金属切削过程及其变形规律

1、目 录 切屑的形成过程 切削力 切削热和切削温度 刀具磨损 已加工表面的形成 小 结退出1.切屑的形成 金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。 切屑的形成过程2. 切屑形成的力学模型 在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff，在剪切面上也有一个正压力Fns和剪切力Fs，这两对力的合力应该互相平衡。 3. 切屑形成过程中变形区的划分A M O 4. 积屑瘤 切削钢、球墨铸铁、和铝合金等塑性金属时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊(黏结)并层积在前刀面上，形成硬度很高

2、的楔块，它能够代替刀面和切削刃进行切削，这个楔块称为积屑瘤。积屑瘤的硬度可达工件材料硬度的23.5倍。 积屑瘤对加工的影响有以下几个方面： (1) 稳性的积屑瘤可以代替切削刃和前刀面进行切削，从而保护切削刃和前刀面，减少刀具的磨损； (2) 积屑瘤的存在使刀具在切削时具有更大的实际前角，减小了切屑的变形，切削力下降； (3) 积屑瘤具有一定的高度，其前端伸出切削刃之外，使实际的切削厚度增大； (4) 在切削过程中积屑瘤是不断的生长和破碎的，所以积屑瘤的高度也在不断变化，导致了实际切削厚度的地不断变化，引起局部过切，使零件的表面粗糙度增大。同时部分积屑瘤的碎片会嵌入已加工表面，影响零件表面质量；

3、 (5) 不稳定的积屑瘤不断地生长、破碎和脱落，积屑瘤脱落时会剥离前刀面上的刀具材料，造成刀具的磨损加剧。 避免积屑瘤产生的常用的方法有： (1) 选择低速或高速加工，避开容易产生积屑瘤的切削速度区间。例如，高速钢刀具采用低速宽刀加工，硬质合金刀具采用高速精加工； (2) 采用冷却性和润滑性好的切削液，减小刀具前刀面的粗糙度等； (3) 增大刀具前角，减小前刀面上的正压力； (4) 采用预先热处理，适当提高工件材料硬度、降低塑性，减小工件材料的加工硬化倾向。 4. 切屑的基本类型 前三种切屑是切削塑性金属时得到的。最常见到的是带状切屑，当切削厚度大时得到节状切屑，粒状切屑比较少见。在形成节状切

4、屑的情况下，进一步减小前角，或加大切削厚度，就可以得到粒状切屑。切屑的形态是可以随切削条件而转化的。 5. 切屑的控制 1) 切屑的形状 带状屑 C 形屑 崩碎屑 宝塔状卷屑 长紧卷屑 发条状卷屑 螺卷屑 2) 卷屑和断屑 影响断屑的因素还有工件材料、刀具角度、切削用量等。 (1) 被切削材料的屈服极限愈小，则弹性恢复少，愈容易折断； (2) 被切削材料的弹性模量大时，也容易折断； (3) 被切削材料塑性愈低，愈容易折断； (4) 切削厚度hD愈大，则应变增大，容易断屑，而薄切屑则难断； (5) 背吃刀量ap增加，则断屑困难增大； (6) 切削速度v提高时，断屑效果降低； (7) 刀具前角o愈

5、小，切屑变形愈大，容易折断。 切削力 1 切削力的来源 2 切削合力、分力 3 影响切削力的因素返回目录1. 切削力的来源刀具 塑性抗力 弹性抗力 工件 塑性抗力 切屑 弹性抗力 ap Ff Ff vc 切削力来源于三个方面 (1) 克服被加工材料弹性变形的抗力； (2) 克服被加工材料塑性变形的抗力； (3) 克服切屑对刀具前刀面、工件过渡表面和已加工表面对刀具后刀面的摩擦力。2. 切削合力和分力F可以分解为相互垂直的三个分力，即进给力Ff 、背向力Fp和切削力Fc Fc F FD Fp Ff vc vf ve 22222cpcDfFFFFFF1）工件材料 工件材料强度、硬度越高，切削力Fc

6、增大，但与强度的增加不成正比。 3. 影响切削力的因素 工件材料的强度、硬度相近时，塑性越大的材料，发生的塑性变形也越大，所以切削力也越大。切削脆性材料时，切削层塑性变形很小，形成的崩碎切屑与前刀面的摩擦力也很小，因此脆性材料的切削力一般小于塑性材料。 同一材料的热处理状态不同、金相组织不同也会影响切削力的大小。 切削力的大小不单纯受材料的原始强度和硬度影响，它还受到材料加工硬化能力大小的影响。例如：奥氏体不锈钢的强度、硬度都较低，但是加工硬化能力大，较小的变形就会引起硬度较大的提高，导致切削力增大。 硫S、铅Pb元素在钢中引起结构成分间的应力集中，容易形成挤裂切屑，其切削力比正常减小20%3

