金属切削过程之切削类型
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金属切削过程
(3)调整切削用量 提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有 利；但增大f会增大加工表面粗糙度; 适当地降低切削速度使切削变形增大， 也有利于断屑，但这会降低材料切除效 率。须根据实际条件适当选择切削用量 。
五、积屑瘤
积屑瘤现象：刀尖上急剧塑性变形而被强化的 硬度很高的的附着物－－生产中又称为刀瘤
五、积屑瘤
机械制造技术基础
本章内容
1.金属切削过程的实质是什么？ 2.切削力的分解及影响切削力的因素都有那些？ 3.切削热的来源及影响切削热的主要因素？ 4.刀具的磨损及影响刀具寿命的主要因素？
第二章 金属切削过程
1.什么是 金属切削过程？ 2.金属切削过程中会出现 哪些现象？
第二章 金属切削过程
1.什么是金属切削过程？
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层变的变形程度。
hch Ld Ah hD L ch
说明： 1、同一工件材料，若切削条件不同， 则切削厚度压缩比不同； 2、不同工件材料，即使切削条件相同， 切削厚度压缩比不同； 3、用切削厚度压缩比反映切削变形比 较简单、直观，但很粗略,只在一定条件 下反映切削变形。前角=0-30，Ah>1.5
主切削力Fc（N）
981
784 588
5 19 28 35 55 100 切削速度 v（m/min） 130
切削速度对切削力的影响
影响切削力因素
3 刀具几何角度影响
◆ 前角γ0 增大，切削力减小 ◆ 主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗 力影响显著（ κr ↑—— Fp↓，Ff↑）
切削力/ N 切削力F
从而影响已加工表面质量。
此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要
4技能训练应知篇之金属切削过程及其基本规律
（3）影响积屑瘤形成的因素 1）工件材料塑性大，加工时产生积屑瘤的可能 性大，加工脆性材料时，一般不产生积屑瘤； 2）切削速度过高或过低都不会产生积屑瘤，中 等速度范围内最易产生，如图4-9所示；切削速 度是通过切削热变化来体现 出对积屑瘤形成的影响的； 3）刀具前角大，能减小切 屑变形和切削力，降低切削 温度，能抑制积屑瘤产生或 减小积屑瘤的高度； 4）切削液可减少切削热和 图4-9 切削速度对 改善摩擦，抑制积屑瘤产生。 积屑瘤的影响
四、切削变形程度的衡量
衡量切削变形常用切削变形系数Λh、剪切应变ε 和剪切角 作为衡量切削变形程度的指标。 1．切应变ε（也称剪应变或相对滑移） 它是反映切削变形中金属滑 移本质的系数，切削层中m'n' 线滑移至m"n" 位置时的瞬时 位移为Δy，实际上Δy的值 很小，滑移量为Δs。滑移量 Δs越大，说明变形越严重。 由右图所示几何关系可得出 以下相对滑移关系表达式：
在整个刀-屑接触区内的正应力 分布情况是， 在刀刃处最大，离切削刃越远，前刀面上的 正应力越小，并逐渐减小到零。在前刀面刀 -屑接触区内，各点的正应力和切应力是不 相等的，所以，前刀面上各点的摩擦状态是 不同的，刀-屑摩擦系数也是变化的。且内 摩擦系数远远大于外摩擦系数的值。 一般切削条件下，来自粘结区的摩擦力约占 切削过程中总摩擦力的85%，可见，内摩擦 在刀-屑接触摩擦中起了主要作用，所以， 研究前刀面摩擦时应以内摩擦为主，这也是 切削摩擦不服从古典滑动摩擦法则的原因。
（2）第二变形区（也写成第II变形区） 是指刀-屑接触区域II。切屑沿前刀面流出 时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，切屑 卷曲，使朝向前刀面的切屑底层金属呈纤 维化，流线方向基本上和前刀面平行。 （3）第三变形区（也写成第III变形区） 指刀-工接触区域III。已加工表面受到切削 刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生 径向和切向弹性与塑性变形，造成工件已 加工表层晶粒纤维化与加工硬化。 三个变形区里的切削变形互相牵连，切削变 形是整体行为，是在极短时间内完成的。
第二章第1节-金属切削过程及切屑类型分析
lfi
lfo
切屑与前刀面的摩擦
第一节 金属切削过程及切屑类型
积屑瘤
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢
料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面呈三角
状的硬块,称为积屑瘤。
它的硬度很高，通常是
工件材料的2—3倍，在
切屑
处于比较稳定的状态时，
能够代替刀刃进行切削。
积屑瘤
刀具
积屑瘤
切屑的种类
名称
带状切屑
切屑类型及形成条件
挤裂切屑
单元切屑
崩碎切屑
简图
形态 变形
形成 条件
影响
