金属切削原理(基本理论)

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。 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。
剪切角随着切削条件不同而变化，根据纯剪切 理论：剪应力和主应力方向约呈45°，且主应力fa 与作用合力Fr一致，则可确定剪切角φ为： φ=45°-（β-γo） 其中β为摩擦角 。
五） 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 1 前刀面上的摩擦
塑性金属在切削过程态。故切屑与前刀面之间不是一般的外摩擦，而是切屑和 前刀面粘结层与其上层金属之间的内摩擦。 这种内摩擦实际上就是金属 内部的滑移剪切，它不同于外摩 擦(外摩擦力的大小与摩擦系数以 及正压力有关，与接触面积无关)， 内摩擦与材料的流动应力特性以 及粘结面积大小有关。
六）积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 定义： 在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下， 加工钢料等塑性材料时，常在前刀面切削刃口处粘着一 块楔形的金属块，它的硬度较高(通常是工件材料的2～ 3倍)，在处于稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。这 块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤。
形成机理： 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。
切削长度与切屑宽度之比或者切屑厚度与切削厚度 之比称为厚度变形系ξ 即：
ach lc lξ a lch ac
变形系数ξ是大于1的数，可以用剪切角Φ表示
ach OM sin(90 0 ) cos( ) ac OM sin sin
上式也可写成
从OA线(称始剪切线) 开始发生塑性变形，到OM 线(称终剪切线)晶粒的剪 切滑移基本完成。这一区 域(I)称为第一变形区。
2
第二变形区
切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和 摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，纤维化方向基 本上和前刀面平行。这一区域称为第二变形区(Ⅱ)。
3 第三变形区
已加工表面受到刀刃钝圆部分和后 刀面的挤压与摩擦，产生变形与回弹， 造成纤维化与加工硬化。这部分称为第 三变形区(Ⅲ )。
金属切削原理与刀具
合肥工业大学技师学院
第三章
金属切削基本理论
概述： 金属切削过程就是用刀具从工件表面上切去多余 的金属，形成已加工表面的过程，也是工件的切削层 在刀具前面挤压下产生塑性变形，形成切屑而被切下 来的过程。
伴随着切削过程的发生和发展，形成了许多物理 现象，金属切削理论总结了关于金属切削过程中的基 本物理现象及其变化规律，研究这些物理现象及其变 化规律对保证加工质量、提高生产率、降低成本和指 导生产实践有着十分重要的意义。
切削速度对摩擦系数的影响见图 当V<30m／min时，切削速度提高，摩擦系数变大。
这是因为在低速区切削温 度较低，前刀面与切屑底层不 易粘接，粘结的严密程度随速 度(温度)增高而发展，从而使 μ上升。
当v超过30m／min后，温度 进一步升高，材料塑性增加， 而使切屑底层材料的τs下降， 故μ随之逐渐下降。
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。
二） 三个变形区 根据切削实验时制作的金属切削层变形图片，可绘 制出如图所示的金属切削层的滑移线和流线示意图。流 线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。 由图可见，切削过程中切削层金属的变形可大致划 分为三个变形区。 l 第一变形区
这三个变形区汇集在刀刃附近，切削层金属在此处 与工件母体分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已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。
1） 硬化程度愈高，硬化层深度也愈深； 2） 加工硬化给下一道工序造成困难，刀具易被磨损； 3） 硬化层表面常会出现细微裂纹，增大表面粗糙度和降 低材料的疲劳强度，金属材料经硬化后提高了屈服强度。 影响因素：
刀-屑接触部分可分为两个区域，在粘结部分为内 摩擦，滑动部分为外摩擦。图中也表示出了整个刀-屑 接触区上正应力σr的分布，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。
