形态之间是可以转化的
常常伴随着残余应力和表面裂纹，使材料的疲劳强度 下降，并且使下道工序的工序的加工困难，还会引起 零件的变形。 增大刀具前角、减小刃口圆弧半径、限制后刀面磨损 以及采用合适的切削液等
减轻措施
13
小结
切削变形
切削变形机理 现象
1. 2.
切屑收缩 不同切屑种类
第三节金属切削过程中的变形
2、第二变形区（纤维化） 第二变形区（纤维化）
（2）剪切角Φ与前刀面上摩擦角β的关系 作用在切屑上的力有 前刀面上的法向力Fn、摩擦力Ff、剪切面上的正压力Fns和剪应力Fs。 简化后作用在切屑上的力 Fr为切削合力、 Φ为剪切角、 β是Fn与Fr之间的夹角摩擦角、Fz是切 削运动方向的分力、和Fy是与运动方向垂直的分力。
a)积屑瘤的形成 切削加工时，切屑与前刀面发生强烈摩擦而形成新鲜表面接触。当接触面具 有适当的温度和较高的压力时就会产生粘结（冷焊）。于是，切屑底层金属 与前刀面冷焊而滞留在前刀面上。连续流动的切屑从粘在刀面的底层上流过 时，在温度、压力适当的情况下，也会被阻滞在底层上。使粘结层逐层在前 一层上积聚，最后长成积屑瘤。 所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与 金属材料的硬化性质有关，也与刃前区 演示1 积屑瘤形成过程 演示2 演示3 的温度和压力分布有关。一般说来，塑 性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生 积屑瘤；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。走刀量保持一定时， 积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
二、切削层金属的变形
以直角自由切削方式切削塑性材料为基础模型研究切屑形成过程。
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。
二、切削层金属的变形
1、变形区划分 2、第一变形区（剪切滑移） 第一变形区（剪切滑移） 3、第二变形区（纤维化） 第二变形区（纤维化） 4、第三变形区（纤维化与加工硬化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）
1、变形区划分
根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑的形态大体可划分为三个变形区 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）
第二章第三节 金属切削过程及其物理现象
五．变形程度的表示方法
1. 剪切角 2. 相对滑移或剪应变 3. 变形系数 a / l
六． 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响
特征：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度 减慢，甚至滞留在前刀面上； 切屑弯曲； 由摩擦产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高。
1. 2. 3. 4.
七． 积屑瘤的形成及其对切削过程的影切 屑的情况下，加工一般钢料或其他 塑性材料时，常常在刀具前刀面粘 着一块剖面有时呈三角形的硬块。 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， 能够代替切削刃进行切削。这块冷 焊在前刀面上的金属就叫积屑瘤。
第三节 金属切削过程及其物理现象
一． 国内外切削理论研究概述
1. 2. 3. 1870年，俄国学者基麦就开始了切削理论的研究工作，提出塑 性金属的切削过程是由挤压产生的剪切过程。 1913年~1916年，乌沙丘夫的研究使人们对切削过程的认识 由外部深入到内部。 1907年，美国学者泰勒(Taylor)发表了（On the Art of Cutting Metal）一书，提出了著名的切削速度与刀具耐用度关 系式（著名的泰勒公式），对生产应用产生了重大影响。 1941年，美国学者麦钱特（Merchant)发表了（Mechanics of the Metal Cutting Process)的著名论文，提出了塑性金属 切削是剪切过程的力学模型，推导了剪切角的理论公式。
4.
5.
6.
