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1、第二章 金属切削过程中的物理现象第一节 切屑和积屑瘤一、切削的形成金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面 的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变 为切屑的过程。即是金属内部不断滑移变形的过程。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变形区 近切削刃处切削层 内产生的塑性变形区； 第变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区； 第变形区 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）切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切 屑，下面以直角自由切削为例，分
2、析较典型的连续切屑的形成 过程。 切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作 用下，使近切削刃出的 金属先产生弹性变形， 继而塑性变形，在这同 时金属晶格产生滑移。 左图是取金属内部质点 P来分析滑移 过程。2、第二变形区经过第一变形区后，形成的切屑沿前刀面方向排出， 还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此，在该 区域内金属变形特点就是切屑在前刀面上发生的摩擦挤压 变形，这个变形主要集中在与前刀面接触的切屑底部一薄 层金属内，这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长， 成纤维化，基本与前刀面平行。另外，由于切屑层底层受 前刀面的挤压而膨胀，使切屑背向前刀面卷曲，最后在某 一点开始与前刀面脱离接触
3、。（挤压摩擦区）3、第三变形区（挤压摩擦回弹区）已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩 擦，造成纤维化和加工硬化及残余应力，严重的甚至出 现细微的裂纹。由于加工材料性质的不同以及切削条件的不同，从变形 观点出发，可将切屑归纳为四种形态：切塑性材料 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 切削平稳，力波动小 滑移量较大，局部 切削不平稳，力波动大 加工面光洁，断屑难 剪应力达断裂强度 加工表面粗糙 少见0vac 0 v ac0 v ac0vac 二、切屑的形态切脆性材料 不平稳，表面粗糙 应应0vac2、挤裂切屑：又称节状切 屑。它的外表面呈锯齿形，内 表面有时有裂纹。在切削速度 较低、切削厚度较
4、大、刀具前 角较小时常产生此类切屑。 1、带状切屑：它的内表面 是光滑的，外表面呈毛茸状。加 工塑性金属时，在切削厚度较小 、切削速度较高、刀具前角较大 的工况条件下常形成此类切屑。 （一）、切屑的类型4、崩碎切屑：加工脆性材料（铸铁、青铜）， 切削厚度越大越易得到这 类切屑。 3、粒状切屑：又称单元切屑。在切屑形成过程中 ，如剪切面上的剪切应力超 过了材料的断裂强度，切屑 单元从被切材料上脱落，形 成粒状切屑。 （二）、切屑的形状1、切屑形状的分类切屑的形状大体有带状屑、C型屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状屑、宝塔状屑等三、积屑瘤现象1积屑瘤的现象积屑瘤：切削塑性金属时，在一定的切削条件
5、下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，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。当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。积屑瘤高度及其实际工作前角2.积屑瘤的成因： 1）工件材料的塑性主要是加工硬化的缘故，塑性材料 切削时形成带状切削，加工硬化现象较 强，容易产生积屑瘤；而脆性材料切削 时形成崩脆切削，且加工硬化现象很弱 ，不易产生积屑瘤。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
6、而积屑瘤也不易产生 。对于碳钢，300C 350C范围内最 容易产生积屑瘤， 500C以上趋于消 失。3）积屑瘤与切削速度的关系区：切削速度很低，形成粒状 或节状切屑，没有积屑瘤生成。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。区：积屑瘤随切削速度的 提高而减小，当达到区右 边界时，积屑瘤消失。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）刀具的前角因为积屑瘤是在带状切屑的前提 下形成的。然而前角越大越容易形 成带状切屑，前角越小容易形成崩 脆切削，所以积屑瘤的形成与刀具
7、的前角有着紧密的联系。3.积屑瘤对切削过程的影响：1) 积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和 切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀 具的磨损。 2) 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积 屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。 3) 积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸 精度。 4) 积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表 面粗糙度。第二节 切屑力一、概念切削加工时刀具使切削层形成切削需要克服的 阻力称为切削力。切削力影响刀具的磨损和使用寿命。切削力影响加工精度。工艺系统的弹性变形，所作的功转化工艺系统的热变形。是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。二、切屑力的
