第二章第三节 金属切削过程及其物理现象
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金属切削的基础知识
弹性变形 塑性变形 挤裂 切离 切屑
切削过程： 三个变形区
（1）第一变形区
（2）第二变形区： （3）第三变形区：
制造技术
切屑种类：
1）带状切屑
外形连绵不断，与前刀 面接触的面很光滑，背面呈毛 茸状。用较大前角、较高的切 削速度和较小的进给量切削塑 性材料时，容易得到带状切屑。
制造技术
2）崩碎切屑 切削铸铁等脆性材料
制造技术
二、切削热的传散
在一般干切削的情况下，大部分的切削热由切屑传散出 去，其次由工件和刀具传散，而周围介质传散出去的热量很 少。但各种传散热量的比例，随着工件材料、刀具材料、切 削用量、刀具角度及切削方式等切削条件的不同而异。 切削热传散给切削及周围介质，对切削加工没有影响， 且传散得越多越好。 切削热传散给刀具切削部分，使刀具磨损加快，缩短刀 具的使用寿命；切削热传散给工件，影响工件的加工精度和 表面质量。 为了减小切削热对工件加工质量的不良影响，可采取的 两方面工艺措施：一是减小工件材料的变形抗力和摩擦阻力， 降低功率消耗和减少切削热；二是要加速切削热的传散，以 降低切削温度。
面粗糙度；严重时，会引起崩刀打刀，加速刀具的磨损。 二、表层材质变化
1.加工硬化
加工硬化是指在切削过程中，工件已加工表面受刀刃和后 面的挤压和摩擦而产生塑性变形，使表层组织发生变化，硬度 显著提高的现象。硬化层深度可达到0.02～0.03mm,表层硬度 约为工件材料的1.2～2倍。
制造技术
对加工硬化的影响因素：刀具几何参数、切削条件、工件
制造技术
2.润滑作用 金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用， 可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部 分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件 坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工 性能。在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒－工 件及磨粒－磨屑之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨 粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小磨削力和摩擦热，提高砂轮 耐用度以及工件表面质量。 3.清洗和排屑作用 在金属切削过程中，要求切削液有良好的清洗作用。除去生 成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，防止机床和工件、刀具的 沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。 对于油基切削油，粘度越低，清洗能力越强，尤其是含有煤油、 柴油等轻组份的切削油，渗透性和清洗性能就越好。含有表面活 性剂的水基切削液，清洗效果较好，因为它能在表面上形成吸附
切削过程： 三个变形区
（1）第一变形区
（2）第二变形区： （3）第三变形区：
制造技术
切屑种类：
1）带状切屑
外形连绵不断，与前刀 面接触的面很光滑，背面呈毛 茸状。用较大前角、较高的切 削速度和较小的进给量切削塑 性材料时，容易得到带状切屑。
制造技术
2）崩碎切屑 切削铸铁等脆性材料
制造技术
二、切削热的传散
在一般干切削的情况下，大部分的切削热由切屑传散出 去，其次由工件和刀具传散，而周围介质传散出去的热量很 少。但各种传散热量的比例，随着工件材料、刀具材料、切 削用量、刀具角度及切削方式等切削条件的不同而异。 切削热传散给切削及周围介质，对切削加工没有影响， 且传散得越多越好。 切削热传散给刀具切削部分，使刀具磨损加快，缩短刀 具的使用寿命；切削热传散给工件，影响工件的加工精度和 表面质量。 为了减小切削热对工件加工质量的不良影响，可采取的 两方面工艺措施：一是减小工件材料的变形抗力和摩擦阻力， 降低功率消耗和减少切削热；二是要加速切削热的传散，以 降低切削温度。
面粗糙度；严重时，会引起崩刀打刀，加速刀具的磨损。 二、表层材质变化
1.加工硬化
加工硬化是指在切削过程中，工件已加工表面受刀刃和后 面的挤压和摩擦而产生塑性变形，使表层组织发生变化，硬度 显著提高的现象。硬化层深度可达到0.02～0.03mm,表层硬度 约为工件材料的1.2～2倍。
制造技术
对加工硬化的影响因素：刀具几何参数、切削条件、工件
制造技术
