第二章金属切削基本理论欢迎您来到河南理工大学

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。
3、切屑的类型
带状切屑
挤裂切屑
节状切屑
切屑形态照片
kFc kmFc kkrFc k Fc ksFc
当 b = 630MPa时
k mFc
( σb )nFc 650
( 630)0.75 650
0.98
按kr =75°查表3-4，得 kkrFc 0.92 按o =10°查表3-4，得 k Fc 1.0
按s =-5°查表3-4，得 ksFc 1.0
切削部位三个变形区
，切屑排出时受前刀面挤压与
摩擦。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：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。
2、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 。
通常将合力F分
2.切削力的分解
切削力Fz(Fc)
解为相互垂直的三个
分力：切削力 Fc 、 进给力 Ff 、背向力 Fp 。
总切削力在主运动方向的分力，
大小约占总切削力的80%～
背向力 Fy（Fp）
90% 。Fc消耗的功率最多，约 占总功率的90%左右，是计算
机床切削功率、选配机床电机、
总切削力在垂直于工 作平面方向的分力， Fp不消耗功率。但容
给功率不可缺少的参数
切削力分解
Fc
κr
F Ff
Fp Ff ·p
v Ff ·p
f
Ff ·p 吃刀抗力 Fp
Ff 进给抗力
切削力的分解
Fc 主切削力 F 切削合力
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。
➢主运动消耗的切削功率 Pc＝Fcυc/60×10-3 （kW） ➢机床电机功率 PE= Pc／ηm（ηm＝0.75～0. 85）。
刀具磨损等因素影响的修正系数。
[计算举例]： 用YT5硬质合金车刀外圆纵车 b 630 MPa 的热
轧45钢，车刀几何参数 0 100、k r 750、 s 50
为切削用量为 asp 2mm、m 0.3mm / r、
vc 100 m / min 。
试计算切削力Fc、Fp、Ff 及切削功率Pc 。
➢ 当γ0 = 0～30°，Λh ≥1.5时， Λh与ε相近
➢ ε主要反映第Ⅰ变形区 的变形，Λh还包含了第 Ⅱ变形区的影响。
γ0
M
φ
O
相对滑移系数
7、影响切削变形的主因素
工件材料
材料强度越高→塑性越小→变形系数越小→切削变形越小
切削用量
◆切削速度通过积屑瘤的生长消失而影响切削变形的大小； ◆进给量增加，切削层厚度增加，切削变形减小；
刀具几何角度影响（P29）
◆ 前角γ0 增大，切削变形减小 ◆ 刀尖圆弧变径
第二节 金属切削过程的主切物理及规律
一、 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。
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 力和刀具与工件及刀具与切屑之间 摩擦阻力。
4、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
1）什么是积屑瘤
在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时, 常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料, 形成 一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤，或称刀瘤。
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。
➢在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界
面上的摩擦也很小，所以切削速度υc 对切削力Fc无明显 的影响。
➢在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高
速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。
增大表面粗糙度和导致刀具磨损。
在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。
4）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；
➢ 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、减小切削变形； ➢ 适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减
k Fc k mFc k krFc k Fc k sFf 0.98 0.921.0 1.0 0.90
kFc kmFc kkrFc k Fc ksFc 0.98 0.92 1.0 1.0 0.90
Fc 1135.7k Fc 1135.7 0.90 1022 (N)
v Pc
Fc c 6 104
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。
易使工件变形，甚至 可能产生振动，影响
进给力Fx (Ff)
工件的加工精度。是
总切削力在进给方向的分力
进行加工精度分析、
，进给力也作功，但只占总
计算工艺系统刚度以
功的1%～5%。是设计、校核
及分析工艺系统振动
机床进给机构，计算机床进
时，所必须的参数。
[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
Fc CFc asxp Fc f yFc vcnFc kFc 2795 21.0 0.30.75 1000.15 kFc 1135.7 kFc
切屑形态的转换：
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
↓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，较 少见
切屑形态转换的影响因素： 刀具前角 切削速度
切削层公称厚度 材料塑性
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。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。
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。
第一节 金属切削过程
1、切削变形
➢ 切屑的形成与切离过程，是切削 层受到刀具前刀面的挤压而产生以 滑移为主的塑性变形过程。
➢ 正挤压：金属材料受挤压时，最大 剪应力方向与作用力方向约成45°
➢ 偏挤压：金属材料一部分受挤压时 ，OB线以下金属由于母体阻碍，不 能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移
➢ 切削：与偏挤压情况类似。弹性变 形→剪切应力增大，达到屈服点→产 生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应 力与滑移量继续增大，达到断裂强度 →切屑与母体脱离。
A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。
6、切屑变形
变形系数
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层变的变形程度。
◆ 厚度变形系数
h
hch hD
◆ 长度变形系数
L
LD Lch
Lch LD
切屑与切削层尺寸
相对滑移系数
S
cos 0
y sin cos( 0 )
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。
切削速度υc
➢切削速度在5～20m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐
增加，切Байду номын сангаас力减小；
➢切削速度继续在20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐
消失，切削力增加；
➢在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦
系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时， 切削力无明显变化。
4．切削力经验公式
Fc
CFc
a xFc p
f
yFc
KFc
Fp
CFp
a xFp p
f
yFp
KFp
Ff
CFf
a xFf p
f yFf
KFf
式中 CFc , CFp , CFf —— 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf —— 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf —— 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf —— 考虑切削速度、刀具几何参数、
➢崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，
切削层金属发生弹性变形以后，一般不经 过
塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑
片，即为崩碎切屑。
➢当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑， ➢产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主
切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，
并容易产生振动，影响表面质量。
切屑类型
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
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
小加工硬化倾向。
5、已加工表面的变形
变形原因
切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩 擦，产生第Ⅲ变形区。
变形情况
hD ΔhD Δh
A点以上部分沿前刀面 流出，形成切屑；A点 以下部分受挤压和摩擦 留在加工表面上，并有 弹性恢复。
应力分布
A点前方正应力最大，剪应力为 0。
τ
AC E F
τ σn
已加工表面变形
崩碎切屑
➢带状切屑
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：用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量 切削塑性材料 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：切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面， 因此要采取断屑措施。
➢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：采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较 小，粗加工中等硬度的钢材料 特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙
45° M A F
B
O
a）正挤压
45° M A F
BO
b）偏挤压
M O
F
c）切削
金属挤压与切削比较
M A
终滑移线
切屑
Φ剪切角
始滑移线：τ=τs
刀具 O
三个变形区分析
➢ 第Ⅰ变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。
Ⅱ Ⅰ
Ⅲ
➢ 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处
3）积屑瘤对起削过程的影响
❖积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行
切削，起到保护切削刃的作用。
❖使实际前角增大，切削轻快。
因此，粗加工时可利用积屑瘤。
❖积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生
和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。
❖此外，还会导致切削力的变化，引起振动， ❖并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，
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
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
第二章金属切削基本理论
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。
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。
1022100 6 104
1.7
(kw)
二、影响切削力的因素
1. 工件材料 2. 切削用量
✓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。