第三节金属切削过程物理现象教学目标：要求学生掌握金属切削过程的基本规律、切削过程中影响加工质量的因素，了解提高加工质量的途径教学重点：切削过程的基本规律、切削力、切削热、刀具的磨损、刀具的使用寿命教学难点：切削过程的基本规律、积屑瘤研究金属切削过程意义在金属切削过程中，工件材料在刀具的作用下发生弹、塑变形，从而产生：（1）产生切削变形形成切屑。
存在卷屑与断屑等问题。
（2）产生切削力。
存在工艺系统变形等问题。
（3）产生切削热并使切削区域温度升高，存在加工精度和表面质量等问题（4）刀具的磨损及其他现象。
研究金属切削过程的目的：掌握金属切削过程的基本规律，（1）对影响切削过程的各种因数加以有效的控制，保证加工精度和表面质量，提高切削加工效率，降低生产成本和劳动强度（2）寻找切削加工中存在的问题及解决途径2 切屑形成过程概述：金属切削过程的实质：金属材料在刀具的挤压下产生剪切滑移变形金属切削过程理论的建立基础：实验：（1）侧面方格变形观察法（2）用快速落刀法获得切屑根部。
通过对这两个实验的观察和分析，切削过程中的切削变形大致可分为三个区域：1、第一变形区2、第二变形区3、第三变形区（插图）1.第一变形区：部位：从OA面到OM的AOM区域。
OA：始滑移面；OM：终滑移面注:OA面、OM面实际上是许多等应力曲面中的两个。
变形过程：在OA面的前方晶粒首先发生弹性变形，在OA面处晶粒沿OA方向开始发生剪切滑移，到OM面处晶粒的剪切滑移基本完成。
故这部分区域也称为剪切滑移变形区。
注:由于始滑移面OA与终滑移面OM之间的距离很小(约0.02～0.2mm)，故可用剪切面OM 表示。
剪切面与切削速度Vc方向之间的夹角称剪切角，用φ来表示。
特点：第一变形区的变形量最大，占总变形量的85%以上，故也称为基本变形区。
2.第二变形区：部位：切屑与刀具前刀面接触的极薄一层金属内。
原因：第一变形区产生的切屑存在弹性变形，在排出时切屑给刀具的前刀面产生一个正压力，且切削时存在高温，在刀/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纤维化，其方向基本上和前刀面相平行。
根据变形的特征，这部分也叫做前刀面挤压、摩擦变形区*、第二变形区的大小，对第一变形区有影响用第二变形区大剪切角φ小,切削变形大4.第三变形区：（1）部位：已加工表面上极薄的一层金属层（2）原因:刀刃有钝圆有一点o：o点上面的金属，进入第一变形区形成切屑；o点下面的金属，被刀刃压入工件表面基体形成已加工表面。
该层金属与刀具后刀面接触、产生弹性、塑性变形。
塑性变形使晶粒纤维化。
第三变形区也常称为后刀面的挤压、回弹，摩擦变形区当后角αo小，刀刃钝时，晶粒纤维有时会拉断，产生微观裂纹。
∴第三变形区对已加工表面质量有直接影响归纳1.第一变形区内:剪切滑移变形2.第二变形区内:挤压与摩擦变形3.第三变形区内:挤压与摩擦变形3 切屑的种类工件材料不同, 切削条件不同, 切削过程中的变形程度也就不同, 产生的切屑也不同。
带状切屑(带状切屑)：特征:内表面是光滑的, 外表面是毛茸呈带状;形成条件:塑性材料, 切削厚度较小, 切削速度较高,刀具前角较大时,容易得到这类切屑。
对切削过程的影响:切削过程比较平稳; 塑性变形均匀; 切削力波动小; 已加工表面粗糙度较小。
缺点：切屑不易处理节状切屑(挤裂切屑)：特征:切屑外表面呈锯齿形, 内表面有裂纹形成条件:比形成带状切屑的切削速度略低、切削厚度较大,工件材料塑性较差的情况下产生。
粒状切屑(单元切屑)：特征:梯形状粒状切屑当切屑形成时, 如果整个剪切面上剪应力超过了材料的破裂强度, 则整个单元被切离, 成为梯形状粒状切屑形成条件:切削速度更低、切削厚度更大,工件材料塑性更差的情况下产生。