2.润滑作用 金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用， 可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部 分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件 坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工 性能。在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒－工 件及磨粒－磨屑之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨 粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小磨削力和摩擦热，提高砂轮 耐用度以及工件表面质量。 3.清洗和排屑作用 在金属切削过程中，要求切削液有良好的清洗作用。除去生 成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，防止机床和工件、刀具的 沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。 对于油基切削油，粘度越低，清洗能力越强，尤其是含有煤油、 柴油等轻组份的切削油，渗透性和清洗性能就越好。含有表面活 性剂的水基切削液，清洗效果较好，因为它能在表面上形成吸附
第三节金属切削过程中的变形
2、第二变形区（纤维化） 第二变形区（纤维化）
（2）剪切角Φ与前刀面上摩擦角β的关系 作用在切屑上的力有 前刀面上的法向力Fn、摩擦力Ff、剪切面上的正压力Fns和剪应力Fs。 简化后作用在切屑上的力 Fr为切削合力、 Φ为剪切角、 β是Fn与Fr之间的夹角摩擦角、Fz是切 削运动方向的分力、和Fy是与运动方向垂直的分力。
a)积屑瘤的形成 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。 所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与 金属材料的硬化性质有关，也与刃前区 演示1 积屑瘤形成过程 演示2 演示3 的温度和压力分布有关。一般说来，塑 性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生 积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积 屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用， 也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时， 积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
二、切削层金属的变形
以直角自由切削方式切削塑性材料为基础模型研究切屑形成过程。
大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切 屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。
二、切削层金属的变形
1、变形区划分 2、第一变形区（剪切滑移） 第一变形区（剪切滑移） 3、第二变形区（纤维化） 第二变形区（纤维化） 4、第三变形区（纤维化与加工硬化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）
1、变形区划分
根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑的形态大体可划分为三个变形区 第一变形区（剪切滑移） 第二变形区（纤维化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）
第二章金属切削过程的物理现象
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
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）
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
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。
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
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）
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
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。
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。
1.2金属切削过程及其物理现象
磨削过程的特点
磨削过程与刀具切削过程相比，具有如下主要特点： ① 负前角切削是磨削的一大特点。砂轮的前角0平均为 - 65°～ - 80° 。 ② 磨削过程是无数磨粒对工件表面进行切削、刻划、摩擦、 抛光的综合作用过程。
③ 背向磨削力Fp大。Fp作用于砂轮切入方向，使砂轮轴和工件 均产生弯曲变形，影响工件的形状精度和表面质量。减少这 种影响的措施是增加光磨次数或采用辅助支承。 ④ 磨削温度高。工件表层温度可高达 1000℃以上，易产生烧伤 和热变形。减少这种影响的措施是施加大量切削液。 ⑤ 加工硬化和残余应力严重。 及时修整砂轮，施加足够 的切削液，增加光磨次数， 可减少这种影响。
