第三章金属切削过程

切屑的形成过 程就是切削层金属 的变形过程，即在 前刀面的推挤、摩 擦作用下，使变形 金属内部发生剪切 滑移的过程
金属切削变形过程
切削变形实验设备与录像装置
切屑根部的金相显微照片 绘出金属变形过程中的滑移线和流线示意图
第一变形区 （剪切滑移）
终滑移线
第二变形区 （纤维化）
始滑移线：τ=τs
第三变形区（纤 维化与加工硬化）
，提高生产率，降低成本具有重要意义。
一、切削层参数
①切削层公称厚度hD（ ac)
切削层是指在切削过 程中，由刀具在切削部分 的一个单一动作（或指切 削部分切过工件的一个单 程，或指只产生一圈过渡 表面的动作）所切除的工 件材料层。
②切削层公称宽度bD(aw)
垂直于正在加工的表面 （过渡表面）度量的切削层 参数。 hD＝fsinKr
厚度变形系数： 变形系数ξ

ach cos( 0 ) ac sin
切屑厚度与切削层厚度的比值。
相对滑移量ε
切削层滑移的距离与切削层距离的比值
cos 0 s NP NK KP ctg tg ( 0 ) y MK MK MK sin cos( 0 )
综上所述，切削用量对切削温度的影 响程度以切削速度为最大，进给量次之， 背吃刀量最小。 因此，若要切除给定的余量，又要求 切削温度较低，则在选择切削用量时， 应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选 择一个适当的进给量，最后再选择合理 的切削速度。 上述切削用量选择原则是从最低切削 温度出发考虑的，这也是制订零件加工 工艺规程时，确定切削用量的原则。
平行于正在加工的表面 （过渡表面）度量的切 削层参数。 bD＝ap／sinKr
③切削层公称横截面积AD (Ac)
在基面内测量的切削 上述公式中可看出 hD、bD均与 层的横截面积。 主偏角有关，但切削层公称横 AD＝hDbD=apf 截面积AD只与hD、bD或f、ap有关。
二、切削过程
1. 刀具挤压工件，产生变形 2. 滑移 3. 挤裂 4. 切离
3）刀具前角：刀前角越小，刀具与切屑接触面积越 大，越易产生积屑瘤；而刀前角γ增大，刀具与切 屑接触面积小，摩擦力小，切削温度低，则不易 产生积屑瘤。生产实践证明，积屑瘤形成的最大 角度是30°，当刀具的前角≥30°时，则不不容 易产生积屑瘤。 4）切削液：使用润滑性能良好的切屑液，可以降低 切削温度，减少摩擦，从而抑制积屑瘤的形成。
切削塑性材料时
3）刀具几何参数对切削力的影响。 a） 前角o对切削力的影响;
变形抗力↓ 刀刃锋利↑ b） 主偏角r 对切削力的影响; 前角o↑
切削力↓
FP FD cos r
Ff FD sinr
c）刃倾角ls 对切削力的影响;
ls↑
Fp↓ Ff↑
d）刀尖圆弧半径r 对切削力的影响;
(3)刀具几何参数 1） 前角 2） 主偏角
三、刀具磨损与刀具寿命
1. 刀具磨损的形式
车刀典型磨损形式示意图
2 刀具磨损原因
1）磨料磨损 工件和切屑中的硬质点（如炭化物）以及不断脱落 的积屑瘤碎片划擦刀面产生磨损。 2） 粘结磨损 切屑与刀具在压力和摩擦条件下冷焊粘结，然后相 互被拉开，产生表面破坏伤痕。
切削变形区
第二变形区： 切屑底层与前刀面之间的摩擦 变形区。主要影响切屑的变形 和积屑瘤的产生。
第一变形区
第二变形区
第三变形区
切削变形区
第三变形区： 工件已加工表面与刀具后刀面之 间的挤压、摩擦变形区域。 造成工件表面的纤维化与加工硬 化。 该区域对工件表面的残余应力以 及后刀面的磨损有很大的影响。 第一变形区 第二变形区 第三变形区
第三章 金属切削过程
本章主要内容： 3.1 金属切削过程 3.2 切削过程基本规律 3.3 切削过程基本规律的应用
3.1 金属切削过程
金属的切削过程是指切屑和已加工表
面的形成过程。伴随着切屑的形成，会产
生切削变形、积屑瘤、表面硬化、切削力
、切削热和刀具磨损等物理现象。了解这
些现象的本质和规律，对于保证加工质量
（1）总切削力的分解
F
2 FC2 FD
FC2 FP2 Ff2
FP FD cos r
Ff FD sin r
Fp (0.15 ~ 0.7) Fc F f (0.10~ 0.6) Fc
（2）切削功率
Fc vc Pc 4 6 10
单位：kw
Fc——切削力，单位：N； vc——切削速度，单位：m/min。
切屑
工件
刀具
车削
铣削
50~80%
70%
10~40%
<30%
<5%
5%
钻、镗削
磨削
2. 切削温度 的分布 切削温度指切 屑与前面接触 区域的平均温 度，是切削热 在工件与刀具 上作用的结果。
30%
4%
>50%
>80%
15%
12%