崩碎切屑：特征:不规则的碎块状切屑, 同时使工件加工表面凹凸不平形成条件:切削脆性金属,切削脆性金属时,由于材料的塑性很小、抗拉强度较低, 刀具切入后, 切屑层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就在张应力状态下脆断, 形成不规则的碎块状切屑, 工件加工表面由凹凸不平的小坑组成。
归纳起来, 可分为以下四种类型带状切屑、节粒状切屑(单元切屑/挤裂切屑)粒状切屑(单元切屑)崩碎切屑。
切屑的控制1.磨制断屑槽2.适当调整条件切削3.热处理4.改变工件材料的成份4 变形系数和相对滑移一、变形系数切屑变形的测量切屑厚度h ch通常都大于工件上切削层的厚度h D而切屑长度l ch却小于切削层长度(l D)。
Λl=lD/lch Λa=hch/hD工件上切削层变成切屑后宽度的变化很小, 根据体积不变原理, 显然Λa=Λl=Λ变形系数Λ一般大于11、变形系数Λ直观地反映了切屑变形程度2、变形系数Λ比较容易测量:l c是与切屑长度l ch对应的切削层长度;l ch可用保险丝量出。
Λ值越大, 表示切屑越厚，长度越短, 标志着切屑变形越大。
这个方法很简便, 但也很粗略。
表示切削变形有其局限性二、相对滑移切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，故用"相对滑移"衡量变形程度,是比较合理的。
6 积屑瘤现象及对切削过程的影响一、积屑瘤现象塑性材料，Vc不高，能形成带状切屑，工件材料有时会层积在刀具前刀面上，形成硬度高的楔块(工件材料硬度的2~3倍)，代替刀具进行切削这种硬度很高的楔块叫积屑瘤二、积屑瘤对切削过程的影响1增大已加工表面粗糙度,精度降低(不稳定,伸出量不均匀)2.增大前角3.增大切削厚度4.保护刀具加工种类不同,积屑瘤的利弊也不同粗加工: 加工表面质量的要求不高,积屑瘤对粗加工是有利的。
实际切削前角变大,切削力减小,能耗降低; 可加大切削用量, 使劳动生产率得以提高;积屑瘤还能保护刀具, 减少磨损。
精加工:精加工要求较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度,积屑瘤降低尺寸精度和增大已加工表面粗糙度。
所以, 积屑瘤对精加工是不利的。
三、积屑瘤的原因刀屑之间的冷焊切屑层的冷作硬化和强化影响积屑瘤的主要因素：工件材料的加工性能、切削速度、刀具前角和冷却润滑条件等。
*工件材料：塑性影响最大，塑性↑，切屑变形↑，刀屑间的摩擦↑，第二变形区的长度↑，越易产生积屑瘤。
加工硬度↓塑性↑的工件：用正火调质冷拨→强度、硬度↑，塑性↓→积屑瘤↓工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤生成的主要因素。
在V C很低或很高的切削条件下: 不会或产生很小的积屑瘤在某一速度范围内(一般钢料约为Vc=5～50m／min) 最容易产生积屑瘤。
当VC很低时：温度不高，刀屑间不易产生粘结，故不易产生积屑瘤；当VC很高时：切削温度高，切屑底层金属变软，滞流层易被切屑带走，积屑瘤随之消失。
故在精加工时，宜用低速或高速切削刀具前角：适当增大前角，切屑变形、切削力、切削温度↓→抑制积屑瘤的产生。
切削液、减小刀具表面的粗糙度、切削层厚度：有助于抑制积屑瘤的产生。
四、防止积屑瘤的主要方法是：（1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生（2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；（3）采用润滑性能好的切削液，减小磨擦；（4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀的面接触区的压力；（5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向（5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向3．响切屑变形的主要因素(1)工件材料: 工件材料的强度σｂ↓,塑性δ↑,切屑变形就↑。