a直角自由切削图214合力及其分力作用在前刀面的弹塑性变形抗力fny作用在前刀面的摩擦力ffy合力fr作用在后刀面的弹塑性变形抗力fna作用在后刀面的摩擦力ffa切削力的分解及其应用背向力f比例关系
1.4 刀具切削过程及其基本规律 一、切屑形成过程
1．切削过程的实质 金属切削过程是通过刀具把被切金属层变为切屑的 过程，其实质是一种挤压变形过程。
2）工件材料：
① 若HB↑ ， b ↑,则Q ↑； ② 若λ ↓ ，则Q↑。 3）刀具角度： ① 若0 ↑ ，则Q↓ ；
② 若Kr↓,则Q↓。
4）切削液： 合理施加切削液，则Q↓。
3. 积屑瘤
1.定义： 用中等切削速度切削塑性金属时，往往在刀具前刀面的 刃口处牢固地粘结着一小块很硬的金属。 2．产生条件)
切削力的计算 公式 ：Fc =FdAc=FdapfN Ff 、Fp可根据不同切削条件，由Fc乘以一定系数求得。 切削功率 1）切削功率Pc
① 定义：同一瞬间切削刃基点上的切削力与切削速度的乘积。 ② 公式： F V
第2章 金属切削过程的物理现象
4．崩碎切屑
切削脆性材料(如灰铸铁)时，由于材料的塑性很小，抗
拉强度较低刀具切入后，切削层内靠近切削刃和前面的 局部金属，几乎不经过塑性变形就被挤裂，或在拉应力 状态下脆断，形成大小不等、形状各异的碎块状切屑。
2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤
1．切屑与前刀面的摩擦
切屑与前刀面间的这种摩擦与一般金属接触面间的摩擦 不同。如图2-5所示，切屑与前刀面接触去分为粘结区 和滑动区两部分。
1．带状切屑
这是一种最常见的切屑形状。当切屑内剪应力小于材 料的强度极限时，剪切滑移变形较小，切屑连绵不断，
没有裂纹，就形成了带状切屑
2．节状切屑
当切屑内剪应力在局部地方达到了材料的破裂极限，
会形成节状切屑。
2.2.1 切屑的种类
3．粒状切屑
当切屑内部剪应力超过了材料的破裂强度，切屑将沿
剪切面完全断开，形成粒状切屑。
图2-1 金属切削的三个变形区域
图2-2 第一变形区金属的滑移
2.1.2切削层的变形
1．第一变形区（剪切变形区）
如图2-2所示从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒
的剪切滑移基本完成，这个区域叫第一变形区。
2．第二变形区（挤压变形区）
当切屑从刀具的前倾面排出时，受刀具前面的推挤和摩 擦，必将发生进一步变形，这就是第二变形区的变形。 这一变形主要集中在切屑底面一薄层金属里，使靠近刀 具前倾面的金属纤维基本上与前倾面平行，离刀具前面 愈远，影响愈小。
由于进给功率相对切削功率Pc很小（＜1％～2％），可 忽略不计。所以，工作功率P，可以用切削功率Pc近似 代替。 在计算机床电机功率Pm 时，还应考虑机床的传动效率 ηm(一般取0.75～0.85),则：
第二章 第三节 金属切削过程及物理现象
⑶第Ⅲ变形区 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层 金属也将发生塑性变形。这部分称为第及变形程度的表示方法
⑴ 第Ⅰ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅰ变形区的变形特征 沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化现象。 ⑶ 从金属晶体结构的角度理解第一变形区的变形 沿滑移线的剪切滑移变形就是沿晶格中晶面的滑移，设工件原材料晶粒 为圆形，当受剪应力时，晶格内的晶面就发生位移，使晶粒呈椭圆形。 ⑷ 变形区的宽度(始滑移线OA至终滑移线OM之间的宽度） 在一般切削速度范围内，仅为0.02~0.2mm，很窄。 切削速度越高，始滑移线OA后移至OA’的程度就越大，变形区的宽度就 越窄。所以第Ⅰ变形区可近似用一个面来表示。 ⑸ 剪切面及剪切角υ 剪切面——工件待加工表面与切屑顶面的交线O’O’和刀尖所在直线OO所组成 的平面。 剪切角υ——剪切面与切削平面的夹角，即在正交平面内剪切线OO’与速度v 的夹角。
3、第Ⅱ变形区的变形
⑴ 第Ⅱ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅱ变形区的变形特征 沿前刀面方向产生剧烈的剪切塑性变形并随之产生加工硬化现象。表 现为切屑 层沿前刀面方向出现严重纤维化，流动速度减缓，甚至会停止在前刀面上；切屑产生 弯曲；同时产生大量的摩擦热。
底
4、第Ⅲ变形区的变形
⑴ 第Ⅲ变形区的变形过程 ⑵ 第Ⅲ变形区的变形特征 在刀具钝圆半径及后刀面的挤压、摩擦作用下，已加工表面的表层 金属产生纤 维化并随之产生加工硬化。
Fr—切削力（切屑形成力）→ Fr方向就是主应力方向。 Fs—是剪切面上的剪切力 → Fs方向就是最大剪应力方向。 据材料力学可知：主应力与最大剪应力之间的夹角应为π/4。 故由受力分析图可知：υ＋β－γo= π/4 → υ = π/4 ＋ γo － β（李和谢弗剪切角公式—根据塑性区剪切模型推导出） 另一公式： υ = π/4 ＋ γo/2 － β/2（麦钱特剪切角公式——根据单一剪切面模型推 导出） 由公式可知： γo↑——υ ↑ → 剪切滑移变形减小。 β ↑——υ ↓ → 剪切滑移变形增大。 所以，在保证切削刃强度的前提下，增大前角γo ；提高刀具刃磨质量或加切削液减 小前刀面上的摩擦即β 减小，均可减小切削变形，切削力随之减小对切削有利。
