第二章金属切削过程的物理现象

要避免在中温、中速加工塑性材料.
增大前角可减小切削变形，降低切削温 度，减小积屑瘤的高度. 采用润滑性能优良的切削液可减少甚 至消除积屑瘤.
知识回顾：
1.金属切削过程的三个变形区？
2.切屑类型、利弊？
3.积屑瘤对切削加工的影响、成因、控制措施？
第二节 切削力和切削功率
一、概念 切削加工时刀具使切削层形成切削需要克服的阻力称为
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。
左图 是取 金属 内部 质点 P来 分析 滑移 过程
2、第二变形区
（挤压摩擦区）
该区域内金属变形特点是切屑在前刀面上发生的摩擦挤压变形， 这个变形主要集中在与前刀面接触的切屑底部一薄层金属内， 这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长，成纤维化，基本 与前刀面平行。另外，由于切屑层底层受前刀面的挤压而膨胀， 使切屑背向前刀面卷曲，最后在某一点开始与前刀面脱离接触。
１．切削力的构成与分解 刀具切削工件时，必须克服材料的变形抗力、刀具与
工件及切屑之间的摩擦力，这些力的合力就构成了作用
在刀具上的总切削力F。
主切削力Fc：切削合力F在主运动方向的分力，又称切向 分力。它与切削速度方向一致，在切削过程中做功最多， 占总切削功率的90%以上。Fc是计算机床动力、设备的 强度及刚度的基本数据。
切削脆性材料时，一般皆为崩脆切削，从而切削与前刀面 的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。
2.切削用量的影响
（1）切削深度和进给量的影响
↑ 切削深度ap ↑
进给量f↑
AD ↑
变形抗力 摩擦力
切削力↑
ap增大一倍，FC也增大一倍；而f 增大一倍，FC 只能增大68%～86％。
由此可见，从减小切削力和节省动力消耗的观点
第三节 切屑热和切削温度
一、切削热的产生与传导
切削热产生于三个变形区，切削热来 源于两个方面： 一是切削层金属发生弹性和塑性变形 所消耗的能量； 二是切屑与前刀面、工件与后刀面间 产生的摩擦热。
切削过程中消耗的功将绝大部分 （约99%）转换为热量，即切削热。
切削热 Q≈Fzvc
切削热传出： (1)通过工件传出Qg，使工件温度升高 (2)通过切屑传出Qx，使切屑温度升高 (3)通过刀具传出Qd，使刀具温度升高 (4)通过周围介质传出Qj
Kr越大，切削宽度aw越小，切削厚度ac越大， 因此切削力越小。
（b）当 r 0 时，kr大时，主切削力 F随着Kr增加而
增大 。
切削脆性材料时，切削力始终随 着Kr的增加而减小。
4、其它因素的影响
1）刀具磨损越大，将增加切削力； 2）使用切削液，将减小切削力。
五. 切削力的经验公式
[计算举例]： 用YT5硬质合金车刀外圆纵车σb = 630 MPa的热轧45钢，
刀具继续切入时，材 料内部的应力、应变 继续增大，当切应力 达到其断裂强度时， 金属材料被挤裂
沿刀 具前 刀面 流出
2、切屑的形态
由于加工材料性质的不同以及切削条件的不同，从变形 观点出发，可将切屑归纳为四种形态：
切塑性材料
↓γ0 ↓v ↑ac
带状切屑
↑γ0↑v↓ac 切削平稳，力波动小
加工面光洁，断屑难
Pm≈Pc＝FcVc /1000 （kW）
式中：Fc ——切削力，（N）； Vc ——切削速度，（m/s）
机床电动机的功率P的计算式如下：
P≥Pm/η （Kw）
式中：η——机床传动效率，一般取0.75～0.85。
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；
车刀几何参数为ro =10°、kr = 75°、rs = –5°，切削用 量为ap = 2mm、f = 0.3mm/r、vc = 100 m / min。 试计算切削力Fc、Fp、Ff 及切削功率Pc 。
[解]：
Fc CFc asxp Fc f yFc vcnFc k Fc
查表2-1得： CFC=2795 xFC =1.0 yFC =0.75 zFC =-0.15
影响工件表 面粗造度
积屑瘤破裂后会划伤表面，加快 刀具磨损
会形成硬点和毛刺，使工件表面 粗造度值增大
积屑瘤高度及其实际工作前角
3.积屑瘤的成因：
1）工件材料的塑性 主要是加工硬化的缘故，塑性材料切削时形
成带状切削，加工硬化现象较强，容易产生积屑 瘤；而脆性材料切削时形成崩脆切削，且加工硬 化现象很弱，不易产生积屑瘤。
Q=Qg+Qx+Qd+Qj
对车、铣、刨削加工，50～86％由切屑带走，10～40％传入 刀具，3～9％传入工件，1％传入空气 ; 钻削时，28％由切屑带走，15％左右传给工件，50％左右传给 刀具，其余由周围介质带走; 磨削时，大部分热量传给工件（84％）,传给砂轮12％，而极小 比例的热量传给磨屑，因此会使工件温升很高，甚至烧伤工具 表面。
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。
3.金属切削层的变形系数
注：
(1)切屑的形态可随切削条件不同而改变；
(2)可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的
方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工
质量。
使粒状切屑、节状切
增大前角
屑向带状切屑转化
提高切削 速度
减小进给 量
有利于
使切削过程平稳
降低加工表面粗 造度数值
切屑的形状
切屑形状的分类 切屑的形状大体有带状屑、 C型屑、崩碎屑、螺卷屑、 长紧卷屑、发条状屑、宝 塔状屑等
2.积屑瘤对切削加工的影响
保护刀具
积屑瘤硬 度很高
有利方面
可代替切削刃 进行切屑，减 少刀具的磨损
增大工 作前角
积屑瘤的存在， 使刀具的实际工 作前角增大
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