σｂ↓,σｓ↓，在较小的应力作用下就会产生塑性变形。
δ↑的材料，连续进行塑性变形的能力强，在破坏之前的塑变大，因此切屑变形也就越大。
(2)刀具前角前角越大，倒刃钝圆半径越小，刀刃越锋利，切屑变形也就相应减小(3)切削速度切削速度对切屑变形的影响在有积屑瘤生成的切削速度范围内(图中为Vc<55m／min)，Vc通过积屑瘤来影响切屑变形。
Vc增加使积屑瘤增大时(Vc约在8～22m／min间)，刀具实际工作前角增大，切屑变形减小Vc再增加积屑瘤减小时(Vc大约在22～55m／min间刀具实际工作前角减小，切屑变形增大在无积屑瘤的切削速度区域，切屑变形程度只与切削速度有关。
Vc 增大时，切屑通过变形区的时间极短，来不及充分地剪切滑移即被排除切削区外，故切屑变形随切削速度的增加而减小(4)进给量 如前所述，切屑底层的金属，经过第一、第二变形区的两次塑性变形，其变形程度比切屑上层要剧烈得多。
进给量越大，切屑层公称厚度也越大，第二变形区的影响相对小一些。
所以，进给量越大，切屑平均变形程度λh 越小，二、切削力来源:工件材料塑性变形时的变形抗力、刀具前、后面上的内摩擦阻力。
这些力是分布力,经过合成得总切削力F 。
总切削力的作用:用来计算切削功率、设计和选用机床、夹具、刀具。
1．总切削力的分解和切削功率(1)总切削力的分解 为了应用和测量的方便，将F 分解成与主运动和进给运动方向相一致，形成三个分力。
1)切削力Fc ：在主运动方向上的分力。
耗功大的力，也称为主切削力或切向力是计算工艺装备的强度、刚度以及校验机床功率的原始数据之一。
2)背向力Fp ：垂直于工轴线的分力。
也称为径向力使工件变形、产生振动，对加工精度、加工表面质量影响较大。
Fp 是计算工艺系统刚度及变形量的原始数据之一。
3)进给力Ff ：与工件轴线平行的分力，也称为轴向力Fr 是计算刀具、机床和夹具的强度、刚度以及校验机床进给功率的原始数据之一总切削力F 先分解为Fc 和FD ，然后再将FD 分解为Fp 和Ff ，如不考虑副切削刃的切削作用以及其它造成流屑方向改变的因素的影响，总切削F 就在刀具的正交平面内，故有一般 Fc 最大，Fp 和Ff 小一些。
随着刀具几何参数、刃磨质量、磨损情况和切削用量的不同，Fp 和Ff 相对于Fc 的比值在很大的范围内变化。
Fp=(0．15～O ．7)FcFf=(0．10～0．6)Fc(2)切削功率:力和力作用方向上运动速度的乘积就是功率，切削功率是第一变形区内的剪切功和第二、第三变形区内的摩擦功的总和切削功率是各切削分力所作功的总和外圆车削中:Fc 与切削速度VC 方向同 Fp 方向的速度为零，即Fp 不作功Ff 与进给速度vf 方向同,由于Ff 小于Fc,Vf 又比VC 小得多，因此，Ff 所作的功仅占1％～2％，所以切削功率Pc(kW)常仅根据Fc 和VC 来计算，3．影响切削力的因素凡是影响切削变形抗力和摩擦阻力的因素，都会影响总切削力3、影响切削力的因素：工件材料、切削用量、几何参数(1)工件材料：1、 2、工件塑性↑、韧性↑→ 摩擦↑→Fc ↑3、脆性材料 →没有塑变→Fc ↓(二)切削用量：1、asp:asp ↑→bD ↑→切削层面积↑→Fc 以1：1比例上升2、f:f ↑→hD ↑→切削面积↑→Fc ↑ 综合f ↑→Fc ↑f ↑→ hd ↑→Λ↓→Fc ↓ 但不成比例↑↑→↑→c s b F HRC τσ、Vc 只对塑性材料有影响，对脆性材料没有影响，因为脆材没有什么塑变。