金属切削中的物理现象
10
2. 切削力
切削力的来源： 切削力的来源： 被切削材料的弹性、 被切削材料的弹性、塑性变形抗力 刀具与切屑、 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力
11
切削力的分解
1）主切削力Fz （切向力） ）主切削力 切向力） 2）切深抗力 y （径向力） 径向力） ）切深抗力F 3）进给抗力 x （轴向力） 轴向力） ）进给抗力F
mV 工件
刀具
金属丝
小孔
30
热电偶
4. 刀具磨损及耐用度
刀具失效： 刀具失效：磨损和破损
刀具的磨损形态
31
塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度 塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度KT
32
原因： 原因： •前刀面上过高的切 前刀面上过高的切 削温度引起扩散磨损 改进方法： 改进方法： •降低切削速度 降低切削速度 •减小走刀 减小走刀 •采用正前角刀片， 采用正前角刀片， 采用正前角刀片 更耐磨的刀片材质或 涂层 •避免积屑瘤 避免积屑瘤
经验公式
x Fz f y Fz Fz = C Fz a p
切削力的测定： 切削力的测定： 1、测定机床功率，计算切削力 、测定机床功率， 2、用测力仪测量切削力 、
v
n Fz
K Fz
20
3. 切削热和切削温度
切削力做功转化为切削热： 切削力做功转化为切削热：
切屑
刀具
工件
切削热的来源与传出
21
影响热传导的因素： 影响热传导的因素：导热系数和加工方法 加工方法 车削 铣削 钻、镗削 磨削 切屑 50~86% 70% 30% 4% 工件 3~9% <30% >50% >80% 刀具 10~40% 5% 15% 12%
金属切削过程培训讲义
1）工件材料的性能对切削力有显著的影响。 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。
•
•第四节 切削力、切削热与切削温度
3. 影响切削力的因素
2）切削用量对切削力的影响。
a）背吃刀量asp 和进给量f对切削力的影响;
•背吃刀量as•p↑ •进给量•f ↑
•切削速度对积屑瘤的影响
•
•第三节 金属切削过程
（三）控制积屑瘤产生的措施
（1）避免容易产生积屑瘤的切削速度范围 （2）降低材料塑性 （3）合理使用切削液 （4）增大刀具前角
•
第四节 切削力、切削热与切削温度
•
•第四节 切削力、切削热与切削温度
切削力决定着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工 表面质量。
表面也比较粗糙。
•
•第三节 金属切削过程
单元切屑
切削塑性材料时，切削层金属在塑性变形过程中，剪切面上 产生的剪应力超过材料的强度极限，切屑沿剪切面完全断开 ，形成形状类似，而又互相分离的屑块。采用极低的切削速 度，大的切削厚度，小的前角，切削塑性较差的材料时，易 形成单元切屑。形成单元切屑时，切削力波动很大，有振动 ，已加工表面粗糙，且有振纹。
切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。影 响散热的主要因素是：
⑴工件材料的导热性能 ⑵刀具材料的导热性能 ⑶周围介质 ⑷切屑与刀具的接触时间
•
•第四节 切削力、切削热与切削温度
切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质传导出去
，热平衡式可写为：
Q=Qe+Qt+Qw+Qm
(2-33)
式中 Qe——单位时间内传给切屑的热量（J/s）；
热相应增多，切削区的平均温度降低。
•
•第四节 切削力、切削热与切削温度
3. 影响切削力的因素
2）切削用量对切削力的影响。
a）背吃刀量asp 和进给量f对切削力的影响;
•背吃刀量as•p↑ •进给量•f ↑
•切削速度对积屑瘤的影响
•
•第三节 金属切削过程
（三）控制积屑瘤产生的措施
（1）避免容易产生积屑瘤的切削速度范围 （2）降低材料塑性 （3）合理使用切削液 （4）增大刀具前角
•
第四节 切削力、切削热与切削温度
•
•第四节 切削力、切削热与切削温度
切削力决定着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工 表面质量。
表面也比较粗糙。
•
•第三节 金属切削过程
单元切屑
切削塑性材料时，切削层金属在塑性变形过程中，剪切面上 产生的剪应力超过材料的强度极限，切屑沿剪切面完全断开 ，形成形状类似，而又互相分离的屑块。采用极低的切削速 度，大的切削厚度，小的前角，切削塑性较差的材料时，易 形成单元切屑。形成单元切屑时，切削力波动很大，有振动 ，已加工表面粗糙，且有振纹。
切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。影 响散热的主要因素是：
⑴工件材料的导热性能 ⑵刀具材料的导热性能 ⑶周围介质 ⑷切屑与刀具的接触时间
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•第四节 切削力、切削热与切削温度