积屑瘤时大时小，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
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
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。
切深抗力Fp:切削合力F在切削深度方向的分力。车外圆时， Fp与工件的径向重合，因此又称径向分力。Fp作用在机 床及工件刚性最差的方向，容易引起切削振动和工件的弯 曲变形，影响加工精度及工件表面质量。
2）挤裂切屑（节状切屑）：它
的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂 纹。在切削速度较低、切削厚度较大、 刀具前角较小时常产生此类切屑。
3）粒状切屑（单元切屑）：在
切屑形成过程中，如剪切面上的剪 切应力超过了材料的断裂强度，切 屑单元从被切材料上脱落，形成粒 状切屑。
4）崩碎切屑：加工脆性材料
（铸铁、青铜），切削厚度越大越 易得到这类切屑。
切削力。
◆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
出发，在切除相同余量的条件下，增大 f 比增大ap 更为有利。
（2）切削速度的影响
切削塑性材料，切削速度的影响分为两个阶段： 有积屑瘤和无积屑瘤两个阶段。
切削塑性材料时
切削速度是通过影响切削变形程度来影响切削力， 切削变形大，则切削力大。
切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它 与前刀面的摩擦均比较小。υc对切削力没有显著影响。
（2）单位切削力公式 生产中还常用切削层单位面积
切削力kc的大小来估算切削力Fc的大小。
Fc＝kcAD＝kcbDhD≈kcapf (N)
kc——切削层单位面积切削力，MPa(N/m㎡)； AD、bD、hD——切层削参数，
3.切削功率：是指切削时在切削区域内消耗的功率，通常
进给消耗的功率略去不计，只计算主运动消耗的功率：
切脆性材料 不平稳，表面粗糙
应↑γ0↑v↓ac
↓γ0 ↓v ↑ac
挤裂切屑
单元切屑
↑γ0↑v↓ac
滑移量较大，局部 切削不平稳，力波动大
剪应力达断裂强度
加工表面粗糙 少见
切屑的类型
1）带状切屑：它的内表面是光
滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金 属时，在切削厚度较小、切削速度较 高、刀具前角较大的工况条件下常形 成此类切屑。
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。
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。
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。
因为积屑瘤是在带状切屑的前提下形成的。 然而前角越大越容易形成带状切屑，前角越小 容易形成崩脆切削，所以积屑瘤的形成与刀具 的前角有着紧密的联系。
4. 积屑瘤的控制
影响积屑瘤 的因素
控制措施
工件材料 切削用量 刀具角度 切削液等
加工塑性大的工件时，可先进行正火或 调质，以降低其塑性，提高强度和硬度.
三、积屑瘤现象 1．积屑瘤的形成
积屑瘤：切削塑性金属时，在一定的切削条件下，常常有 一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一 个非常坚硬的金属堆积物，能够代替刀刃进行切削，并且以一 定频率生长和脱落。这种堆积物称为积屑瘤。
当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度 不高，而又能形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。
F F F F F F
2
c
2
N
2 2 2
C
P
f
Fp=FNcosKr;
Ff =FNsinkr
一般情况下，Fc最大，Fp和Ff小一些
2.切削力的实验公式——车外圆时主切削力Fc的计算
（1）指数公式
F C a f V K xFc yFc Fc
C
FC P
C FC
公式中的各项系数与刀具的几何参数、材料及工件的材料有关。
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）
3、第三变形区
（挤压摩擦回弹区）
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 成纤维化和加工硬化及残余应力，严重的甚至出现细微的裂纹。
二、切屑的形态
1. 切屑形成过程
随着切应力、切应变 逐渐增大，达到其屈 服强度时，产生塑性 变形而滑移
切削层
切ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
弹性变形 塑性变形 挤裂 切离
的金属
屑
切削层的金属 受到刀具前刀 面的推挤后产 生弹性变形
第二章 金属切削过程中的物理现象
第一节 切削变形与切屑的形成 第二节 切削力和切削功率 第三节 切削热和切削温度 第四节 刀具磨损和刀具寿命
第一节 切削变形和切屑的形成
一、切削的形成
金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推 挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的 过程。即是金属内部不断滑移变形的过程。
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
前角对切削力的影响 ap = 4 mm f = 0.25 mm / r
2） 主偏角kr 对切削力的影响
FP FD cos r
Ff FD sin r
（a）当 r 0时，主切削力 F随着Kr增加而减小 。