3.影响切削温度的主要因素 (1)工件材料 工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大， 单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。 脆性金属切削是塑性变形小，温度较低。 工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的 切削热相应增多，切削区的平均温度降低，但工 件温度高，影响加工精度。
“ 在一定的温度和压力下 , 切 削塑性金属时,切屑底层与 前刀面嵌入式结合发生冷 焊现象,使一部分切屑粘结 在前刀面上,形成积屑瘤”。
1. 特点：
① 硬度是工件材料的2~3.5倍 可以代替刀具切削。
② 周而复始的生长、脱落。
2. 产生条件： ① 切削塑性材料。 ② 切削区的温度、压力和界 面状况符合在刀面上发生 冷焊的条件。
使用切削液 对切削力的影响;
二、切削热和切削温度
1.切削热的来源与传出
第一变形区： 60%的热量 第二变形区： 30%的热量
Q Fc
vc
第三变形区： 10%的热量
式中 Q——单位时 间产生的热量，单 位：J / s； Fc——切削力，单 位：N； vc——切削速度单 位：m / s。
加工方法
刀具磨损机理
3）扩散磨损：
工件材料和刀具在高温下（ 900~1000℃） 相互扩散造成的磨损。
刀具磨损机理
4）氧化磨损：
刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后，在 高温下（700~800℃）与空气中的氧作用产生松脆氧化 物，造成刀具磨损。
综上所述：
3 刀具磨损过程及磨钝标准
1）.刀具的磨损过程（初期磨损阶段、正常 磨损阶段、剧烈磨损阶段）
3. 影响积屑瘤的因素
1）工件材料 ：塑性好的材料，切削时的塑性变形 较大，容易产生积屑瘤。塑性差硬度较高的材料 ，产生积屑瘤的可能性相对较小。切削脆性材料 时，形成的崩碎切屑与前面无摩擦，一般无积屑 瘤产生。 2）切削速度 ：切削温度对积屑瘤的形成有很大影 响，而切削温度又受切削速度的影响。
3. 影响积屑瘤的因素
3. 对切削过程的影响： ① 积屑瘤代替刀刃进行切削，保护 了刀刃，增大了前角。 ② 积屑瘤形状不规则，频繁生长脱 落，影响尺寸精度和表面质量。 故： 粗加工时可人为控制积屑瘤的生 长，使积屑瘤能稳定存在。 精加工时应抑制积屑瘤的产生。
控制措施：
① ② ③ ④ 提高前刀面的光滑程度； 提高工件的硬度，降低塑性； 采用合适的切削液； 避开积屑瘤产生的速度范围。
2.积屑瘤对切削加工的影响
1）对切削力的影响： 积屑瘤粘结在前刀面上，增 大了刀具的实际前角，可使切削力减小。但由于 积屑瘤不稳定，导致了切削力的波动。 2）对已加工表面粗糙度的影响：积屑瘤不稳定，易 破裂，其碎片随机性地散落，可能会留在已加工 表面上。另外，积屑瘤形成的刃口不光滑，使已 加工表面变得粗糙。 3）影响刀具耐用度：积屑瘤相对稳定时，可代替切 削刃切削，减小了切屑与前刀面的接触面积，提 高刀具耐用度；积屑瘤不稳定时，破裂部分有可 能引起硬质合金刀具的剥落，反而降低了刀具耐 用度。
第一变形区
第二变形区
第三变形区
切削变形区
第一变形区：（主变形区） OA~OM 之间的区域，是切削 过程中的主要变形区，是切削 力和切削热的主要来源。 主要特征： 剪切面的滑移塑性变形
第一变形区 第二变形区
第三变形区
切屑变形系数ξ
长度变形系数：
lc L lch
ach a ac
切削层长度与切屑长度的比值。
积屑瘤
当切削塑性材料且切削速度不高时，常有些 从切屑和工件上带来的金属粘附在刀具前刀面上 ，在靠近切削刃处形成一个硬度很高的金属堆积 物，其硬度是工件材料的2-3.5倍，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。
γ０
γ01
刀具 积屑瘤
２
1. 积屑瘤的形成原因
在切削过程中，切屑与前刀面之间生产剧烈 的摩擦和巨大的压力，使切屑在流动过程中，其 底层与前刀面接触处的流速较上层缓慢很多，出 现“滞流层” ； 当滞流层金属与前面之间的摩擦 力超过切屑本身分子间的结合力时，就会有一部 分金属粘结在刀刃附近形成积屑瘤。积屑瘤形成 后不断长大，达到一定高度又会破裂，而被切屑 带下或嵌附在工件表面上，影响表面粗糙度。上 述过程是重复进行的。
三、影响切削变形的主要因素
1. 工件材料的力学性能
材料强度越高，塑 性越大，则变形系数越小， 切削变形减小。
2.切削用量
（1）切削速度
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 形系数ξ不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 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。