切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质传导出去
，热平衡式可写为：
Q=Qe+Qt+Qw+Qm
(2-33)
式中 Qe——单位时间内传给切屑的热量（J/s）；
热相应增多，切削区的平均温度降低。
第2章 金属切削过程
⑶主偏角 主偏角κ r 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/ N
2200
1800
1400 1000
κr - Fc
κr – Ff κr – Fp
FC—— 切削力(Fz) Ff—— 进给力(Fx) FP—— 背向力(Fy)
600 200 30 45 60
进给力Fx (Ff)
也称轴向分力，用Fx表示—总切削力在进给方 向的分力，是设计机床进给机构不可缺少的参数。 背向力 Fy（Fp） 也称径向分力，用Fy表示 —总切削力在垂直于
工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算
系统刚度，分析工艺系统振动所必须的参数。
三个分力FC、Ff、FP与合力F 合力F ＝
2、切削温度的分布
★ 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
750 ℃
刀 具
2.3.3 影响切削温度的主要因素
1.切削用量对刀具温度的影响
切削温度与切削用量的关系式为：
θ ＝ Cθ VcZθ fyθ apxθ 三个影响指数 zθ ＞yθ ＞xθ ，说明切削速度对切削 温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。
C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损 严重，磨损带最大宽度用VC表示 B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损 量VBmax；
3.边界磨损
N区处于切削刃与待加工表面的相交处，磨 损严重，磨损量以VN表示，此区域的 磨损也叫边界磨损
2.4.2 刀具磨损的主要原因
1. 硬质点磨损
工件材料中含有硬质点杂质，在加工过程中会将刀具表面划伤， 造成机械磨损。低速刀具磨损的主要原因是硬质点磨损。
lecture6
实际措施 断屑槽； 断屑槽； 断屑台； 断屑台； 可转位刀具。 可转位刀具。
断屑槽
断屑台
2.3.3 积屑瘤 在形成连续切屑的一定切削速度范围内， 在形成连续切屑的一定切削速度范围内，加工 一般钢料或某些塑性材料时， 一般钢料或某些塑性材料时，前刀面刀刃处常 常粘附一块剖面近似呈三角状具有较高硬度的 金属硬块，代替刀刃进行切削， 金属硬块，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（刀瘤）。 刀面上的金属称为积屑瘤（刀瘤）。
2.3 金属切削过程及其物理现象 金属切削过程： 金属切削过程：刀具与工件作用使材料变形破坏 形成切屑。 形成切屑。 挤压过程——剪切变形 挤压过程 剪切变形 材料变形和摩擦——物理现象 材料变形和摩擦 物理现象 物理现象： 物理现象：切削力 切削热 积屑瘤 刀具磨损 加工硬化
2.3.1 切屑形成过程
第二变形区（摩擦变形区） 第二变形区（摩擦变形区） 切屑与前刀面摩擦的区域。 切屑与前刀面摩擦的区域。切屑沿前刀面流出时 进一步受到挤压和摩擦， 进一步受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的切屑 底层再次发生塑性变形。 底层再次发生塑性变形。 特征：切屑底层材料纤维化，流速减慢，滞留粘 特征：切屑底层材料纤维化，流速减慢， 结前刀面；切屑与前刀面接触区温度升高； 结前刀面；切屑与前刀面接触区温度升高；切 屑弯曲。 屑弯曲。 第二变形区直接影响到前刀面的磨损。 第二变形区直接影响到前刀面的磨损。 第三变形区（加工表面变形区） 第三变形区（加工表面变形区） 已加工表面与后刀面的接触区域。已加工表面受 已加工表面与后刀面的接触区域。 到后刀面的挤压和摩擦，产生变形和回弹。 到后刀面的挤压和摩擦，产生变形和回弹。 特征：表面层材料加工硬化，应力集中。 特征：表面层材料加工硬化，应力集中。 第三变形区影响到工件的表面粗糙度和表面完整 性。
第三节-金属切削过程及物理现象
d)崩碎切屑 金属切削过程及其物理现象
切削速度及进给量 刀具前角
不同切屑形成原因： 不同切屑形成原因：
低硬度和高热物理性能的工件材料： 在很大切削速度范围内易形成连续带状切屑
硬度较高和低热物理特性的工件材料： 在很宽的切削范围均形成锯齿状切屑，随切削温度 升高，锯齿化程度增加，直至形成分离的单元切屑 但形成锯齿状切屑，将引起一定的切削力波动。
第三节
金属切削过程及其物理 现象
“可接受”的切屑标准：不妨碍正常的加工；不影 响操作者的安全；易于清理、存放和搬运。 实际生产中切削控制的措施：在前刀面上磨制出 断屑槽或使用压块式断屑器。
第三节 金属切削过程及其物理现象
断屑槽的基本形式：
L：切屑在前刀面上的接触长度 R：卷屑槽半径
第三节 金属切削过程及其物理现象
第三节
金属切削过程及其物理 现象
通过分析积屑瘤产生原因可以得出防止积屑瘤的主 要方法：
1. 2.