2．影响前刀面摩擦系数的主要因素 工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度是 影响前刀面摩擦系数的主要因素。 实验表明在相同切削条件下，加工几种不同工件材料， 如铜、20钢、40Cr钢、1Crl8Ni9Ti等，随着工件材料的强 度和硬度的依次增大，摩擦系数μ略有减小； 这是由于在切削速度不变的情况下，材料的硬度、强 度大时，切削温度增高，故摩擦系数下降。 切削厚度ac增加时， μ也略为下降；如20钢的ac从0. lmm增大到0. 18mm， μ从0 .74降至0 .72。因为ac增加 后正应力也随之增大。 在一般切削速度范围内，前角γ。愈大，则μ值愈大。 因为随着γ。增大，正应力减小，故μ增加。
③刀具前角的影响：采用小前角比用大前角时容易产生 积屑瘤。
前角小切屑变形剧烈，前面的摩擦力也较大，同 时温度也较高，因此容易产生积屑瘤；
反之前角较大时，切屑对刀具前刀面的正压力减小， 切削力和切屑变形也随之减小，不容易产生积屑瘤，当前 角大到40°～50°时一般不会产生积屑瘤。 ④刀具表面粗糙度的影响。 减小刀具前刀面的表面粗糙度值，可减小积屑瘤的产生。 ⑤切削液的影响。 切削液中含有活性物质，能迅速渗入加工表面和刀具之 间，减小切屑与刀具前刀面的摩擦，并能降低切削温度，所 以不易产生积屑瘤。
cos 0 tg sin 0
ach cos( ) ac sin
上式表明： 变形的大小与剪切角φ和前角有关。一般前角γo增 大，剪切角φ增大，ξ减小。 前角γo一定时，若剪切角φ增大，那么切削变形就
小。 用剪切角φ来衡量变形的大小，测量比较麻烦；而变 形系数ξ可直观反映切屑的变形程度，并且容易测量。
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τs，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。
精加工时：一定要设法避免积屑瘤的产生；
粗加工时： 1) 采用硬质合金刀具时，一般也不希望产生积屑瘤； 2) 采用高速钢刀具时，积屑瘤粘附在刀具前面上，在 相对稳定时，可代替刀刃切削，有减小刀具磨损，提 高耐用度的作用。 在精加工时应避免或减小积屑瘤，其措施有： 1) 控制切削速度，尽量采用很低或很高的速度，避开中 速区(尤其是10—20m／min) ； 2) 增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力； 3) 减小进给量； 4) 减小刀面的表面粗糙度； 5) 使用润滑性能好的切削液，以减小摩擦； 6) 提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向。
令μ 为前刀面上的平均摩擦系数，则
s Af ! s Fn Af 1
Ff
式中: Af1——内摩擦部分的接触面积；
σav ——内摩擦部分的平均正应力； τs ——工件材料剪切屈服强度。 由于μ随切削温度升高略有下降，随材料硬度、 切削厚度及刀具前角而变化，其变化范围较大，因 此， μ是一个变数。
影响积屑瘤产生的因素： ①工件材料的影响：塑性高的材料，由于切削时塑性 变形较大，加工硬化趋势较强，积屑瘤容易形成；而 脆性材料一般没有塑性变形，并且切屑不在前刀面流 过，因此无积屑瘤产生。 ②切削速度主要通过切削温度影响积屑瘤。 低速(Vc＜3～5m／min)时，切削温度较低（低于 300℃），切屑流动速度较慢，摩擦力未超过切屑分子的结 合力，不会产生积屑瘤。 高速(Vc＞60～70m／min)时，温度很高（500℃～600℃ 以上） ，切屑底层金属变软。摩擦系数明显降低，积屑瘤 也不会产生。 中等速度(5—35m／min)时，切削温度约为300°左右， 摩擦系数最大，最容易产生积屑瘤。 约20m／min 时最大。
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…. 的位臵。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。
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 。
积屑瘤对切削过程的影响 1. 影响刀具耐用度： 积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面。积 屑瘤相对稳定时，可代替切削刃进行切削。切削刃和前刀 面都得到积屑瘤的保护，减少了刀具的磨损，提高刀具耐 用度；但在不稳定时，积屑瘤的破裂有可能导致硬质合金 刀具的剥落磨损。 2. 增大实际前角： 有积屑瘤的车刀，实际前 角可增大至30°～50°之间， 因而减少了切屑的变形，降低 了切削力。
四） 变形程度的表示方法 1、剪切角φ 实验证明剪切角φ的大小和切削力的大小有直接 联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样 大小的切削层，如φ角较大，剪切面积变小，即变形 程度较小，切削比较省力。所以φ角本身就表示变形 的程度。