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状
剪切滑移尚未达 到断裂程度
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
变形程度表示方法
变形系数
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层的变形程度。
◆ 厚度变形系数
h
hch hD
◆ 长度变形系数
L
LD Lch
Lch LD
切屑与切削层尺寸
第一节 金属切削过程及切屑类型
根据体积不变原理，则
h
lc lch
hch hDOMຫໍສະໝຸດ sin(90 OM sin
第二章 金属切削基本理论及应用
第一节 金属切削过程及切屑类型
金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过 程，在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切 削的矛盾，产生许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀 具磨损和加工硬化等。
金属切削过程
(3)单元切屑 (3)单元切屑
在挤裂切屑的剪切面上，裂纹 扩展到整个面上，则整个单 元被切离，成为梯形单元切 屑。 如果改变挤裂切屑条件，进一 步减小前角，减低切削速度， 或加大切削厚度，就可以得 到单元切屑；反之则可以得 到带状切屑。
(4)崩碎切屑 (4)崩碎切屑
这是属于脆性材料的切屑 (加工灰铸铁、脆钢) 加工灰铸铁、脆钢) 塑性变形很不充分，即突然 崩裂而成为小块或粉末状 切屑。
1.3.2积屑瘤Built1.3.2积屑瘤Built-Up Edge
1.积屑瘤的形成 1.积屑瘤的形成 在切削区，金属材料层受到强烈的挤压和摩 擦，正压力和摩擦系数的乘积，即内摩擦 力大于金属材料的剪切强度，切屑底部一 部分金属就撕裂下来粘接在刀尖附近的表 面上，逐渐积成积屑瘤。
(1)积屑瘤特征 (1)积屑瘤特征
切屑的形成过程是工件受 到刀具的挤压而崩碎，无 塑性变形。如图：
A D
C B
滑移面AB，CD等与作用力P的方向大致呈45° 滑移面AB，CD等与作用力P的方向大致呈45°左右 角度。 AB，CD两侧还会产生一系列滑移面。 AB，CD两侧还会产生一系列滑移面。
1.3金属切削过程 1.3金属切削过程
金属切削过程是由挤压而产生的剪切过程。 这是俄国学者在1870年定义的 这是俄国学者在1870年定义的 在这个过程中会产生切屑，积屑瘤，切削力， 加工硬化和刀具磨损等物理现象。
1.3.1切削过程及切屑种类 1.3.1切削过程及切屑种类 1.切屑形成过程 1.切屑形成过程
(3)刀具角度 (3)刀具角度
1)前角增加，切削力减小。 1)前角增加，切削力减小。
切削力
γ0
2)后角增加，切削力减小。 2)后角增加，切削力减小。 3)主偏角kr增加，主切削力Fz减小，进给力Fx 3)主偏角k 增加，主切削力F 减小，进给力F 增加，切深抗力F 增加，切深抗力Fy减小。
第一章 金属切削基本知识
刀具角度对加工过程的影响
1. 前角（0） ① 减小切屑的变形；
作用 ② 减小前刀面与切屑之间的摩擦力。
a .减小切削力和切削热； 所以 0 ： b .减小刀具的磨损；
c .提高工件的加工精度和表面质量。
0
0选择：
加工塑性材料和精加工—取大前角（ 0 ） 加工脆性材料和粗加工—取小前角（0 ）
前角（0）可正、可负、也可以为零。
➢ 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
F
B
O
a）正挤压
45° M A F
BO
b）偏挤压
➢ 切削：与偏挤压情况类似。弹性变
M
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
O F
力与滑移量继续增大，达到断裂强度
c）切削
后角（ 0）只能是正的。
精加工： 0= 80~120 粗加工： 0= 40~80 3 . 主偏角（kr）
作用：改善切削条件，提高刀具寿命。
减小kr：当ap、f 不变时，则 aw 、ac — 使切削条件得到改善，提高了刀具寿命。
dw
ap
dm
但减小kr
Fy 、
n
Fx ，加大工件的变形
挠度，使工件精度降
化学惰性
低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大
耐磨性 低 加工质量
低
较高
高 最高
最高
很高
一般精度 Ra≤0.8 Ra≤0.8 IT7-8 IT7-8
高精度 Ra=0.1-0.05
IT5-6
Ra=0.4-0.2
IT5-6 可替代磨削
低速加 加工对象 工一般
5.4金属切削过程
(2)切削用量
在切削用量中，切削速度对切削温 度的影响最大。 随着切削速度的提高，材料切除率 随之成正比例的增加。但随着切削速度 的提高，切屑变形相应减小，所以，切 削功和切削热虽然有所增高，但不可能 成正比例的增高，因此，切削温度也不 会成正比例的增高。