降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易 发生； 采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应 温度； 采用润滑性能好的切削液，减小摩擦； 增大刀具前角，以减小切屑于前刀面接触区的压力； 适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
3. 4. 5.
LU型 LU型：将5°、7°、11°正型刀片 11° 加以系列化。 加以系列化。刀片材质备有金属陶 瓷涂层“ 瓷涂层“T3000Z”、金属陶瓷 涂层“ “T1200A”、涂层“New AC2000”、 “AC700G”、“ACZ310”5类。 LUW型 顶角为80 菱形， 80° LUW型：顶角为80°菱形，将7°、 11°正型刀片系列化。 11°正型刀片系列化。通过与涂层 及涂层金属陶瓷3种材质的组合， 及涂层金属陶瓷3种材质的组合， 共计有12种产品。 12种产品 共计有12种产品。
第2章 金属切削过程的物理现象
2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤
1．切屑与前刀面的摩擦 切屑与前刀面间的这种 摩擦与一般金属接触面 间的摩擦不同。切屑与 前刀面接触区分为粘结 区和滑动区两部分。
外摩擦
图2-5切屑与前刀面摩擦特性
内摩擦
•
刀—屑接触区的摩擦特点
切屑沿前面流出 → 切屑与前刀面间压力 大（2~3Gpa）、温度高（400~1000℃），切 屑底部严重塑性变形且与前刀面发生粘结 → 刀-屑间的摩擦不再是外摩擦，而是粘结层与 金属层的内摩擦 → 刀-屑接触区内摩擦力占 85%，整个接触区正应力σ以刀尖处最大 → 刀 -屑接触区实际上存在两个分区： 滑动区、粘 结区
切屑
节状切屑
粒状切屑
崩碎切屑
2) 节状切屑 又称挤裂切屑，外形和带状切屑不同之处在 于外表面呈锯齿形，有明显裂痕，内表面有时有裂纹，并未断 开，如图所示。 产生条件：这种切屑是在加工中等塑性金属材料时，切削 速度较低，切削厚度较大，并在较小的刀具前角的情况下产生。 影响：它的切削力波动较大，已加工表面粗糙度高。
2．切削用量
•ap和f的大小决定切削面积的大小。因此，ap和f的增加
均会使Fc增大，但两者的影响程度不同。ap增大，Fc成
正比线性增大。f增大，Fc成正比非线性增大。 这是由于，ap增大1倍，切削宽度aw增大1倍，故Fc 也增大1倍。f增大1倍时，切削厚度ac也增大1倍，Fc应随 之增大1倍。但是ac的增加将使变形系数下降，导致Fc 也有所下降，综合考虑，Fc的增长要慢于f的增长。 另：从切削力的指数公式中的系数大小也可看出切削 用量的影响程度的区别。
重要结论： 当切削面积相同时，采用较大的进给量f 及较小的背吃刀量ap可使切削力小一些→故从 刀具负荷和能量消耗方面来考虑，用大的进给 量f比用大的背吃刀量ap更有利。
第三节金属切削过程
1. 总切削力的来源
其一是来自于金属 切削过程中克服被加工 材料的弹、塑性变形抵 抗所需要的力。
其二是克服切屑 与刀具前刀面，工件 表面与刀具后刀面之 间的摩擦阻力所需要 的力。
这两方面的合力就是总切削力F
切削力的来源
2.切削力的分解
切削力Fc
切削力Fc是总切削力在 主运动方向的分力，因此它 垂直于基面。它是切削过程 中消耗功率最大的一个切削 分力。是计算切削功率、确 定机床动力、校核刀具、夹 具以及机床主运动系统中零 件的强度、刚度的主要依据。
26
切削热的产生与传出
切削热传出
工件 切屑 刀具 周围介质
当产生的热量于传出的热量平衡时，切削区的平 均温度即为切削温度
27
切削温度分布
➢ 切削温度--------切削区的平均温度即为切削温度
切削区温度分布规律
1）剪切区内，沿剪切面方 向上各点温度几乎相同，而 在垂直于剪切面方向上的温 度有变化。
（4）影响刀具寿命。
积屑瘤前角和伸出量
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。
抑制或消除积屑瘤的措施
➢ 控制切削温度是抑制积屑瘤的有效方法之一，
即采用低速或高速切削。
➢ 采用高润滑性的切削液，提高刀具的刃磨质量,
使摩擦和粘结减少；
刀具总使用寿命＝刀具使用寿命×刃磨次数
46
刀具使用寿命是表征刀具材料切削性 能优劣的综合性指标。
在相同切削条件下，使用寿命越高， 表明刀具材料的耐磨性越好。在比较 不同的工件材料切削加工性时，刀具 使用寿命也是一个重要的指标，刀具 使用寿命越高，表明工件材料的切削 加工性越好。
