第三章金属切削过程的基本规律

第三章金属切削过程

的基本规律第三章金属切削过程的基本规律第一节切削变形与切屑的形成过程第二节切削力第三节切削热与切削温度第四节刀具磨损与寿命第三章金属切削过程的基本规律第一节切削变形与切屑的形成过程

塑性金属受挤压，

随外力F的增加，金属内部应力增加，先产生弹性变形继而产生塑性变形，使金属的晶格沿晶面发生滑移，最后产生破裂。研究条件：直角自由切削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。金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45°方向的斜截面内，产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。刀具切削时相当于局部挤压，使金属沿最大剪应力方向产生滑移。CB线以下金属由于母体阻碍，不能沿BC线滑移，而只能沿DA线滑移。切屑形成的力学模型变形区的划分有三：

第Ⅰ变形区:塑性变形区

第Ⅱ变形区：前刀面变形区

第Ⅲ变形区：后刀面变形区

一、切削过程中的三个变形区

1.第一变形区:塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区(Ⅰ)。

第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。一般地，第一变形区AOM的宽度很窄，仅为0.02～0.2mm。第一变形区内金属的剪切变形3.1.2第一变形区的变形及其简化剪切角φ:剪切面和切削速度方向的夹角。Ф值小，反映剪切变形的程度大滑移面与作用力方向夹角为45°滑移面与晶格变形伸长方向夹角为ψ2.第Ⅱ变形区

切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切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发生“纤维化”的二次变形，其方向基本上和前面相平行。这部分区域称为第二变形区（Ⅱ）。纤维化金属粘附在前刀面上，使其流动速度非常低，这种切屑底层流动速度较其它部分缓慢的现象称为滞流现象，该金属层叫滞流层。刀屑这种摩擦实质上是切屑底层内的剪切滑移。变形性质为塑性变形。造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。3.第三变形区在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为第三变形区（Ⅲ）。是第一变形区的塑性变形扩展到切削层的下方金属，在后刀面的法向力和摩擦力的作用下，使工件继续产生径向的塑性变形和弹性变形。该变形区的变形及应力状态对已加工表面的质量影响最大。会造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、加工硬化和残余应力。引起变形的主要因素：⑴刀刃都有钝圆半径，被切金属与基体的分离点在该圆弧段上是随机的。使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量。⑵刀具由于磨损，在后刀面上会产生一无后角的磨损平面。⑶由于工件材料的弹性恢复，使已加工表面与后刀面接触变长。纵上所述，金属切削过程的本质就是：被切削金属层在刀具的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形的过程。二、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，单元切屑比较少见。在形成节状切屑的情况下，进一步减小前角，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。切屑的形态是可以随切削条件而转化的。

（2）节状切屑

又称挤裂切屑。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，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。形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂切削塑性材料，速度高，切削厚度小前角大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑3.7切屑的类型与控制3.7.1切屑的类型（按切屑的形成机理）节状切屑带状切屑三、变形程度的表示方法切削过程中，切削层金属变形主要表现在剪切面上的剪切滑移，其次表现在切屑的收缩、卷曲和加工过程中的硬化。变形程度的度量方法一般用切削厚度压缩比和相对滑移ε表示。1.相对滑移ε（纯剪切）

2.切削厚度压缩比（兰布达)Λh切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小。假设：宽度不变，体积不变。厚度变形系数：切屑厚度hch/切削层厚度hD

长度变形系数：切削层长度LD/切屑长度Lch由体积相等可推出两变形系数相等

变形系数在一定条件下反映金属的平均挤压程度。

切削厚度压缩比Λh3.剪切角前刀面摩擦角β：剪切角φ↑→剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓Φ=45°

-(β-γ0)结论：1.当γo增大时，Φ角随之增大，变形减小。即在保证切削刃强度的条件下，增大前角对改善切削过程是有利的。2.当β增大时，Φ角随之减小，变形增大。故仔细研磨刀面、加入切削液以减小前刀面上的摩擦对改善切削过程是有利的。四、前刀面上的摩擦特点在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。

刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外摩擦)区。在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，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。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。Ffγ：前刀面上的摩擦力Fnγ：前刀面上的法向力Af：粘结面积Lf1：切削温度升高，τ

s略有下降；工件材料强度和硬度越高，或切削厚度越大、刀具前角越小，刀屑间正压力σav越大，摩擦系数越小。5.积屑瘤

在一定的切削速度范围内切削钢、铝合金、铜合金等塑性材料时，常有一部分被切工件材料堆积于刀具刃口附近的前刀面上。这层堆积物大体成三角形，质地十分坚硬，其硬度可为工具材料的2倍~3倍，处于稳定状态时可代替刀尖进行切削。该堆积物称为积屑瘤，俗称刀瘤。反复生长和脱落，脱落后粘附在已加工表面上。顶部凹凸不平，使加工表面粗糙度增加。在Ⅰ区里形成粒状切屑或节状切屑，这时没有积屑瘤出现。在Ⅱ区里形成带状切屑。有积屑瘤生成；积屑瘤的高度随着切削速度的提高而增大，同时积屑瘤前端越来越象像楔子，越来越深入地楔入切削层与工件之间。当切削速度增大到Ⅱ区的右边界时，积屑瘤的高度达到最大值。在Ⅲ区里，积屑瘤的高度随着切削速度的提高而减小，而且积屑瘤的顶部越趋于与前刀面平行。当v增大到Ⅲ区右边界之值时，积屑瘤便消失。在Ⅳ区里积屑瘤不再生成，此时切屑底层高度纤维化，纤维的方向几乎与前刀面平行。这样的切屑底层称为滞流层。

积屑瘤对切削过程的影响

（1）使刀具前角变大

（2）使切削厚度变化（3）使加工表面粗糙度增大

（4）对刀具寿命的影响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)减小进给量，增大刀具前角；(4)合理调整切削参数，以防止形成中温区。六、已加工表面变形和加工硬化已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，使表层金属产生扭曲、挤紧和破碎，经过严重的塑性变形，使表层硬度升高的现象称为加工硬化。加工硬化程度N：已加工表面的显微硬度增加值，对原始显微硬度的百分比。硬化层深度ΔhD

减小措施：P40

磨出锋利的切削刃；增大前角和后角减小被吃刀量合理选用切削液硬化层深度硬化层深度是指已加工表面至未硬化处的垂直距离ΔhD，单位为μm。3.5.4加工硬化表3-12钢件表面的硬化深度Δhd和硬化程度N

加

工

方

法平均硬化深度Δhdμm平均硬化程度N/(%)高速车削30～50120～150精车20～60140～180钻孔180～200160～170拉削20～75150～200滚(插)齿120～150160～200外圆磨削(未淬火)30～60140～160研磨3～7110～117七、影响切削变形的因素切屑变形的程度主要决定于：工件材料、刀具几何参数、切削用量。1.工件材料工件材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度增高，正压力Fn增大，平均正应力σav增大，因此，摩擦系数μ下降，剪切角φ增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形。要达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大。2.刀具的几何参数增大前角γ0，使剪切角φ增大，变形系数Λh减小，切屑变形减小。3.切削用量1.切削速度VcVc越高，变形系数Λh越小在高速时，由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。在积屑瘤增长的速度范围内,切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角φ改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。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、变形系数不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。Vc在3～20m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角φ增大，故变形系数Λh减小。Vc＝20m/min时，Λh值最小。Vc在20～40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使φ减小，Λh增大。在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。Vc超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，使摩擦系数μ下降，故变形系数Λh减小。2.进给量的影响在无积屑瘤的情况下，通过hD和μ来影响切削变形的。当进给量f增大时，切削层厚度hD增大，切屑的平均变形减小，变形系数减小。第二节切削力l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。切削力来源于以下两个方面：

