第三章 金属切削过程的基本规律

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
粒状
局部剪切应力达到断 剪切应力完全达
裂强度
到断裂强度
加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小
二、切削热的传递：
第二变形区： 30%的热量
Q=Q屑+Q刀+Q工+Q介 在不使用冷却液的情况下：
Q屑>Q刀>Q工>Q介
第三变形区： 10%的热量
三、切削温度
1. 切削温度分布： 2. 切削温度：
“指切削区（切屑与 前刀面接触区）的 平切均削温脆度性材料时
最高温度区域
切削塑性材料时 最高温度区域
三、切削温度及分布
进给机构强度的依
据。
F Fc2 Ff2 Fp2
Ff FD sin
Fp FD cos
三、切削力的计算
由实验获得经验公式：
F C a f K (N ) 注意：
xFc
yFc
①c计算公式F由c 实验p测得，式中的各项应F按c照实验时的单
位计算。即：aP：xmFpm，f：myFmp /r
★ 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。
二维切削中的温度分布
工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm，
vc =0.38m/s； 切削条件：干切削，
预热611C
750℃ 刀具
切削碳钢时：
200℃以下 220℃ 270℃
工件
刀具
金属丝
小孔
mV
人工热电偶
四、影响切削温度的因素分析
1. 工件材料:
HB、σb↗
切削抗力↗ 功耗↗
45#钢为例：
热处理 HB
σb
正火 187
60
调质 229
75
淬火 44HRC 148
θ℃ 100% 125% 145%
θ℃↗
四、影响切削温度的因素分析
2. 切削用量对切削温度的影响：
vc、f、ap↗
四、单位切削力
“单位面积上的主切削力”：
KC
Fc AD
Fc f ap
估算切削力：
(N / mm 2 )
Fc KC AD KC f a p
五、切削功率
Pc
Fc vc 1000
机床总功率：
(kw)
PE
Pc
0.75 ~ 0.85
单位切削功率
“单位时间内切下单位体积金属所需的功率”
Ps
4. 蹦碎切屑：
形 形特产成点状生原：：条因件：： 切 的 材强挤性规切切冲加切则工压变削削料度击碎屑削的表时形过力塑低，块呈脆碎面几便程波性，振状块粗乎脆不动动差受不性。糙。没断平大大前，材规。有成稳刀抗，，料则塑不面，有已拉。
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
已加工表面粗糙度较 高。
三、切屑的类型
3. 单元切屑：
产特形形生 点成状条 ：原：件因：： 材切前切有表整 应 破完 状角削速料 振 面坏力个。全切小强低超剪力塑 动 非断屑。度过切、波性 ； 常开沿极材面h动很 已 粗成挤D限料上很差 加 糙大单裂。的剪大元面工、 、 ，， 且有振纹。
三、切屑的类型
Cθ ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；
Zθ、Yθ、Xθ —— vc、f、ap 的指数。
切削温度的系数及指数
刀具材料 高速钢
加工方法 车削 铣削 钻削
Ｃ θ
140～170
80
150
Ｚ θ
0.35～0.45
硬质合金 车削
0.1
0.41
320
f (mm/r)
0.2
0.31
0.3
0.26
290~300 ℃ 320 ℃ 350 ℃ 400 ℃ >500 ℃
切屑呈银白色 切屑呈淡黄色 切屑呈暗红色 切屑呈暗蓝色
切屑呈蓝色 切屑呈蓝灰色 切屑呈灰白色 切屑呈紫黑色
四、影响切削温度的因素分析
经验公式
C vcZ
f
a y x p
式中 θ ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；
五、刀具磨损、破损检测与监控
常规方法
规定刀具切削时间，离线检测
切削力与切削功率检测方法
通过切削力（切削功率）变化幅值，判断刀具的磨损程度；当切削 力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”
声发射检测方法
切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀 具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀 具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然 增大许多，达到正常切削时的几倍