在Merchant之后，诸多学者对剪切角的理论推导，剪切角与变形 的关系以及切削速度对切屑变形的影响进行了广泛的研究。如美国 学者李-谢弗、苏联学者佐列夫、澳大利亚学者奥克斯利、日本学 者中山一雄、日本学者臼井英治、华裔学者赵佩之、美国学者阿尔 伯莱特等都各自做出了一定的贡献。 1981年起，在刘培德教授的带领下，大连理工大学机械系金属切 削原理与刀具教研室的多位老师开展了切削理论的研究。取得的成 果有： 提出了正交切削时刃前区应力分析的新模型（带弯矩的切削力学模 型） 证明了切削过程中存在弯矩，弯矩的存在使切屑发生弯曲。通过一 定手段控制弯矩的大小及正负控制切屑的卷曲与折断，从而发展了 断屑理论。解决了诸多生产难题，如上海宝钢无缝钢管厂在西德产 数控车床上螺纹加工的断屑问题。
金属切削原理基本理论
当刀具作用于切屑层，切削刃由a相对运动至 O时，整个切削单元OMma就沿着OM面发生剪 切滑移；或者OM面不动，平行四边形OMma 受到剪切应力的作用，变成了平行四边形 OMm1a1 。
实际上切屑单元在刀具前面作用下还受到挤 压，因而底边膨胀为Oa2，形成近似梯形的切 屑单元OMm2a2 。
许多梯形叠加起来就迫使切屑向逆时针方 向转动而弯曲。因此也可以说，金属切削过程 是切削层受到刀具前面的挤压后，产生以剪切 滑移为主的塑性变形，而形成为切屑的过程。
一） 切屑的形成过程 我们将切屑形成过程近似地比拟为推挤一叠卡片的形象化模型。
刀具
工
件
切屑形成过程模拟
金属被切削层好比一迭卡片1´、2 ´ 、3 ´ 、4 ´…等,当刀具切入 时这迭卡片被摞到1、2、3、4….的位置。卡片之间发生滑移，这滑 移的方向就是剪切面。
当然卡片和前刀面接触这一端应 该是平整的，外侧是锯齿的、或呈不 明显的毛茸状。
金属切削的基本物理现象包括：切削变形、切削力、切削温度、 刀具磨损与刀具耐用度。本章将针对这些现象进行阐述。
§ 3-1 切削变形
切削过程中的各种物理现象，都是以切屑形成过程为基础的。 了解切屑形成过程，对理解切削规律及其本质是非常重要的，现以塑性 金属材料为例，说明切屑的形成及切削过程中的变形情况。
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区——剪切滑移变形； 第Ⅱ变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区——挤压变形； 第Ⅲ变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区——已加工表面变形。
三） 第一变形区内金属的剪切变形
追踪切削层上任一点P，可以观察切屑的变形和形成过程。
当切削层中金属某点P向切削刃逼近，到达点1时，此时其剪切应力达到材 料的屈服强度τ s，故点1在向前移动 的同时，也沿OA滑移，其合成运动 使点l流动到点2。2- 2 ´为滑移量， 当P点依次到达3、4点后，其流动方 向与前刀面平行，不再沿OM线滑移。 OA称为始剪切滑移线，OM称为终 剪切滑移线。
第二章金属切削过程的物理现象
◆切削力影响刀具的磨损和使用寿命。 ◆切削力影响加工精度。 ◆是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。
二、切削力的产生
1、来自工件的切削力：工件材 料被切过程中所发生的弹性变 形和塑性变形的抗力。
2、来自切屑的切削力：切屑对 刀具前刀面的摩擦力和加工表 面对刀具后刀面的摩擦力。
三．切削力的分解和切削功率
简言之，被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过 剪切滑移变形便形成了切削。
金属切削过程中的三个变形区
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层 内产生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区；
第Ⅲ变形区 近切削刃处已加 工表层内产生的变形区 （后刀 面与工件的接触区域）
1、第一变形区 （剪切滑移区）
Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件逐 渐形成，随着切削速度的提高积屑 瘤也增大。
Ⅲ区：积屑瘤随切削速度的 提高而减小，当达到Ⅲ区右 边界时，积屑瘤消失。
Ⅳ区：切削速度进一步提高，由 于切削温度较高而冷焊消失，此 时积屑瘤不再存在了。但切屑底 部的纤维化依然存在，切屑的滞 留倾向也依然存在。
4）刀具的前角
2）切削温度
切削温度也是形成积屑瘤的重要条件。切削 温度过低，粘结现象不易发生；切削温 度过高， 加工硬化现象有削弱作用，因而积屑瘤也不易产 生。
对于碳钢，300ºC～ 350ºC范围内最容易产 生积屑瘤， 500ºC以上趋于消失。
3）积屑瘤与切削速度的关系
Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状 或节状切屑，没有积屑瘤生成。
进给抗力Ff：切削合力F在进给运动方向的合力，车外圆 时，Ff与工件的轴线相平行，因此又称轴向分力。Ff作用 在机床的进给机构上，它是设计进给机构必须的数据。
1.2金属切削过程及其物理现象
磨削过程的特点
磨削过程与刀具切削过程相比，具有如下主要特点： ① 负前角切削是磨削的一大特点。砂轮的前角0平均为 - 65°～ - 80° 。 ② 磨削过程是无数磨粒对工件表面进行切削、刻划、摩擦、 抛光的综合作用过程。