综上所述，切削用量对切削温度的 影响程度以切削速度为最大，进给量次 之，背吃刀量最小。 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 的切削速度。 上述切削用量选择原则是从最低切 削温度出发考虑的，这也是制订零件加 工工艺规程时，确定切削用量的原则。
• 螺卷屑 • 长紧卷屑： • 普通车床上 较好 • 发条状卷屑： • 重型机床上 较好
• 宝塔状卷屑： • 自动机或 自动线上较 好 • 崩碎屑 ：
• 带状屑： • 高速切削塑性金属， 一般应力求避免 • C形屑 ： • 切削一般碳钢和合 金钢时，采用带卷 屑槽的车刀时易得， 较好 • 长紧卷屑： • 普通车床上较好 • 发条状卷屑： • 重型机床上较好 • 宝塔状卷屑：
形成积屑瘤的条件： 主要决定于切削温度。在切削温度很 低时,切屑与前刀面间呈点接触,摩擦系数 μ较小,故不易形成粘结；在温度很高时, 接触面间切屑底层金属呈微熔状态,起润滑 作用，摩擦系数也较小，积屑瘤同样不易 形成通过切削实验和生产实践表明，在中 温情况下切削中碳钢，温度在300～380C° 时，积屑瘤的高度最大，温度在500～ 600C°时积屑瘤消失。
剪切滑移线与三个变形区示意图
切屑的类型
• 切屑的类型 由于工件材料不同，切削条件不同，切 削过程的变形也不同，所形成的切屑多种 多样。 通常将切屑分为四类： 带状切屑； 挤裂切屑； 单元切屑; 崩碎切屑。
金属切削过程
金属切削原理及刀具
四、切屑的变形评价
1. 厚度变形系数：
h
h ch hD
式中：hch——切屑厚度
hD ——切削层厚度
金属切削原理及刀具
四、切屑的变形评价
2. 长度变形系数：
l
lc l ch
式中：lc ——切削层长度
lch——切屑长度
金属切削原理及刀具
四、切屑的变形评价
3. 变形系数：
金属切削原理及刀具
第三章 金属切削过程 (the cutting process)
5、晶格的微观变形： 晶粒剪切滑移挤压示意
正常晶格
晶格拉伸
滑移
破坏
金属(material) 切屑(chips)
金属切削原理及刀具
金属切削过程：就是工件的被切削层金属在刀 具前刀面的推移下，沿着剪切面(即滑移面)产生剪 切变形并转变为切屑的过程。
3、“笨刀”切削模型
τ F
此时前角为0，后角也为0，相当于对金属进行正挤压，同样在 正压力的作用下，金属先后产生弹性变形、塑性变形，沿滑移面产 生剪切破坏。特点：一侧是自由的，故金属只能沿一侧分离成为切 金属切削原理及刀具 屑。
第三章 金属切削过程 (the cutting process)
3、理想剪切模型(the ideal cutting model)
F F ns F n F f
F s F ns F 前刀面上受正压力F nF s fF ns F n F f 和摩擦力
Ac
sin cos( 0 )
F s F ns F n F f
Fr
F F ns F n F ss F ns F n F rf
F s F ns F n F
四、切屑的变形评价
1. 厚度变形系数：
h
h ch hD
式中：hch——切屑厚度
hD ——切削层厚度
金属切削原理及刀具
四、切屑的变形评价
2. 长度变形系数：
l
lc l ch
式中：lc ——切削层长度
lch——切屑长度
金属切削原理及刀具
四、切屑的变形评价
3. 变形系数：
金属切削原理及刀具
第三章 金属切削过程 (the cutting process)
5、晶格的微观变形： 晶粒剪切滑移挤压示意
正常晶格
晶格拉伸
滑移
破坏
金属(material) 切屑(chips)
金属切削原理及刀具
金属切削过程：就是工件的被切削层金属在刀 具前刀面的推移下，沿着剪切面(即滑移面)产生剪 切变形并转变为切屑的过程。
3、“笨刀”切削模型
τ F
此时前角为0，后角也为0，相当于对金属进行正挤压，同样在 正压力的作用下，金属先后产生弹性变形、塑性变形，沿滑移面产 生剪切破坏。特点：一侧是自由的，故金属只能沿一侧分离成为切 金属切削原理及刀具 屑。
第三章 金属切削过程 (the cutting process)
3、理想剪切模型(the ideal cutting model)
F F ns F n F f
F s F ns F 前刀面上受正压力F nF s fF ns F n F f 和摩擦力
Ac
sin cos( 0 )
F s F ns F n F f
Fr
F F ns F n F ss F ns F n F rf
F s F ns F n F
认识金属切削过程
9
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（1）轨迹法
轨迹法是指利用刀具做一定规律的轨迹运动对工件进行
加工的方法。利用轨迹法加工工件时，刀具切削刃与工件表 面之间为点接触，通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具 刀尖的运动轨迹来实现表面成形。
如图所示，刀尖的曲线运动和工件的回转运动相结合，形成了 回转双曲面。