其一是来自于金属 切削过程中克服被加工 材料的弹、塑性变形抵 抗所需要的力。
其二是克服切屑 与刀具前刀面，工件 表面与刀具后刀面之 间的摩擦阻力所需要 的力。
这两方面的合力就是总切削力F
切削力的来源
2.切削力的分解
切削力Fc
切削力Fc是总切削力在 主运动方向的分力，因此它 垂直于基面。它是切削过程 中消耗功率最大的一个切削 分力。是计算切削功率、确 定机床动力、校核刀具、夹 具以及机床主运动系统中零 件的强度、刚度的主要依据。
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切削热的产生与传出
切削热传出
工件 切屑 刀具 周围介质
当产生的热量于传出的热量平衡时，切削区的平 均温度即为切削温度
27
切削温度分布
➢ 切削温度--------切削区的平均温度即为切削温度
切削区温度分布规律
1）剪切区内，沿剪切面方 向上各点温度几乎相同，而 在垂直于剪切面方向上的温 度有变化。
（4）影响刀具寿命。
积屑瘤前角和伸出量
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。
抑制或消除积屑瘤的措施
➢ 控制切削温度是抑制积屑瘤的有效方法之一，
即采用低速或高速切削。
➢ 采用高润滑性的切削液，提高刀具的刃磨质量,
使摩擦和粘结减少；
刀具总使用寿命＝刀具使用寿命×刃磨次数
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刀具使用寿命是表征刀具材料切削性 能优劣的综合性指标。
在相同切削条件下，使用寿命越高， 表明刀具材料的耐磨性越好。在比较 不同的工件材料切削加工性时，刀具 使用寿命也是一个重要的指标，刀具 使用寿命越高，表明工件材料的切削 加工性越好。
机械制造技术第二章金属切削基本原理课件
切削振动对表面质量的影响与控制
切削振动对表面质量的影响
切削过程中，由于刀具与工件的相互作用，可能会产生振动。振动会导致切削刃振动和工件振动，从而影响已加 工表面的粗糙度和波纹度，降低加工质量。
控制切削振动的方法
通过合理选择刀具材料和几何参数，优化切削用量和切削液的使用，以及采用减振装置和动态优化技术等措施， 可以有效减小切削振动，提高加工表面的质量。
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加工硬化与残余应力的影响
加工硬化
金属切削过程中，由于切削力的作用， 已加工表面层会发生冷作硬化，使表 面层金属的硬度和强度提高，塑性和 韧性降低。
残余应力
切削过程中，由于切削力和切削热的 共同作用，已加工表面层会产生残余 应力。残余应力分为压应力和拉应力， 过大的残余应力可能导致工件变形或 开裂。
边界磨损
切削过程中，切屑在刀尖处与刀具摩 擦造成磨损，影响切削效果和刀具寿 命。
破裂
切削过程中，切削力超过刀具材料的 强度极限，导致刀具破裂。
04 金属切削的工艺参数选择
切削速度的选择
01
02
03
04
切削速度对刀具寿命和 加工质量有显著影响。
切削速度越高，刀具寿 命越短，但工件加工时 间减少，生产效率提高。
选择切削速度时应综合 考虑刀具寿命、加工质 量和生产效率。
根据工件材料、刀具材 料和加工条件，选择合 适的切削速度范围。
进给量的选择
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02
03
04
进给量是影响切削力和切削温 度的重要因素。
进给量过小，切削力增大，刀 具磨损加剧；进给量过大，切 削力减小，但工件表面粗糙度
增加。
选择进给量时应根据工件材料 、刀具材料和加工条件，以及 表面粗糙度要求进行合理调整
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五．变形程度的表示方法
1. 剪切角 2. 相对滑移或剪应变 3. 变形系数 a / l
六． 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响
特征：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度 减慢，甚至滞留在前刀面上； 切屑弯曲； 由摩擦产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高。
1. 2. 3. 4.