③ 背向磨削力Fp大。Fp作用于砂轮切入方向，使砂轮轴和工件 均产生弯曲变形，影响工件的形状精度和表面质量。减少这 种影响的措施是增加光磨次数或采用辅助支承。 ④ 磨削温度高。工件表层温度可高达 1000℃以上，易产生烧伤 和热变形。减少这种影响的措施是施加大量切削液。 ⑤ 加工硬化和残余应力严重。 及时修整砂轮，施加足够 的切削液，增加光磨次数， 可减少这种影响。
a直角自由切削图214合力及其分力作用在前刀面的弹塑性变形抗力fny作用在前刀面的摩擦力ffy合力fr作用在后刀面的弹塑性变形抗力fna作用在后刀面的摩擦力ffa切削力的分解及其应用背向力f比例关系
1.4 刀具切削过程及其基本规律 一、切屑形成过程
1．切削过程的实质 金属切削过程是通过刀具把被切金属层变为切屑的 过程，其实质是一种挤压变形过程。
2）工件材料：
① 若HB↑ ， b ↑,则Q ↑； ② 若λ ↓ ，则Q↑。 3）刀具角度： ① 若0 ↑ ，则Q↓ ；
② 若Kr↓,则Q↓。
4）切削液： 合理施加切削液，则Q↓。
3. 积屑瘤
1.定义： 用中等切削速度切削塑性金属时，往往在刀具前刀面的 刃口处牢固地粘结着一小块很硬的金属。 2．产生条件)
切削力的计算 公式 ：Fc =FdAc=FdapfN Ff 、Fp可根据不同切削条件，由Fc乘以一定系数求得。 切削功率 1）切削功率Pc
① 定义：同一瞬间切削刃基点上的切削力与切削速度的乘积。 ② 公式： F V
第二章 第三节 金属切削过程及物理现象
⑶第Ⅲ变形区 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层 金属也将发生塑性变形。这部分称为第及变形程度的表示方法
⑴ 第Ⅰ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅰ变形区的变形特征 沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化现象。 ⑶ 从金属晶体结构的角度理解第一变形区的变形 沿滑移线的剪切滑移变形就是沿晶格中晶面的滑移，设工件原材料晶粒 为圆形，当受剪应力时，晶格内的晶面就发生位移，使晶粒呈椭圆形。 ⑷ 变形区的宽度(始滑移线OA至终滑移线OM之间的宽度） 在一般切削速度范围内，仅为0.02~0.2mm，很窄。 切削速度越高，始滑移线OA后移至OA’的程度就越大，变形区的宽度就 越窄。所以第Ⅰ变形区可近似用一个面来表示。 ⑸ 剪切面及剪切角υ 剪切面——工件待加工表面与切屑顶面的交线O’O’和刀尖所在直线OO所组成 的平面。 剪切角υ——剪切面与切削平面的夹角，即在正交平面内剪切线OO’与速度v 的夹角。
3、第Ⅱ变形区的变形
⑴ 第Ⅱ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅱ变形区的变形特征 沿前刀面方向产生剧烈的剪切塑性变形并随之产生加工硬化现象。表 现为切屑 层沿前刀面方向出现严重纤维化，流动速度减缓，甚至会停止在前刀面上；切屑产生 弯曲；同时产生大量的摩擦热。
底
4、第Ⅲ变形区的变形
⑴ 第Ⅲ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅲ变形区的变形特征 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层 金属产生纤 维化并随之产生加工硬化。
Fr—切削力（切屑形成力）→ Fr方向就是主应力方向。 Fs—是剪切面上的剪切力 → Fs方向就是最大剪应力方向。 据材料力学可知：主应力与最大剪应力之间的夹角应为π/4。 故由受力分析图可知：υ＋β－γo= π/4 → υ = π/4 ＋ γo － β（李和谢弗剪切角公式—根据塑性区剪切模型推导出） 另一公式： υ = π/4 ＋ γo/2 － β/2（麦钱特剪切角公式——根据单一剪切面模型推 导出） 由公式可知： γo↑——υ ↑ → 剪切滑移变形减小。 β ↑——υ ↓ → 剪切滑移变形增大。 所以，在保证切削刃强度的前提下，增大前角γo ；提高刀具刃磨质量或加切削液减 小前刀面上的摩擦即β 减小，均可减小切削变形，切削力随之减小对切削有利。
金属切削中的物理现象
10
2. 切削力
切削力的来源： 切削力的来源： 被切削材料的弹性、 被切削材料的弹性、塑性变形抗力 刀具与切屑、 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力
11
切削力的分解
1）主切削力Fz （切向力） ）主切削力 切向力） 2）切深抗力 y （径向力） 径向力） ）切深抗力F 3）进给抗力 x （轴向力） 轴向力） ）进给抗力F
mV 工件
刀具
金属丝
小孔
30
热电偶
4. 刀具磨损及耐用度
刀具失效： 刀具失效：磨损和破损
刀具的磨损形态
31
塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度 塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度KT
32
原因： 原因： •前刀面上过高的切 前刀面上过高的切 削温度引起扩散磨损 改进方法： 改进方法： •降低切削速度 降低切削速度 •减小走刀 减小走刀 •采用正前角刀片， 采用正前角刀片， 采用正前角刀片 更耐磨的刀片材质或 涂层 •避免积屑瘤 避免积屑瘤
经验公式
x Fz f y Fz Fz = C Fz a p
切削力的测定： 切削力的测定： 1、测定机床功率，计算切削力 、测定机床功率， 2、用测力仪测量切削力 、
v
n Fz
K Fz
20