1．切削力一、切削力来源、合力与分力切削力的分解各分力的作用主切削力Fc（Fz）：主运动方向上的切削分力。用于计算切削功率、校核机床及工夹具强度和刚度。背向力Fp（径向分力Fy）：垂直于工作平面，过大会引起工艺系统的变形和振动，降低加工质量。机床设计时，用于主轴轴承寿命计算、轴承选择、主轴弯曲刚度校验等。进给力Ff（轴向分力Fx）:沿进给运动方向。是设计机床进给系统的主要依据F2=Fc2+Fp2+Ff2Fp=FDcosκrFf=FDsinκrFD：在基面内合力（推力）；FD2=Fp2+Ff2F2=Fc2+FD2一般情况下，主切削力Fc最大。随着刀具材料、刀具几何参数、刃磨情况、切削用量、工件材料的不同，Fc、Fp、Ff之间的比例可在较大范围内变化。根据实验，当κr=45°、λs=0°、γo=15°时，Fc、Fp、Ff之间有近似关系：Fp=(0.40.5)FcFf=(0.30.4)FcF=(1.121.18)Fc切削力的数值可以用仪器测量获得，也可以用经验公式计算得到。二、切削力的测量及切削力经验公式图用测力仪测出切削力，再通过对实验数据的处理，可求得计算切削力的经验公式。在生产实际中，一般都用经验公式来计算切削力。目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。1．切削力的测量

生产实际中应用比较广泛的切削力经验公式为

2．切削力实验公式车削力公式中的系数和指数表3-1P46CFc,CFp,CFf

——与加工条件（工件、刀具材料）有关系数；xFc,xFp,xFf

——切削深度ap

对切削力影响指数；

yFc,yFp,yFf

——进给量f对切削力影响指数；

KFc,KFp,KFf

——考虑不同加工条件（切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素）影响的修正系数。3．单位切削力单位切削层面积上的切削力称为单位切削力，用kc（N／mm）表示：P454．切削功率Pc=kcapfVc=FcVc/601）背吃刀量和进给量f

和f增大，都会使切削力增大，但两者的影响程度不同。在车削力的经验公式中，加工各种材料的ap指数xFc≈1，而f的指数yFc=0.75～0.9，即当ap加大一倍时，Fc也增大一倍；而f加大一倍时，Fc只增大68%～86%。因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。三、影响切削力的因素1．切削用量的影响2）切削速度图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。Vc对切削力没有显著影响。结论：切削用量三要素中，对切削力影响最大的是背吃刀量，其次是进给量f

，最后是切削速度加工钢时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。2．工件材料的影响

工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。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，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。3．刀具几何参数的影响1)前角γo前角γo对切削力的影响最大。

2).主偏角(1)当kr加大时，Fp减小，Ff加大。Fp=FDcosκrFf=FDsinκr

(2)当加工塑性金属时，随kr加大，Fc减小；约在kr＝60°—75°之间，Fc减到最小；然后随kr继续加大，Fc又有所增大。Fc的变动范围不大，无论减小或增大，都在10%以内。（3）kr加大时，Fp减小，Ff加大。4.其它因素的影响

1）刃倾角：刃倾角变化时，将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。刃倾角λs减小时，Fp增大，Ff减小。

2）刀尖圆弧半径在一般的切削加工中，刀尖圆弧半径rε对Fp、Ff的影响较大，对Fc的影响较小。当κr、f、ap一定时，rε增大，Fc变化不大，但Ff减小，而Fp增大，3）刀具磨损：切削刃及后刀面磨损后，切削力加大。4）

切削液：以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。而润滑作用强的切削油能够显著的降低切削力。5）刀具材料：刀具材料不是硬削切削的主要因素。但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因此对切削力也有一些影响。各种因素对切削力影响的修正系数P52表3-2五、切削力的计算举例P53一、切削热的来源与传散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。第三节切削热与切削温度Q=FcVc