7、0%，故被称为易切钢。 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。0 30 80 120 160 200 240 280 2.2 1.8 1.4 1.0 Fc(KN) vc(m/min) 加工钢时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。 加工铸铁时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。 0 20 40 60 80 100 120 140 1.6 1.4 1.2 1.0 Fc(kN) vc(m/min) 3）刀具 前角o对切削力的影响最大。 -20-10 0 10 20o

8、 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 F(kN) Fc Ff Fp 4）其他因素 (1) 刀具材料摩擦系数越小，切削力越小。各类刀具材料中，摩擦系数按高速钢、YG类硬质合金、YT类硬质合金、陶瓷、金刚石的顺序依次减小。 (2) 前刀面磨损使刀具实际前角增大，切削力减小。后刀面磨损，刀具与工件的摩擦增大，切削力增大。前后刀面同时磨损时，切削力先减小，后逐渐增大。Fp增加的速度最快，Fc增加的速度最慢。 (3) 刀具的前后刀面刃磨质量越好，摩擦系数越小，切削力越小。 (4) 使用润滑性能好的切削液，能有效减少摩擦，使切削力减小。切削热和切削温度 1 切削热的产生和传出

9、2 切削温度及其分布 3 影响切削温度的主要因素返回目录1）热源 切削热的来源主要有两个方面，一个是切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦所消耗的摩擦功，这是切削热的主要来源。另一个是切削层金属在刀具的作用下发生弹性变形和塑性变形所消耗的变形功。与此相对应，切削热产生在三个区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、工件与后刀面接触区。 工件 刀具 切屑 1 切削热的产生和传出2）切削热的传播 切削热传散出去的途径主要是切屑、工件、刀具和周围介质(如空气、切削液等)，影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。 切屑与刀具的接触时间也会影响切削温度。不同的切削加工方法，切削热沿不通

10、传导途径传递出去的比例也各不相同。 传 导 途 径干 车 削钻 削切屑50%86%28%工件9%3%52%刀具40%10%15%周围介质1%5%1）切削温度的分布(温度场) 温度场是指工件、切屑和刀具上各点的温度分布。 2 切削温度及其分布工件 hch0.9mm hD0.6mm 刀具 620 670 680 690 730 700 660 740 750 640 (1) 剪切面上各点的温度基本一致，由此可以推想剪切面上各点的的应力应变规律基本上变化不大； (2) 前刀面和后刀面上的最高温度处都在离刀刃有一定距离的地方，这是摩擦热沿刀面不断增加的缘故。温度最高点出现在前刀面上； (3) 在剪切区

11、域内，垂直剪切方向上温度梯度较大，这是由于剪切滑移的速度很快，热量来不及传导出来，从而形成较大的温度梯度； (4) 垂直前刀面的切屑底层温度梯度大。这说明前刀面上的摩擦是集中在切屑的底层，因此切削温度对前刀面的摩擦系数有较大影响； (5) 后刀面的接触长度很小，因此温度的升降是在极短时间内完成的，已加工表面受到一次热冲击； (6) 工件材料塑性越大，前刀面上的接触长度越大，切削温度的分布也就均匀些。工件材料脆性越大，最高温度所在的点离刀刃越近； (7) 工件材料导热系数越低，前、后刀面的温度越高。800 600 400 200 0.2 0.6 1.0 1.5 2.0 1200 1000 800

12、 600 400 200 0.2 0.6 1.0 1.4 车刀 前 刀 面 上 距 刀 刃 距 离 (mm) 后刀面上距刀刃距离 (mm) 后 刀 面 温 度 () 前刀面温度 () 1 2 4 3 1 3 2 1）切削用量 通过实验得到切削温度的经验公式。 3 影响切削温度的主要因素刀具材料加工方法Cxyz高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.1铣削80钻削150硬质合金车削320f/(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3zpyxcafvC 通过对比表中数据可知xyz，说明切削用量三要素对切削温度的影响vfap，这与它们对切削力的影响程

13、度正好相反。 刀具材料加工方法Cxyz高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.1铣削80钻削150硬质合金车削320f/(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3 1) 切削速度v向切屑传递热量切屑流出速度切屑带走热量单位时间金属切除率散热单位切削功率单位切削力切削力剪切角消耗功率单位时间金属切除率生热cv 1200 1000 800 600 400 300 () 20 30 40 60 80 100 150 200 vc(m/min) 2) 进给量f 1200 1000 800 600 () 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 f(mm/