七． 积屑瘤的形成及其对切削过程的影切 屑的情况下，加工一般钢料或其他 塑性材料时，常常在刀具前刀面粘 着一块剖面有时呈三角形的硬块。 它的硬度很高，通常是工件材料的 2~3倍，在处于比较稳定的状态时， 能够代替切削刃进行切削。这块冷 焊在前刀面上的金属就叫积屑瘤。
第三节 金属切削过程及其物理现象
一． 国内外切削理论研究概述
1. 2. 3. 1870年，俄国学者基麦就开始了切削理论的研究工作，提出塑 性金属的切削过程是由挤压产生的剪切过程。 1913年~1916年，乌沙丘夫的研究使人们对切削过程的认识 由外部深入到内部。 1907年，美国学者泰勒(Taylor)发表了（On the Art of Cutting Metal）一书，提出了著名的切削速度与刀具耐用度关 系式（著名的泰勒公式），对生产应用产生了重大影响。 1941年，美国学者麦钱特（Merchant)发表了（Mechanics of the Metal Cutting Process)的著名论文，提出了塑性金属 切削是剪切过程的力学模型，推导了剪切角的理论公式。
4.
5.
6.
在Merchant之后，诸多学者对剪切角的理论推导，剪切角与变形 的关系以及切削速度对切屑变形的影响进行了广泛的研究。如美国 学者李-谢弗、苏联学者佐列夫、澳大利亚学者奥克斯利、日本学 者中山一雄、日本学者臼井英治、华裔学者赵佩之、美国学者阿尔 伯莱特等都各自做出了一定的贡献。 1981年起，在刘培德教授的带领下，大连理工大学机械系金属切 削原理与刀具教研室的多位老师开展了切削理论的研究。取得的成 果有： 提出了正交切削时刃前区应力分析的新模型（带弯矩的切削力学模 型） 证明了切削过程中存在弯矩，弯矩的存在使切屑发生弯曲。通过一 定手段控制弯矩的大小及正负控制切屑的卷曲与折断，从而发展了 断屑理论。解决了诸多生产难题，如上海宝钢无缝钢管厂在西德产 数控车床上螺纹加工的断屑问题。
2. 第Ⅱ变形区（摩擦变形区）切屑与前刀面相互摩擦的区 域。 3. 第Ⅲ变形区（加工表面变形区）已加工表面与后刀面相 互接触的区域。 特征：已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压 与摩擦，产生变形和回弹，造成纤维化和加工硬 化。
四．第一变形区内金属的剪切变形
特征：沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加 工硬 化。
降低切削速度，使切削温度降低，粘结现象不易产生。 增大切削速度，使切削温度升高，粘结形象不再产生。 采用润滑性能好的切削液，减小摩擦。 增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力。 适当改变工件材料的加工特性，减小加工硬化倾向。
3.
影响积屑瘤产生和大小的因素
金属材料的硬化程度 刃前区的温度与压力
4.
积屑瘤对切削过程的影响
实际切削前角增大 实际切削厚度增大（背吃刀量增大） 使加工表面粗糙度增大（积屑瘤的突出部分不光滑使加 工表面变得粗糙） 对刀具寿命有影响
5. 防止积屑瘤产生的主要方法
2.
积屑瘤是如何产生的？
切屑与前刀面（由于相互摩擦变得非常洁净） 在一定温度和压力下产生粘结（冷焊）；切屑 从粘在刀面的底层上流过，形成内摩擦；如果 温度和压力适当，底层上面的金属因内摩擦而 变形，也会发生加工硬化，从而被阻滞在底 层，粘成一体；粘结层逐渐长大，直到该处的 温度与压力不足以造成粘结，积屑瘤就生成了。
作用在切屑上的力 剪切角与前刀面摩擦角的关系 前刀面与切屑底部的摩擦情况 影响前刀面摩擦系数的因素
恩斯特(Ernst)和麦钱特(Merchant)剪切角公式
4
2
o
2
李-谢弗(Lee-Shaff)剪切角公式
4
o
影响前刀面上摩擦系数的因素
工件材料：工件材料的强度和硬度越大，摩擦系数会略 有减小。 切削厚度：切削厚度增加时，正应力随之增大，摩擦系 数会略有减小。 切削速度：随切削速度的增加，摩擦系数一般是先增大 后减小。 刀具前角：在一定速度范围内，前角越大，摩擦系数越 大。
二． 研究金属切削过程的实验方法
1. 2. 3. 4. 5. 6. 侧面方格变形观察法 高速摄影法 快速落刀法 扫描电镜显微观察法 光弹性、光塑性试验法 其他试验方法（显微硬度测量、X射线衍射法、测量切削力、切 削温度等的仪器和方法）
三．变形区的划分
1. 第Ⅰ变形区（基本变形区） OA与OM之间是切削层的塑性 变形区。