3. 切削热和切削温度
切削力做功转化为切削热： 切削力做功转化为切削热：
切屑
刀具
工件
切削热的来源与传出
21
影响热传导的因素： 影响热传导的因素：导热系数和加工方法 加工方法 车削 铣削 钻、镗削 磨削 切屑 50~86% 70% 30% 4% 工件 3~9% <30% >50% >80% 刀具 10~40% 5% 15% 12%
机械制造技术基础 知识点
第一章金属切削基本知识目录第一节切削加工的运动的分析与切削要素一、切削运动二、切削加工过程中的工件表面三、切削要素第二节金属切削刀具一、刀具的构成二、刀具切削部分的基本定义三、刀具角度四、刀具角度的换算五、刀具角度标注实例六、刀具工作角度七、 刀具材料1、刀具材料的基本要求2、常用刀具材料第三节切削过程中的物理现象一、金属切削层的切削变形二、影响切削变形的主要因素三、切削力和切削功率四、切削热和切削温度五、刀具磨损及刀具寿命金属切削加工的目的： 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。
金属切削加工必须具备的两个基本条件： 切削运动和刀具。
工件表面的成形方法工件表面的成形原理：任何表面都可以看成是一条线（母线）沿着另一条线（导线）的运动轨迹。
注意 ：1、平面、直线形成的表面和圆柱面的导线、母线可以互换，有些表面如圆锥面、螺旋面等不能互换。
2、有些表面发生线完全相同，只因母线的原始位置不同，可以形成不同的表面。
3、同一表面母线和导线不同，可以有不同的成形方法。
4、根据这些工件表面的成形原理，人们发明了车、铣、钻、镗、磨等机床。
工件表面的成形方法发生线的成形方法2、轨迹法3、展成法4、相切法工件表面的成形运动表面成形运动是保证得到工件要求的表面形状的运动。
图2-1-6工件的旋转运动产生母线，刀具的直线运动产生导线。
图2-1-7工件的旋转运动产生导线，刀具的纵向进给和横向进给的合成的直线运动产生母线。
第一节 切削运动与切削要素一、切削运动1．主运动2．进给运动3．合成切削运动1．主运动主运动：刀具与工件之间主要的相对运动，它使工件材料由被切削层转变为切屑，形成工件的新表面。
(1)主运动方向 切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。
(2)切削速度v c切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。
2．进给运动进给运动：刀具与工件之间附加的相对运动，它使工件被切削层不断投入切削，形成已加工表面。
第三章金属切削过程的基本规律
Fp随λ s增大而减小，
Ff随λ s增大而增大
2.刀尖圆弧半径rε的影响
rε 增大相当于κ r减小的影响
（1）rε 对Fc影响很小 （2）Fp随 rε 增大而增大
Ff随 rε 增大而减小
3．刀具磨损
刀具的切削刃及后刀面产生磨损后，会使 切削时摩擦和挤压加剧，故使切削力 Fc 和 Fp 增 大。
2 f
Fp FD cos r ; F f FD sin r
（3-5）
二、各分力的作用 1、切削分力的作用---切削力Fc（主切削力Fz）
它是设计机床主轴、齿轮和计算主运动功率的主要依据，也 是用于选用刀杆、刀片尺寸、设计夹具和选择切削用量的重 要依据。使车刀产生弯矩，也是计算切削功率的依据
Fc——切削力，单位为N； vc——切削速度，单位为m/min。 Pc——切削功率，单位为kW。
3
四、影响切削力的因素
（一）切削用量的影响
1．背吃刀量ap与进给量f
ap↑→Ac成正比↑， kc不变， ap的 指数约等于1，因而
切削力成正比增加
f↑→Ac成正比↑，但 kc略减小， f 的 指数小于1，因而 切削力增加但与f 不成正比
(二)切削温度分布
温度分布规律 1)刀-屑接触面间摩擦大， 热量不易传散，故温度值 最高
2)切削区域的最高温度点在前面上近切削刃处， 在离切削刃1mm处的最高温度约900℃，因为 在该处热量集中，压力高。在后面上离切削刃 约0.3mm处的最高温度为700℃；
3)切屑带走热量最多，切屑上平均温度高于刀具 和工件上的平均温度，因切屑剪切面上塑性变 形严重，其上各点剪切变形功大致相同。各点 温度值也较接近。工件切削层中最高温度在近 切削刃处，它的平均温度较刀具上最高温度点 低2～3倍。
第三节__切削热和切削温度
三、影响切削温度的主要因素
切削温度高低取决于两个方面：产生的热量和散热速度。 产生的热量少，散热速度高，则切削温度低；或者上述之一起主导作 用，也会降低切削温度。 因而，凡是能影响产生的热量和散热速度的因素均会影响切削温度的高低
学习目的
通过对切削热的来源、切削温度的分布及影响因素进行
研究，以便控制切削热和切削温度对切削过程的影响。
学习内容
一、切削热的来源及传出 二、切削区的温度及其分布 三、影响切削温度的主要因素
一、切削热的来源及传出
1、切削热来源
1）被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功， 这是切削热的一个重要来源。 2）切屑与前刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 3）工件与后刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 因此，切削时共有三个发热区域 剪切面 切屑与前刀面接触区 后刀面与过渡表面接触区
所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。
根据切削理论，切削变形和摩擦而产生的热量.