14、r) 切屑带走热量切屑热容量切屑厚度切削厚度散热单位切削功率单位切削力消耗功率切削力生热f 3) 背吃刀量ap1 2 3 4 5 6 ap(mm) 1200 1000 800 600 () 散热条件改善切削刃参加切削的长度切削宽度散热消耗功率切削力生热pa2）刀具几何参数 1) 前角o对切削温度的影响-10 0 10 20 30o 1000 900 800 700 600 500 () 1 2 3 2) 主偏角r对切削温度的影响30 45 60 75 90r 1100 1000 900 800 700 600 () vc1.75m/s vc2.25m/s vc1.35m/s 3）工件材料 1)

15、 工件材料的强度、硬度越高，切削力越大，切削时消耗的功也越多，产生的切削热也越多，切削温度也就越高。 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1000 900 800 700 600 500 400 300 () 调质 正火 淬火 2) 合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度。 45 正火 1000 900 800 700 600 500 400 300 () W18Cr4V 5CrNiMo 38CrMoAlA 10 20 30 40 50 6

16、0 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 3) 不锈钢1Cr18Ni9Ti和高温合金GH131不但导热系数低，而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度。所以切削这种类型的材料时，切削温度比切削其他材料要高得多。 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 () GH131 45 钢(正火) HT2040 1Cr18Ni9Ti 4) 脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与

17、前刀面的摩擦也很小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 () GH131 45 钢(正火) HT2040 1Cr18Ni9Ti 4. 刀具磨损 刀具磨损后，切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区的金属的塑性变形增加。同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与刀具的摩擦加大，两者均使切削热的产生增加。所以，刀具磨损是影响切削温度的重要因素。1100 1000 900 800 700 600

18、 () vc117m/min vc94m/min vc71m/min 0 0.2 0.4 0.6 0.8 VB(mm) 5. 切削液 切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果，在切削加工中应用很广。切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大关系。从导热性能来看，水基切削液乳化液油类切削液。 1 刀具磨损的形式 2 刀具磨损的原因 3 刀具磨损过程及磨钝标准 4 刀具耐用度及其与切削用量的关系 5 刀具的破损刀具的磨损 切削时，刀具的前刀面与切屑、后刀面与工件常常相互挤压和剧烈摩擦，产生很高的温度。因此磨损发生在刀具的前刀面和后

19、刀面上，前刀面磨损形成月牙洼，后刀面磨损形成磨损带，通常前、后刀面的磨损是同时发生，相互影响的。 1 刀具磨损的形式边界磨损 2 刀具磨损的原因 对于一定的刀具材料和工件材料，切削温度对于刀具磨损具有决定性的影响。切削温度低时，由工件材料中硬质点的刻划作用导致的机械磨损占主导地位。切削温度高时，由受切削温度影响较大的热、化学磨损占主导地位。 1机械磨损 2粘结黏结磨损 3扩散磨损 4热化学磨损1）磨损过程 3 刀具磨损过程及磨钝标准 初期磨损阶段初期磨损阶段 该阶段磨损曲线的斜率较大，这意味着刀具磨损很快。 0 40 80 120 160 200 切削时间 t(min) 0.4 0.3 0.2

20、 0.1 0 初期磨损 正常磨损 急剧磨损 VB(mm) 正常磨损阶段 经过初期磨损后，刀具的后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小。同时刀具的表面已经被磨平，磨损量的增加减缓并稳定下来，刀具进入正常磨损阶段。 0 40 80 120 160 200 切削时间 t(min) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 初期磨损 正常磨损 急剧磨损 VB(mm) 急剧磨损阶段 刀具经过正常磨损阶段后，切削刃明显变钝，引起切削力、切削温度迅速增大。这时进入急剧磨损阶段，这一阶段磨损曲线斜率很大，表现为刀具磨损速度很快。 0 40 80 120 160 200 切削时间 t(min) 0.4 0.3 0.2