8、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、来自切屑的切屑力： 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。三切削合力及分解和切削功率 Fp=FNcosKr; Ff =FNsinkr一般情况下，Fc最大，Fp和Ff小一些n主切削力Fc：切削合力F在主运动方向的分力，又称切向 分力。它与切削速度方向一致，在切削过程中做功最多， 占总切削功率的90%以上。Fc是计算机床动力、设备的强 度及刚度的基本数据。n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
9、设计进给机构必须的数据。n切深抗力Fp:切削合力F在切削深度方向的分力。车外圆时 ，Fp与工件的径向重合，因此又称径向分力。Fp作用在 机床及工件刚性最差的方向，容易引起切削振动和工件的 弯曲变形，影响加工精度及工件表面质量。 切削功率：是指切削时在切削区域内消耗的功率，通常进 给消耗的功率略去不计，只计算主运动消耗的功率：式中 Fz主切削力（N）v主运动切削速度（m/min）机床电动机所需功率PE:式中 机床传动效率。四、影响切削力的因素影响切屑力的主要因素有：工件材料、 切削用量、刀具几何参数、其它因素。总切削力的来源有两个方面：一是克服被加工材料对弹性变形和塑 性变形的抗力；二是克服切屑
10、对刀具前面的摩擦阻力 和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。1.工件材料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。在材料的强度、硬度相近的情况下，材料的塑性越大。 韧性越大，则切削力越大。 塑性大的材料在切削过程中将产生较大的塑性变形和加 工硬化，且切削与前刀面的接触时间长，故切削力较大； 韧性大的材料，使之发生变形或破坏需消耗较多的能量， 故切削力较大。切削脆性材料时，一般皆为崩脆切削，从而切削与前 刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。 2.切削用量的影响（1）切削深度和进给量的影响切削深度ap进给量fAD变形抗力 摩擦力切削力ap增
11、大一倍，FC也增大一倍；而f 增大一倍，FC 只能增大68%86。 由此可见，从减小切削力和节省动力消耗的观点 出发，在切除相同余量的条件下，增大 f 比增大ap 更为有利。（2）切削速度的影响切削塑性材料时切削塑性材料，切削速度的影响分为两个阶段：有积屑瘤和无积屑瘤两个阶段。切削速度是通过影响切削变形程度来影 响切削力，切削变形大，则切削力大。 切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。c对切削力没有显著影响。 3.刀具几何参数的影响1） 前角ro对切削力的影响; 刀刃锋利前角go切削变形切削力对塑性材料对脆性材料影响较小前角对切削力的影响 ap = 4 mm f
12、= 0.25 mm / r2） 主偏角kr 对切削力的影响（a）当 时，主切削力 F随着Kr增加而减小 。 （b）当 时，kr大时，主切削力 F随着Kr增加而 增大 。 Kr越大，切削宽度aw越小，切削厚度ac越大， 因此切削力越小。切削脆性材料时，切削力始终随 着Kr的增加而减小。4、其它因素的影响1）刀具磨损越大，将增加切削力；2）使用切削液，将减小切削力。 五. 切削力的经验公式 计算举例：用YT5硬质合金车刀外圆纵车b = 630 MPa的热 轧45钢，车刀几何参数为ro =10、kr = 75、rs = 5，切削用量为ap = 2mm、f = 0.3mm/r、 vc = 100 m
13、/ min。试计算切削力Fc、Fp、Ff 及切削功率Pc 。解：查表2-1得： CFC=2795xFC =1.0yFC =0.75zFC =-0.15第三节 切屑热和切削温度一、切削热的产生与传导 切削热产生于三个变形区，切削 热来源于两个方面： 一是切削层金属发生弹性和塑性 变形所消耗的能量； 二是切屑与前刀面、工件与后刀 面间产生的摩擦热。 切削过程中消耗的功将绝大 部分转化成（约 99%）转换为热 量，即切削热。 切削热 QFzvc 切削热传出： (1)通过工件传出Qg，使工件温度升高 (2)通过切屑传出Qx，使切屑温度升高 (3)通过刀具传出Qd，使刀具温度升高 (4)通过周围介质传出
14、Qj对车、铣、刨削加工，5086由切屑带走，1040传入刀具，39传入工件，1传入空气 ;钻削时，28由切屑带走，15左右传给工件，50左右传给刀具，其余由周围介质带走; 磨削时，大部分热量传给工件（84）,传给砂轮12，而极小比例的热量传给磨屑，因此会使工件温升很高，甚至烧伤工具表面。Q=Qg+Qx+Qd+Qj两个方面：切削热的产生与传出（一）切削用量的影响 （1）切削速度的影响 （1）V ，摩擦热来不及传导，而是大量集聚在切屑底 层，从而使切削温度升高。 （2）V ，金属切除率成正比例地增加，所消耗的机械 功增大，所以切削热也会增大。而V ，材料的剪切变 形减小，因此单位体积的切削中由塑性
15、变形所产生的热 量减少，故切削温度与切削速度不成正比例关系。二、影响切削温度的因素 (2)进给量的影响（1）f ,金属切除率增多，切削温度升高， （2） f ，切屑的平均变形减小，因此切除单元体积切 削的变形功有所减少，从而使热量又有所减小。 （3） f ，切削厚度增加，切屑的热容量也增大，由切屑 带走的热量增加。（4） f ，由于切屑与前刀面的接触区长度增长，改善了 散热条件。故切削区的平均温度上升的不显著，当进给量增大 一倍时，切削温度约升高10。(3)切削深度的影响（1）ap ,切削层金属的变形功与摩擦功都成正比的增加 ，切削热也会成正比的增加；（2）ap ，切削刃参加工作长度也成正比地增长，从而改 善了散热条件。故切削深度对切削温度地影响很小，当切削深度增 加时，切削温度的升高并不明显。由上图可以看出，切削用量时切削温度 ，其中v 对切 削温度的影响最大，进给量 f 的影响比v 小，背吃刀量ap的 影响最小。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