在剪切面上的塑性变形产生的热量最多。 单位时间内产生的切削热的计算公式
Q —单位时间内产生的切削热（J/s）； Fc—主切削力（N）； Vc—切削速度（m/s）。
注：该公式中忽略了进给运动所消耗的功率，且假定主运动所消耗的功全部转化为热能。
3）实际意义： 从降低切削温度的角度出发，切削用量的选择原则：为提高切削效率， 应优先选用较大的背吃刀量，其次增加进给量，最后确定刀具和机床性 能允许的最大切削速度。
机械制造技术第3章 金属切削中的物理现象及基本规律
（3）实验证明，切削速度降低一倍，切削 温度降低30%左右；走刀量降低一倍，切 削温度降低15%左右；而吃刀深度降低一 倍时，切削温度只降低7%～8%。如果要 降低切削温度，首先要降低切削速度。
（4）适当减小主偏角，可增加刀刃的散热 长度和刀尖处的散热面积，也能降低切削 温度。
3.1.4 刀具磨损和耐用度
但刀瘤在切削时，经常被切屑带走， 其高度不断变化，切削厚度就有变化，使 切削过程产生振动。 刀瘤有时还会嵌入或粘附在已加工表 面上，使已加工表面的粗糙度下降，如图 3.4（b）所示。
图3.4
刀瘤
（3）避免刀瘤产生的措施
① 采用高速或低速切削。 ② 增大刀具的前角、研磨刀具的前刀面、 使用切削液，都可以减小切削变形和摩擦， 避免产生刀瘤。
3.2.3 刀具的几何参数及其对切削性能的影响
1．刀具的组成
（1）前刀面（Ar） （2）主后刀面（Aa） （3）副后刀面（Aa'）
（4）主切削刃 （5）副切削刃 （6）刀尖 （7）过渡刃
1—刀柄；2—前刀面；3—副切削刃；4—副后刀面； 5—刀尖；6—后刀面；7—主切削刃
图3.11
刀具各部分名称
图3.l
切屑形成的四个阶段
切屑的形成过程，主要是在图3.2所示 的I变形区内进行滑移。
图3.2
三个变形区
（2）切屑的种类
① 带状切屑 ② 节状切屑
2．刀瘤
（1）刀瘤的生成
图3.3
切屑的种类
（2）刀瘤的利弊
刀瘤的硬度很高，约为工件材料硬度 的3倍左右。 因此它可以代替刀刃进行切削。 刀瘤产生时，增大了前角，使切削工 作轻快省力，这对粗加工有些好处。
1．刀具磨损
（1）刀具磨损的原因
金属切削过程中的物理现象
式中 Fz－主切削力（N）
v－主运动切削速度（m/min）
Pm
Fz
v103 60
kW
机床电动机所需功率PE:
式P E中
Pm
－
PE
Pm
机床传动效率。
教学ppt
22
四、影响切削力的因素
总切削力的来源有两个方面： 一是克服被加工材料对弹性变形和塑
性变形的抗力； 二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力
和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区；
教学ppt
第Ⅲ变形区 近切削刃处已加 工表层内产生的变形区 （后刀 面与工件的接触区域）
4
1、第一变形区 （剪切滑移区）
切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切
屑，下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成
过程。
切削层受到刀具前
影响切屑力的主要因素有：工件材料、 切削用量、刀具几何参数、其它因素。
教学ppt
23
1.工件材料的影响
工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈 高，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。
在材料的强度、硬度相近的情况下，材料的塑性越大。 韧性越大，则切削力越大。 ◆塑性大的材料在切削过程中将产生较大的塑性变形和加 工硬化，且切削与前刀面的接触时间长，故切削力较大； ◆韧性大的材料，使之发生变形或破坏需消耗较多的能量， 故切削力较大。
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28
3.刀具几何参数的影响
1） 前角ro对切削力的影响;
对塑性材料
前角go↑ 刀刃锋利↑
对脆性材料
切削变形↓
切削力
影响较小
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第三节-金属切削过程及物理现象
d)崩碎切屑 金属切削过程及其物理现象
切削速度及进给量 刀具前角
不同切屑形成原因： 不同切屑形成原因：
低硬度和高热物理性能的工件材料： 在很大切削速度范围内易形成连续带状切屑
硬度较高和低热物理特性的工件材料： 在很宽的切削范围均形成锯齿状切屑，随切削温度 升高，锯齿化程度增加，直至形成分离的单元切屑 但形成锯齿状切屑，将引起一定的切削力波动。
第三节
金属切削过程及其物理 现象
“可接受”的切屑标准：不妨碍正常的加工；不影 响操作者的安全；易于清理、存放和搬运。 实际生产中切削控制的措施：在前刀面上磨制出 断屑槽或使用压块式断屑器。
第三节 金属切削过程及其物理现象
断屑槽的基本形式：
L：切屑在前刀面上的接触长度 R：卷屑槽半径
第三节 金属切削过程及其物理现象
第三节
金属切削过程及其物理 现象
通过分析积屑瘤产生原因可以得出防止积屑瘤的主 要方法：
1. 2.
