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1、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。,2.1 金属切削过程及切屑类型,一、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 。,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
2、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。,图2-20 金属挤压与切削比较,2切屑形成过程模型,图 切屑形成过程模型,动画,3.切削变形区的划分,根据实验时的切削层变形图片可绘制如图2-1所示的切削变形模型，其变形大致可分为三个变形区。,图21 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切
3、削过程的塑性变形主要集中于此区域。,图 切削部位三个变形区,第变形区：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。,图22 第一变形区金属的滑移,带状切屑,挤裂切屑,节状切屑,崩碎切屑,三、切屑的类型,带状切屑 最常见的屑型之一（图）。 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： 一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切 削速度较高、刀具前角较大时，会得到此类切 屑。 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：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。,挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，
4、外表面是锯齿形。 形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图)。,单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑(图)。,崩碎切屑 切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑(图) 。,1.剪切角 图,四、切削变形程度的表示方法,剪切面 p与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角，用表示,剪切角 剪切
5、面积变形程度切削力。,图 角与剪切面面积的关系 图2-28 变形系数的求法,切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，用h 表示，h = 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l表示，l=lc/lch 。 根据体积不变原理, 则 a l。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。,2. 变形系数,五、前面上的摩擦与积屑瘤,在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。,1.前刀面上的摩擦,图 切屑与前刀面的摩擦,粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘
6、接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。,在粘结区，切屑的底层与前刀面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，而是内摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层 。 所谓“内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。 切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。 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。,图28 切屑和前面摩擦
7、情况示意图,平均摩擦系数,2.积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。,产生这种现象，是切屑的底层与前刀面呈现冷焊状态，而使滞流层金属不断堆积的结果。,积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。,3）影响积屑瘤的因素,2）积屑瘤的形成原因,1）什么是积屑瘤,图2-9 积屑瘤高度与切削速度关系示意图,4）积屑瘤对切削过程的影响,实际前角增大（图2-10）； 增大切削厚度（图2-10） ； 使加工表面粗糙度增大； 对刀具寿命的影响。,一般积屑瘤对切削加工
8、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。,图210 积屑瘤前角和伸出量,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vc3m/min和较高速度vc60m/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； 适当提高工件材料的硬度； 提高刀具的刃磨质量； 合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。,5）抑制或消除积屑瘤的措施,2.2 切削力,一、切削力的来源与切削分力,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
9、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、塑性变形抗力和摩擦阻力（图2-12） 。,图2-12 切削力的来源,2.切削力的分解,通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc 、进给力 Ff 、背向力 Fp (图2-13)。,切削力Fc,（旧称主切削力，用Fz表示）总切削力在主运动方向的分力，是计算机床切削功率、选配机床电机、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。,背向力 Fp,进给力Ff,旧称径向分力，用Fy表示 背向力在垂直于工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参
10、数。,旧称轴向分力，用Fx表示进给力在进给方向的分力，是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数,图2-13 切削力的分解,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 PcFcc/6010-3 （kW） 机床电机功率 PE =Pcm（m0.750. 85）。,二、切削功率,切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。 常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一类是按单位切削力进行计算。 在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件
11、下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表。 若已知单位切削力kc ，即可求得单位切削功率ps。表3-1为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率。实际切削条件与表中不符时 ,必须引入修正系数加以修正，有关修正系数可参见相关手册。 在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。,三、切削力计算的实验公式,第三章 切削过程及控制,四、影响切削力的因素,1. 工件材料,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
12、擦系数越大，切削力也就越大。,如图所示，背吃刀量 a p和进给量 f是通过对切削面积和单位切削力的变化而影响切削力的。背吃刀量a p 增大，切削宽度 b d也增大，剪切面积 As和切屑与前刀面的接触面积按比例增大，第一变形区和第二变形区的变形与摩擦相应增大。当背吃力量增 大一倍时，切削力也增大一倍。进给量 f增大，切削厚度 h d增大，而切削宽度 b d 不变，这时剪切面积虽按比例 增大，第二变形区的变形未按比例增大。而进给量增大，平均变形变小，单位切削力降低，因此，进给量 f增大一倍，切削力约增加 70 80。,2. 切削用量对切削力的影响,进给量f 和背吃刀量ap,切削速度在520m/mi
13、n区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小； 切削速度继续在2035m/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。 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c 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。,切削速度c,前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料） 负倒棱的影响：（图）负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前
14、角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值切削变形程度切削力； 主偏角的影响：（图） Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr Kr Fy , Fx 刃倾角的影响：（图） s Fy , Fx ,Fz基本不变 刀尖圆弧半径r 切削刃圆弧部分的长度切削变形切削力。此外r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff 减小。,3. 刀具几何参数,图 负倒棱对切削力的影响,主偏角对切削分力比例的影响,图 刃倾角对切削力的影响,4. 刀具磨损,5. 切削液,6. 刀具材料,刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。,2.3 切削热与切削温度,一
15、、切削热的产生与传出,金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源(图2-14)。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削热。,切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。,图2-14 切削热的产生与传导,前、后刀面上温度分布情况,（ 1 ）前刀面上的最高温度不在切削刃上，而距离切削刃有一段距离； （ 2 ）温度分布不均匀，温度梯度大。工件材料塑性大，分布较均匀，反之，工件材料脆性大，分布不均匀。,二、切削温度对切削加工过程的影响,（1）对刀具材料的影响,高速钢刀具材料的耐热性为600
16、左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温8001000时，强度反而更高，韧性更好。因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。,（2）对工件尺寸精度的影响,车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。,1.切削温度对切削加工过程的影响,2.影响切削温度的因素,（1）工件材料,材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多； 导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。,（2）切削用量,1 ）背吃刀量 a p 对切削温度的影响很小。背吃刀量 a p 增加，产生的热量按比例增加。 a p 增大一倍，切削宽度 b D 也增加一倍，刀
