切削过程及控制

（1）前角γ0
(2)刀尖圆弧半径rε
刀尖圆弧半径越大， 变形系数ξ越大，切削 变形越大。（图）
前角增大，剪切角φ增
大，而剪切角越大，则 变形系数ξ减小。 变形系数与前角之间的 关系如图所示。
图 切削厚度与变形系数的关系
图 前角对变形系数的影响
图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响
八、切屑的类型
➢带状切屑 最常见的屑型之一（图3-15a）。
图3－4 晶粒滑移示意图
图3－5 滑移与晶粒的伸长
四、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↓。 图3－6
剪切面 pφ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3－6 φ角与剪切面面积的关系 图3－7 变形系数ξ的求法
2. 变形系数ξ
外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条件： 一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速
度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。 优 点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙
度较小。 缺 点：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。
➢挤裂(节状)切屑
外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。 形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变 形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、 大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图3-15b)。
进给力Fx (Ff)
旧称轴向分力，用Fx表示 ——总切削力在进给方向的 分力，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
图3-19 切削力的分解
3．切削功率
➢计算切削功率 Pc是用于核算加工成本和计算能量消
耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。
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、保证加工精度和表面质 量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、 设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有 重要的指导意义。
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 2．切屑形成过程模型
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）。
回答
❖ 1、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知， 积屑瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易， 所以这位师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的 加工方法，
❖ 2、积屑瘤很不稳定，它会周期性地脱落，这 就造成了刀具实际切削厚度在变化，影响零件 的加工尺寸精度。
❖ 3、积屑瘤的剥落和形状的不规则又使零件加 工表面变得非常粗糙，影响零件表面光洁度。 所以在精加工阶段，这位师傅又努力避免积屑 瘤的发生。
a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力 b) 切屑作为隔离体的受力分析
2. 前刀面上的摩擦
➢在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面
之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢 得多，从而在切屑底部形成一个滞流层 。
➢所谓“内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩
擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大 小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。
(图3-19)。
背向力 Fy（Fp）
旧示称——径总向切分削力力，在用垂F直y表 于工作平面方向的分力 ，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时 ，所必须的参数。
（旧称主切削力，用Fz表
示）——总切削力在主运动 方向的分力，是计算机床切 削功率、选配机床电机、校 核机床主轴、设计机床部件 及计算刀具强度等必不可少 的参数。
数ξ不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 （图）
➢在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。 ➢切削铸铁等脆性金属时, 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增
大，变形系数逐渐地减小。
图 工件材料强度对变形系数的影响
图 切削速度对变形系数的影响
（2）进给量
3.刀具几何参数
当进给量f增大时，切削层 厚度hD增大，切屑的平均 变形减小，变形系数ξ减小 (图)。
图3－1
图 挤压与切削的比较
图3－1 切屑形成过程模型
二、三个变形区
根据实验时的切削层变形图片可绘制如图3-2所示的 切削变形模型，其变形大致可分为三个变形区。
1. 第一变形区 （剪切滑移区）
塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了， 之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是 晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变 形区（Ⅰ）。
图3－2 金属切削过程中的滑移线和流线示意图
M A
切屑 终滑移线
Φ剪切
始滑移线：τ=τs
角
刀具 O
切屑根部金相照片
变形的主要特征：
• 剪切滑移变形
• 加工硬化 一般速度范围内一区宽度为 0.02～0.2mm， 速度越高，宽度越小，可看作 一个剪切平面
2. 第二变形区 （挤压摩擦区）
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）。
➢ 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； ➢ 适当减少进给量、增大刀具前角； ➢ 适当提高工件材料的硬度； ➢ 提高刀具的刃磨质量； ➢ 合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。
问题
❖ 某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采 用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在 精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请 问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为 能用哪些方法。
第三章 切削过程及控制
1. 切削过程及切屑类型 2. 切 削 力 3. 切削热与切削温度 4. 刀具磨损和耐用度 5. 工件材料的切削加工性 6. 切 削 液 7. 切削用量的选择 8. 磨削过程及磨削原理
在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件
和工件材料抵抗切削的矛盾，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 度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑 等。
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
工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低
➢单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一
步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒 状)切屑(图3-15c)。
➢崩碎切屑 切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒
状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀 具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大 则越容易产生这种切屑(图3-15d) 。
图3－15 切屑类型
a) 带状切屑 b) 挤裂切屑
图3－15 型
C）单元切屑
切屑类
d ) 崩碎切
切屑类型
带状切屑 Real
挤裂切屑 Real
Baidu Nhomakorabea
节状切屑
Real
切屑形态照片
崩碎切屑 Real
表3-1 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
影响
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状
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，从而影响已加 工表面质量。
三、第一变形区内金属的剪切变形
五．前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响
1. 作用在切屑上的力
•刀具与切屑之间的作用力分析如图3-8所示。 •在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对 其作用的法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向 力Fns,两对力的合力分别为Fr 和 Fr′。 •假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共线， 有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，φ是剪切 角；β是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角；γo是刀具前角。
❖ 在这个变形区域，由于切削层材料受到 刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步 加剧，材料在此处纤维化，流动速度减 慢，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑 与前刀面的压力很大，高达2～3GPa， 由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面 温度上升到几百度的高温，切屑底部与 刀具前刀面发生粘结现象。
3. 第三变形区 （挤压摩擦回弹区）
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
第二节 切削力
切削过程中， 刀具施加于工件使 工件材料产生变形， 并使多余材料变为 切屑所需的力，称 为切削力。
实验表明，切屑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。切屑 的变形和形成过程如图3-3所示。
图3－3 第一变形区金属的滑移
切屑形成本质
➢在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层
金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。
➢切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结
构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。
➢金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到
达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方 向性，仍为圆形（图3-4） 。
➢晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑
移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶 粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的 方向不重合，两者之间成一夹角Ψ（图3-5）。
七、影响切屑变形的主要因素
1. 工件材料的力学性能 2.切削用量
（1）切削速度
材料强度越高，塑性越小，
则变形系数越小，切削变形 减小（图）。
➢切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。 ➢在积屑瘤增长的速度范围内 , 因积屑瘤导致实际工作前角增加、
剪切角φ增大、变形系数减小。
➢在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系
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。
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。
➢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 =hch/ hD ；
而切削层长度lD与切屑长度lch之比称为长度变形系数， 用ξl表示，ξl=lD/lch 。
➢根据体积不变原理, 则 ξa ＝ξl＝ξ。 ➢变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。
Lch LD
图3-9 切屑与切削层尺寸
一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率
1. 切削力的来源
切削力来自于金属 切削过程中克服被 加工材料的弹、塑 性变形抗力和摩擦 阻力（图3-18） 。
图3-18 切削力的来源
2.切削力的分解
切削力Fz(Fc)
通常将合力F分解 为相互垂直的三个分
力：切削力 Fc 、进 给力 Ff 、背向力 Fp
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3－13 积屑瘤前角和伸出量
5）抑制或消除积屑瘤的措施
➢ 采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度
影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc＜3m/min 和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故 不易形成积屑瘤；
➢切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦
仅为外摩擦。
➢刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外
摩擦)区。
➢金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑
内摩擦。
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。