切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介质传导出去。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。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%Q屑Q刀Q工Q介车削50%~86%10%~40%3%~9%1%钻削28%14.5%52.5%5%二、切削温度测定原理与切削温度分布1.切削温度的测定原理1)自然热电偶法利用刀具和工件材料化学成分的不同构成热电偶，组成热电回路测量切削温度的方法。回路中形成了温差电动势，利用电位计或毫伏表可以将其数值记录下来。再根据事先标定的热电偶热电势与温度的关系曲线(标定曲线)，便可以查出刀具与工件接触区的切削温度值。用自然热电偶法测到的切削温度是切削区的平均温度。3.3.2切削温度及其分布和测量2)人工热电偶法人工热电偶法是将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件上预定要测量温度的点上，冷端通过导线串接电位计或毫伏表。根据表上的读数值和热电偶标定曲线，可获得焊接点上的温度。应用人工热电偶法，只能测得距前刀面有一定距离处某点的温度，3.3.2切削温度及其分布和测量3.3.2切削温度及其分布和测量2.切削温度分布2.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。3.3.2切削温度及其分布和测量三、影响切削温度的主要因素1.切削用量（1）切削速度对切削温度有显著的影响。切屑底层与前刀面产生的切削热，由于切削速度很高，在很短的时间内来不及向切屑内部传导，而大量积聚在切屑底层，使切削温度显著升高。另外，伴随着切削速度的提高，消耗的功增大，切削热也会增大，故使切削温度上升。（2）进给量f对切削温度也有一定的影响。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。因进给量f增大切削变形增加少，且增加了刀屑接触面积。（3）切削深度ap对切削温度的影响很小。因为切削深度ap增大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多，但因改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。因切削温度对刀具磨损和寿命影响很大，由以上分析可知，为有效控制切削温度以提高刀具寿命，选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度有利。2.工件材料工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较大的影响。工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，产生的切削热多，故切削温度高。工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的强度、硬度虽然低于45钢，但它的导热系数小于45钢（约为45钢的1/3）切削温度比45钢高40%。切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，与前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果表明，切灰铸铁HT200时的切削温度比切45钢大约低25%。3.刀具几何参数

1）前角γo

前角的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦，对切削温度有明显影响。前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当前角达18o～20o后，对切削温度影响减小，这是因为楔角变小使散热体积减小的缘故。

2）主偏角主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集中；但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。4.切削液第四节刀具磨损和刀具寿命

一、刀具磨损切削时，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。（一）刀具磨损的形式刀具失效的形式有正常磨损和非正常磨损两类。1.正常磨损正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。（1）前刀面磨损(月牙洼磨损)常发生于加工塑性金属时，切削速度较高和切削厚度较大的情况下，切屑在刀具的前刀面上磨出一个月牙形凹坑，习惯上称之为月牙洼。月牙洼处即切削温度最高点。2.主后刀面磨损

刀尖磨损区C区温度高

中间磨损区B区

边界磨损区N区硬化、氧化

3.副后刀面磨损

副偏角和副后角偏小，摩擦大2.非正常磨损P54图在生产中，常会出现刀具突然崩刃、卷刃或刀片碎裂的现象，被称为非正常磨损。1）塑性破损切削时，刀具由于高温高压的作用，使刀具前、后刀面的材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力，这种破损称为塑性破损。与硬度比有关.硬质合金不易产生.2）脆性破损在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损（VB≤0.1mm），但刀具切削部分却出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热裂纹等现象，使刀具不能继续工作，这种破损称为脆性破损。硬质合金易产生.（二）刀具磨损的形式1.磨损过程曲线1)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。3.4.3刀具磨损过程及磨钝标准2)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。2.磨钝标准3.4.3刀具磨损过程及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。表3-10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0.1～0.3合金钢粗车，粗车刚性较差的工件0.4～0.5碳素钢粗车0.6～0.8铸铁件粗车0.8～1.2钢及铸铁件大件低速粗车1.0～1.53.4.3刀具磨损过程及磨钝标准3)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。2.磨钝标准3.4.3刀具磨损过程及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。表3-10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0.1～0.3合金钢粗车，粗车刚性较差的工件0.4～0.5碳素钢粗车0.6～0.8铸铁件粗车0.8～1.2钢及铸铁件大件低速粗车1.0～1.5国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以是以下任何一种：（1）

VB=0.3mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取VBmax=0.6mm；（3）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）（二）刀具磨损的原因1.磨粒磨损：切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹。2.相变磨损温度升高，产生相变，硬度降低。高速钢600—700℃时。3.粘结磨损：即冷焊磨损。工件与刀具之间粘结冷焊，运动将刀具材料粘结颗粒带