F C a f K ( N ) ②p手的册条中件的与F数实p据验为公特式px定条Ff切件削不条符件时yF下，f 测应得加的修F数正p 据系，数当。实际
F C a f K (N ) K
f
Fc
K F K fFc f vFc
Kp Fc
K brFc
KFc
KFFf c
K rFc
KVBFc
则刀具锋利；hD小则切 削力小。故易得带状切 屑。
三、切屑的类型
2. 挤裂切屑：（节状切屑）
特点：
形宏但如产切削厚小形切形挤切易变力振状 竹外观屑断形波动生 削 速 度 。 成 裂削全冷，相动；： 节表上条 塑 度 较 原。层过硬便对较状面自件 性 中 厚 因经程度于较大。呈： 材 等 、 ：然过，高处大，料 、 前锯连充最，理，易、 切 角脆；切产齿接分后且削生切 削 较形变被，，
故✓②：落粗2刀和切，加~具界削3影工.5切响面区时倍尺削可状的寸，人。况温精为可符度度控以合、和制代表在压积面刀力替屑质瘤量的。生
②长面周，上而使积发复屑生始瘤冷的能焊生稳的长定条存、在件脱。。
✓ 精落加。工时应抑制积屑瘤的产生。
4. 控制措施：
① 提高前刀面的光滑程度； ② 提高工件的硬度，降低塑性； ③ 采用合适的切削液； ④ 避开积屑瘤产生的速度范围。
3. 扩散磨损： 工件材料和刀具在高温下（900~1000℃）相互 扩散造成的磨损。
二、刀具磨损机理
4. 氧化磨损： 刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后，在高温 下（700~800℃）与空气中的氧作用产生松脆氧化物， 造成刀具磨损。
综上所述：
三、磨损过程
四、刀具的磨钝标准
“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的 最大磨损尺寸”。以VB表示
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. 刀具挤压工件，产生变形 2. 滑移 3. 挤裂 4. 切离
金属切削过程的变形
崩碎切屑 Real
切屑类型与变形系数
❖ 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑 卷曲和折断。 ❖ 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变 形的结果 ❖断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置)
切屑的卷曲
断屑的产生
四、切削的变形及影响因素
1. 变形系数：
厚度变形系数：
Ｙ
Ｘ
θ
θ
0.2～0.3 0.08～0.10
0.15
0.05
四、影响切削温度的因素分析
自然热电偶法
工件和刀具材料不同，组成热电 偶两极，切削时刀具与工件接触 处的高温产生温差电势，通过电 位差计测得切削区的平均温度。
人工热电偶法
★ 用不同材料、相互绝缘金属丝 作热电偶两极
★ 可测量刀具或工件指定点温度， 可测最高温度及温度分布场。
3. 改善刀具几何条件：
γO↗
θ ℃↙
第四节 刀具的磨损及使用寿命
一、刀具的磨损形式：
二、刀具磨损机理
1. 磨料磨损 工件和切屑中的硬质点（如炭化物）以及不断脱落
的积屑瘤碎片划擦刀面产生磨损。 2. 冷焊磨损
切屑与刀具在压力和摩擦条件下冷焊粘结，然后相 互被拉开，产生表面破坏伤痕。
二、刀具磨损机理
M A
终滑移线
切屑
Φ剪切角
始滑移线：τ=τs
刀具 O
切屑根部金相照片
金属切削过程的变形
切削变形实验设备与录像装置
二、切削变形区
第一变形区：（基本变形区）
第三第变形二区变：形区： OA~OM之间的区域，是切削 工 间 造 化的。成件切变和挤工已压积屑形件加、表工屑底区摩面表瘤层。擦的面的与主变纤与产前要形维刀生刀影区过力主化具域。面响和要程与后。切之切特加刀中屑间剪工面削征的的的切硬之热：主变摩面的要形擦的主变滑要形移来区变源，形。是切削
2200 1800 1400 1000
600 200
κr - Fc
κr – Ff κr – Fp
前角γ0
前角对γ0切削力的影响
30 45 60 75 90
主偏角κr / °
主偏角κr对切削力的影响
六、影响切削力的因素
刀具几何角度影响