降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易 发生； 采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应 温度； 采用润滑性能好的切削液，减小摩擦； 增大刀具前角，以减小切屑于前刀面接触区的压力； 适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
3. 4. 5.
LU型 LU型：将5°、7°、11°正型刀片 11° 加以系列化。 加以系列化。刀片材质备有金属陶 瓷涂层“ 瓷涂层“T3000Z”、金属陶瓷 涂层“ “T1200A”、涂层“New AC2000”、 “AC700G”、“ACZ310”5类。 LUW型 顶角为80 菱形， 80° LUW型：顶角为80°菱形，将7°、 11°正型刀片系列化。 11°正型刀片系列化。通过与涂层 及涂层金属陶瓷3种材质的组合， 及涂层金属陶瓷3种材质的组合， 共计有12种产品。 12种产品 共计有12种产品。
第3节金属切削过程中的物理现象
总切削力： F＝Fγ+Fα Fγ= FγN +Fγf Fα= FαN+ Fαf
1、切削力的分解：
• 切向力Fc：总切削力在主 运动方向上的正投影，消 耗功率最多，占机床总功 率的95%-99%；
单位切削力，就是指切除单位切削面积的材料 时产生的主切削抗力，可表示为：
切削功率
• p=Fc/AD（N/mm2）
切削过程中，由于克服主切削力而消耗的功率， 常用于校核机床主电机的功率。
影响切削力的因素 （1）工件材料的影响 （2）切削用量的影响 • 切削深度ap：切削深度增加时，切削面积将正比增
加，切削力亦会正比增加。 • 进给量f：f增大时，切削面积正比增大；但由于切
3、影响散热条件的因素
（1）工件材料的导热系数： （2）刀具材料的导热系数： （3）改善散热条件：
三、积屑瘤
积屑瘤是指在中低切削速度切削塑性金属时，常在刀尖 附近长出一个“瘤”状硬质金属块。
四、残余应力与加工硬化
1. 残余应力： 指在外力消失后，残存在材料内部而总体上又 保持平衡的内应力。 残余应力通常会影响加工精度的稳定性，不利于产品性能 的保持，因此应在加工中设法减小残余应力。
• 进给力Ff：总切削力在进 给运动方向上的正投影， 只消耗机床总功率的5%-1%；
• 背向力Fp：总切削力在垂 直于工作平面上的分力。
总切削力F:
F Fc2 Fp2 Ff 2
在基面内切削力的分布：
Fp Ffp cos Kr
Ff Ffp sin Kr
2、单位切削力与切削功率
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第三节金属切削过程物理现象教学目标：要求学生掌握金属切削过程的基本规律、切削过程中影响加工质量的因素，了解提高加工质量的途径教学重点：切削过程的基本规律、切削力、切削热、刀具的磨损、刀具的使用寿命教学难点：切削过程的基本规律、积屑瘤研究金属切削过程意义在金属切削过程中，工件材料在刀具的作用下发生弹、塑变形，从而产生：（1）产生切削变形形成切屑。
存在卷屑与断屑等问题。
（2）产生切削力。
存在工艺系统变形等问题。
（3）产生切削热并使切削区域温度升高，存在加工精度和表面质量等问题（4）刀具的磨损及其他现象。
研究金属切削过程的目的：掌握金属切削过程的基本规律，（1）对影响切削过程的各种因数加以有效的控制，保证加工精度和表面质量，提高切削加工效率，降低生产成本和劳动强度（2）寻找切削加工中存在的问题及解决途径2 切屑形成过程概述：金属切削过程的实质：金属材料在刀具的挤压下产生剪切滑移变形金属切削过程理论的建立基础：实验：（1）侧面方格变形观察法（2）用快速落刀法获得切屑根部。
通过对这两个实验的观察和分析，切削过程中的切削变形大致可分为三个区域：1、第一变形区2、第二变形区3、第三变形区（插图）1.第一变形区：部位：从OA面到OM的AOM区域。
OA：始滑移面；OM：终滑移面注:OA面、OM面实际上是许多等应力曲面中的两个。
变形过程：在OA面的前方晶粒首先发生弹性变形，在OA面处晶粒沿OA方向开始发生剪切滑移，到OM面处晶粒的剪切滑移基本完成。
故这部分区域也称为剪切滑移变形区。
注:由于始滑移面OA与终滑移面OM之间的距离很小(约0.02～0.2mm)，故可用剪切面OM 表示。
剪切面与切削速度Vc方向之间的夹角称剪切角，用φ来表示。
特点：第一变形区的变形量最大，占总变形量的85%以上，故也称为基本变形区。
2.第二变形区：部位：切屑与刀具前刀面接触的极薄一层金属内。