21、 0.1 0 初期磨损 正常磨损 急剧磨损 VB(mm) 2）磨钝标准 根据加工情况规定一个最大的允许磨损量，这就是刀具的磨钝标准。硬质合金车刀的磨钝标准加 工 条 件后刀面的磨钝标准VB/mm精车0.10.3合金钢粗车，粗车刚性较差的工件0.40.5碳素钢粗车0.60.8铸铁件粗车0.81.2钢及铸铁件大件低速粗车1.01.51. 刀具耐用度 4 刀具耐用度及其与切削用量的关系 刀具耐用度的定义 刃磨后的刀具从开始使用，直至磨损量达到磨钝标准为止时的纯切削时间(不包括对刀、测量、快进、回程等非切削时间)称为刀具耐用度，用T来表示。 刀具耐用度与刀具寿命的关系 刀具寿命是指一把新刀具从投入使用

22、直到报废为止的总的切削时间，其中包括多次重磨，因此刀具的寿命等于刀具耐用度与重磨次数的乘积。进给量和背吃刀量与刀具耐用度的关系 切削用量三要素与刀具耐用度的一般关系式 在切削用量三要素中，切削速度v对刀具耐用度的影响最大，其次为进给量f，背吃刀量ap的影响最小，这与三者对切削温度的影响顺序是一致的。 12111cpTmmmCTvfacpTxyzCTvf a5 刀具的破损 在切削加工中，刀具时常会不经过正常的磨损，就在很短的时间内突然损坏以致失效，这种损坏类型称为破损。 破损也是刀具损坏的主要形式之一，多数发生在使用脆性较大的刀具材料进行断续切削或者加工高硬度材料的情况下。 刀具的破损按性质可以

23、分成塑性破损和脆性破损，按时间先后可以分成早期破损和后期破损。 1 已加工表面的形成过程 2 已加工表面的质量指标 3 已加工表面的粗糙度及其控制 4 加工硬化 5 残余应力返回目录 已加工表面的形成过程1. 已加工表面形成过程 在切削过程中，部分切削层的金属在刀具挤压和摩擦下，发生了强烈的变形，形成了已加工表面 已加工表面质量可以用下面四项内容表示： (1) 表面粗糙度； (2) 表面层的加工硬化程度和硬化层深度； (3) 表面层以及一定深度层的残余应力大小及分布； (4) 表面层金相组织的变化情况。2. 已加工表面的质量残留面积产生的粗糙度 切削时，由于刀具与工件相对运动以及刀具几何形状的

24、关系，有一小部分金属未被切削下来，残留在已加工表面上，称为残留面积，其高度直接影响到已加工表面的横向粗糙度。 3 已加工表面的粗糙度及其控制切削过程中的不稳定因素产生的粗糙度 1) 积屑瘤 2) 鳞刺 3) 切削过程中的变形 4) 刀具的边界磨损 5) 切削刃与工件相对位置变动 6) 切屑划伤、拉毛 经过切削后的表面，其硬度往往是基体硬度的120%200%，即表面发生了硬化，硬化层的深度从几个微米到几百个微米，这种不经过热处理而由切削过程造成的硬化现象称为加工硬化或冷作硬化。 这种表面层的硬化可以使零件的耐磨性提高，但是也增加了后续加工的难度和刀具磨损。 4 加工硬化加工硬化产生的原因 由于在

25、切削过程中，部分切削层的金属在刀具挤压和摩擦下，发生了强烈的变形形成了已加工表面。因此已加工表面的金属晶格发生了扭曲，晶粒被拉长、破碎，阻碍了金属进一步变形而使金属强化，硬度显著提高。此外已加工表面还受到切削温度的影响，切削温度低于相变点时，金属弱化，硬度降低。切削温度高于相变点时则引起相变。所以，已加工表面的硬度是这些强化、弱化和相变综合作用的结果。 小结返回目录 在切削塑性金属的过程中，工件材料受到刀具前刀面的推挤，发生变形，最终被撕裂下来形成切屑，这个过程中存在着三个变形区。 以剪切滑移为特征的第一变形区和以内摩擦为特征的第二变形区的变形程度决定着切屑的形态、切削力的大小和切削温度的高低。切屑变形的大小可以用相对滑移或变形系数表示，不同的加工状态生成带状、节状、粒状和崩碎四种类型的切屑，随工件材料、刀具和切削用量等因素的改变其切屑形态也会发生转化。返回目录 切削力、切削温度是衡量切削状态的重要指标，可以通过实验获得，是切削中变形、摩擦等内部变化的外在表现，它们相互关联且与工件、刀具和切削用量等因素有关。切削力来源于(1)克服被加工材料弹性变形的抗力(2)克服被加工材料塑性变形的抗力(3)克服切屑对刀具前刀面、工件过渡表面和已加工表面对刀具后刀面的摩擦力。在生产实际中计算切削力的经验公式可以分为两类：一类是指数公式；另一类是按单位切