◆ 与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃 刀抗力和进给抗力影响显著（ λs ↑ —— Fp↓，Ff↑） ◆ 刀尖圆弧半径 rε 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和 进给抗力影响显著（ rε ↑ —— Fp↑，Ff↓） ；
该区域对工件表面的残余应力以
第及一后变刀形面区的磨损有很大的影响。
第二变形区
第三变形区
三、切屑的类型
1. 带状切屑：
产形形特成生状点原条：因件：：
切连切速削绵高塑不过，性断 程切材呈 变削料带 形层、未状 小及切，充削切 速小屑呈分切破削工变面坏度、毛底力表形 上值高前茸面小面即的，、 角 状很 且 粗变应因切 大 。光 稳 糙为力此削 。滑 定 度切还只厚屑未有而 ； 低，达塑度背 已。剪到性较面 加对 滑生移产而安无全断有裂危；害前角。大，
5 19 28 35 55
100 130
切削速度 v（m/min）
切削速度对切削力的影响
六、影响切削力的因素
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F 切削力/ N
γ0 - Fc
γ0 – Fp γ0 – Ff
θ ℃↗
C
v x c
f
y
a pz
用YT15刀具，切削45#钢时( σb=75kg/cm2)
314vc0.4
f
0.14
a0.04 p
四、影响切削温度的因素分析
3. 刀具几何参数对切削温度的影响
γO ↗
θ ℃↙
κr ↗
θ ℃↗
五、控制切削温度的措施
Hale Waihona Puke Baidu
1. 正确使用切削液：
2. 合理选择切削用量：
在满足工艺要求的前提下，取小的 vc较大的 ap、f
h
hch hD
长度变形系数：
l
lc lch
根据体积不变原理数： h l 1
hch OM cos( o) cos( o)
hD
OM sin
sin
2. 影响切削变形的因素：
① 工件材料：
工件塑性↗
延伸率δ ↗
② 刀具角度：
γO ↗
刀具锋利
塑性变形↙
③ 切削速度：
vc ↗
ξ↙
ξ↗ ξ↙
工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低
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
切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
切削力波动较大， 切削力波动大，有 切削过程不平稳， 冲击，表面粗糙度 表面粗糙度不佳 恶劣，易崩刀
切屑类型与变形系数
带状切屑 Real
挤裂切屑 Real
节状切屑 Real
Pc Qz
(kw / mm 3 s1)
Qz a p f vc (mm 3 / s)
六、影响切削力的因素
工件材料
强度高 加工硬化倾向大
切削力大
切削用量
主切削力Fc（N）
◆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 响复杂
981 784 588
五、积屑瘤
“在一定的温度和压力
下,切削塑性金属时,切 屑底层与前刀面嵌入式 结合发生冷焊现象,使一
3. 对切削过程的影响：
①12了.积特产刀屑点生刃瘤：条，代增件替大：刀了刃前进角行。切削，保护
部分切屑粘结在前刀面 ②①积硬切屑削度瘤塑形是性状工材不件规料则材。，料频的繁生长脱
上,形成积屑瘤”。
第二节 切削力与切削功率
一、切削力的来源：
1. 工件、切屑的变形抗力
2. 刀具与切屑、工件与 刀具之间的摩擦阻力
二、切削力的分解
2.背向力：FP 总切削力在切深方向
1在与.主主切切运削削的内动速力3在，分方度.：进与力进向方F进给。的C向给给抗分一方F方力力致P向在向。，：的基垂F又F分直面Cf 。力。 称切削切功向率抗的是力主计。要算是依计或据算校。机核床机床
其他因素影响
◆ 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦 ，而影响切削力 ； ◆ 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ；
◆ 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最
为显著.
第三节 切削热与切削温度
一、产生原因：
第一变形区：
① 切削层的弹性及塑性 60%的热量
变形。
② 切屑与前刀面，工件 与后刀面的摩擦。