原因：第一变形区产生的切屑存在弹性变形，在排出时切屑给刀具的前刀面产生一个正压力，且切削时存在高温，在刀/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纤维化，其方向基本上和前刀面相平行。
根据变形的特征，这部分也叫做前刀面挤压、摩擦变形区*、第二变形区的大小，对第一变形区有影响用第二变形区大剪切角φ小,切削变形大4.第三变形区：（1）部位：已加工表面上极薄的一层金属层（2）原因:刀刃有钝圆有一点o：o点上面的金属，进入第一变形区形成切屑；o点下面的金属，被刀刃压入工件表面基体形成已加工表面。
该层金属与刀具后刀面接触、产生弹性、塑性变形。
塑性变形使晶粒纤维化。
第三变形区也常称为后刀面的挤压、回弹，摩擦变形区当后角αo小，刀刃钝时，晶粒纤维有时会拉断，产生微观裂纹。
∴第三变形区对已加工表面质量有直接影响归纳1.第一变形区内:剪切滑移变形2.第二变形区内:挤压与摩擦变形3.第三变形区内:挤压与摩擦变形3 切屑的种类工件材料不同, 切削条件不同, 切削过程中的变形程度也就不同, 产生的切屑也不同。
带状切屑(带状切屑)：特征:内表面是光滑的, 外表面是毛茸呈带状;形成条件:塑性材料, 切削厚度较小, 切削速度较高,刀具前角较大时,容易得到这类切屑。
对切削过程的影响:切削过程比较平稳; 塑性变形均匀; 切削力波动小; 已加工表面粗糙度较小。
缺点：切屑不易处理节状切屑(挤裂切屑)：特征:切屑外表面呈锯齿形, 内表面有裂纹形成条件:比形成带状切屑的切削速度略低、切削厚度较大,工件材料塑性较差的情况下产生。
粒状切屑(单元切屑)：特征:梯形状粒状切屑当切屑形成时, 如果整个剪切面上剪应力超过了材料的破裂强度, 则整个单元被切离, 成为梯形状粒状切屑形成条件:切削速度更低、切削厚度更大,工件材料塑性更差的情况下产生。
崩碎切屑：特征:不规则的碎块状切屑, 同时使工件加工表面凹凸不平形成条件:切削脆性金属,切削脆性金属时,由于材料的塑性很小、抗拉强度较低, 刀具切入后, 切屑层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就在张应力状态下脆断, 形成不规则的碎块状切屑, 工件加工表面由凹凸不平的小坑组成。
归纳起来, 可分为以下四种类型带状切屑、节粒状切屑(单元切屑/挤裂切屑)粒状切屑(单元切屑)崩碎切屑。
切屑的控制1.磨制断屑槽2.适当调整条件切削3.热处理4.改变工件材料的成份4 变形系数和相对滑移一、变形系数切屑变形的测量切屑厚度h ch通常都大于工件上切削层的厚度h D而切屑长度l ch却小于切削层长度(l D)。
Λl=lD/lch Λa=hch/hD工件上切削层变成切屑后宽度的变化很小, 根据体积不变原理, 显然Λa=Λl=Λ变形系数Λ一般大于11、变形系数Λ直观地反映了切屑变形程度2、变形系数Λ比较容易测量:l c是与切屑长度l ch对应的切削层长度;l ch可用保险丝量出。
Λ值越大, 表示切屑越厚，长度越短, 标志着切屑变形越大。
这个方法很简便, 但也很粗略。
表示切削变形有其局限性二、相对滑移切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，故用"相对滑移"衡量变形程度,是比较合理的。
6 积屑瘤现象及对切削过程的影响一、积屑瘤现象塑性材料，Vc不高，能形成带状切屑，工件材料有时会层积在刀具前刀面上，形成硬度高的楔块(工件材料硬度的2~3倍)，代替刀具进行切削这种硬度很高的楔块叫积屑瘤二、积屑瘤对切削过程的影响1增大已加工表面粗糙度,精度降低(不稳定,伸出量不均匀)2.增大前角3.增大切削厚度4.保护刀具加工种类不同,积屑瘤的利弊也不同粗加工: 加工表面质量的要求不高,积屑瘤对粗加工是有利的。
实际切削前角变大,切削力减小,能耗降低; 可加大切削用量, 使劳动生产率得以提高;积屑瘤还能保护刀具, 减少磨损。
精加工:精加工要求较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度,积屑瘤降低尺寸精度和增大已加工表面粗糙度。
所以, 积屑瘤对精加工是不利的。
三、积屑瘤的原因刀屑之间的冷焊切屑层的冷作硬化和强化影响积屑瘤的主要因素：工件材料的加工性能、切削速度、刀具前角和冷却润滑条件等。
*工件材料：塑性影响最大，塑性↑，切屑变形↑，刀屑间的摩擦↑，第二变形区的长度↑，越易产生积屑瘤。
加工硬度↓塑性↑的工件：用正火调质冷拨→强度、硬度↑，塑性↓→积屑瘤↓工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤生成的主要因素。
在V C很低或很高的切削条件下: 不会或产生很小的积屑瘤在某一速度范围内(一般钢料约为Vc=5～50m／min) 最容易产生积屑瘤。
当VC很低时：温度不高，刀屑间不易产生粘结，故不易产生积屑瘤；当VC很高时：切削温度高，切屑底层金属变软，滞流层易被切屑带走，积屑瘤随之消失。
故在精加工时，宜用低速或高速切削刀具前角：适当增大前角，切屑变形、切削力、切削温度↓→抑制积屑瘤的产生。
切削液、减小刀具表面的粗糙度、切削层厚度：有助于抑制积屑瘤的产生。
四、防止积屑瘤的主要方法是：（1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生（2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；（3）采用润滑性能好的切削液，减小磨擦；（4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀的面接触区的压力；（5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向（5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向3．响切屑变形的主要因素(1)工件材料: 工件材料的强度σｂ↓,塑性δ↑,切屑变形就↑。
σｂ↓,σｓ↓，在较小的应力作用下就会产生塑性变形。
δ↑的材料，连续进行塑性变形的能力强，在破坏之前的塑变大，因此切屑变形也就越大。
(2)刀具前角前角越大，倒刃钝圆半径越小，刀刃越锋利，切屑变形也就相应减小(3)切削速度切削速度对切屑变形的影响在有积屑瘤生成的切削速度范围内(图中为Vc<55m／min)，Vc通过积屑瘤来影响切屑变形。
Vc增加使积屑瘤增大时(Vc约在8～22m／min间)，刀具实际工作前角增大，切屑变形减小Vc再增加积屑瘤减小时(Vc大约在22～55m／min间刀具实际工作前角减小，切屑变形增大在无积屑瘤的切削速度区域，切屑变形程度只与切削速度有关。
Vc 增大时，切屑通过变形区的时间极短，来不及充分地剪切滑移即被排除切削区外，故切屑变形随切削速度的增加而减小(4)进给量 如前所述，切屑底层的金属，经过第一、第二变形区的两次塑性变形，其变形程度比切屑上层要剧烈得多。
进给量越大，切屑层公称厚度也越大，第二变形区的影响相对小一些。
所以，进给量越大，切屑平均变形程度λh 越小，二、切削力来源:工件材料塑性变形时的变形抗力、刀具前、后面上的内摩擦阻力。
这些力是分布力,经过合成得总切削力F 。
总切削力的作用:用来计算切削功率、设计和选用机床、夹具、刀具。
1．总切削力的分解和切削功率(1)总切削力的分解 为了应用和测量的方便，将F 分解成与主运动和进给运动方向相一致，形成三个分力。
1)切削力Fc ：在主运动方向上的分力。
耗功大的力，也称为主切削力或切向力是计算工艺装备的强度、刚度以及校验机床功率的原始数据之一。
2)背向力Fp ：垂直于工轴线的分力。
也称为径向力使工件变形、产生振动，对加工精度、加工表面质量影响较大。
Fp 是计算工艺系统刚度及变形量的原始数据之一。
3)进给力Ff ：与工件轴线平行的分力，也称为轴向力Fr 是计算刀具、机床和夹具的强度、刚度以及校验机床进给功率的原始数据之一总切削力F 先分解为Fc 和FD ，然后再将FD 分解为Fp 和Ff ，如不考虑副切削刃的切削作用以及其它造成流屑方向改变的因素的影响，总切削F 就在刀具的正交平面内，故有一般 Fc 最大，Fp 和Ff 小一些。
随着刀具几何参数、刃磨质量、磨损情况和切削用量的不同，Fp 和Ff 相对于Fc 的比值在很大的范围内变化。
Fp=(0．15～O ．7)FcFf=(0．10～0．6)Fc(2)切削功率:力和力作用方向上运动速度的乘积就是功率，切削功率是第一变形区内的剪切功和第二、第三变形区内的摩擦功的总和切削功率是各切削分力所作功的总和外圆车削中:Fc 与切削速度VC 方向同 Fp 方向的速度为零，即Fp 不作功Ff 与进给速度vf 方向同,由于Ff 小于Fc,Vf 又比VC 小得多，因此，Ff 所作的功仅占1％～2％，所以切削功率Pc(kW)常仅根据Fc 和VC 来计算，3．影响切削力的因素凡是影响切削变形抗力和摩擦阻力的因素，都会影响总切削力3、影响切削力的因素：工件材料、切削用量、几何参数(1)工件材料：1、 2、工件塑性↑、韧性↑→ 摩擦↑→Fc ↑3、脆性材料 →没有塑变→Fc ↓(二)切削用量：1、asp:asp ↑→bD ↑→切削层面积↑→Fc 以1：1比例上升2、f:f ↑→hD ↑→切削面积↑→Fc ↑ 综合f ↑→Fc ↑f ↑→ hd ↑→Λ↓→Fc ↓ 但不成比例↑↑→↑→c s b F HRC τσ、Vc 只对塑性材料有影响，对脆性材料没有影响，因为脆材没有什么塑变。