每齿进给量：是指多齿刀具（如铣刀、铰刀等）每转过或移动一个齿相对工件在进给运动方向上的位
移，单位是mm/齿。 进给速度 vf 、进给量 f 和每齿进给量 fc 之间的关系如下：
vf nf nfz z
（2-2）
式中：n ——主运动的转速，r/s或r/min；
z ——刀具的齿数，齿/r。
15
三、切削用量
（a）平面的形成
（b）圆柱面的形成 （c）圆锥面的形成
7
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
普通螺纹的螺旋面可以看作是由“八”形线（母线）沿螺旋线（导线）运动而
形成的，如图d所示；
直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面可以看作是由渐开线（母线）沿直线（导
线）运动而形成的，如图e所示。
形成表面的母线和导线统称为发生线。
移量。已知：工件转速n为220 r/min，刀具每秒沿工件轴向移动1.6 mm，可得
（3）背吃刀量
f 60l 60 1.6 0.44 mm/r。 n 220
由于车外圆的主运动是工件的回转运动，因此根据式（2-3）和已知条件可得
ap
dw
dm 2
75 66 2
4.5 mm。
18
机械制造基础
11
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（3）展成法
展成法是指利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（1）轨迹法
轨迹法是指利用刀具做一定规律的轨迹运动对工件进行
加工的方法。利用轨迹法加工工件时，刀具切削刃与工件表 面之间为点接触，通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具 刀尖的运动轨迹来实现表面成形。
如图所示，刀尖的曲线运动和工件的回转运动相结合，形成了 回转双曲面。
每齿进给量：是指多齿刀具（如铣刀、铰刀等）每转过或移动一个齿相对工件在进给运动方向上的位
移，单位是mm/齿。 进给速度 vf 、进给量 f 和每齿进给量 fc 之间的关系如下：
vf nf nfz z
（2-2）
式中：n ——主运动的转速，r/s或r/min；
z ——刀具的齿数，齿/r。
15
三、切削用量
（a）平面的形成
（b）圆柱面的形成 （c）圆锥面的形成
7
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
普通螺纹的螺旋面可以看作是由“八”形线（母线）沿螺旋线（导线）运动而
形成的，如图d所示；
直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面可以看作是由渐开线（母线）沿直线（导
线）运动而形成的，如图e所示。
形成表面的母线和导线统称为发生线。
移量。已知：工件转速n为220 r/min，刀具每秒沿工件轴向移动1.6 mm，可得
（3）背吃刀量
f 60l 60 1.6 0.44 mm/r。 n 220
由于车外圆的主运动是工件的回转运动，因此根据式（2-3）和已知条件可得
ap
dw
dm 2
75 66 2
4.5 mm。
18
机械制造基础
11
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（3）展成法
展成法是指利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的
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积屑瘤对加工的影响
▪ 优点： ▪ 1、粗车时能代替切削刃进行切
削，起到保护前刀面和刀尖的作 用 ▪ 2、积屑瘤聚集在刀刃处，增大 了车刀的实际前角，能减小切削 变形和切削力
▪ 缺点：
▪ 1、无法形成稳定的刀面和刀刃，造 成切削的不稳定性，使切削力时大 时小，易引起振动。
▪ 2、积屑瘤超出刀尖时能影响尺寸精 度
▪ 2、控制切削速度。
▪ 例如： 中碳钢Vc＜5m/min，不易生成
▪
Vc＝5―50m/min易生成
▪
Vc＞100m/min不易生成
▪ 3、采用润滑性能良好的切削液，减小摩擦。
▪ பைடு நூலகம்、增大前角，减小进给量，提高刀具表面质量， 减小切削变形
▪ 3、积屑瘤脱落嵌入工件后会影响工 件的加工精度和表面质量
▪ 鉴于积屑瘤的优缺点，我们在粗加工时可以 形成积屑瘤，而在精加工时则要避免积屑瘤 的产生。
积屑瘤的控制
▪ 1、降低工件材料塑性
▪ 材料的塑性越好，产生积屑瘤的可能性越大。因此 对于中、低碳钢以及一些有色金属在精加工前应对 于它们进行相应的热处理，如正火或调质等，以提 高材料的硬度、降低材料的塑性。
加工塑性材料，切 削速度较低，刀具 前角较小
工件材料硬度较高 ，韧性较低，切削 速度较低
加工铸铁、黄铜硬 性脆材料， 刀具 前角较小
影响
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 切削力波动大，有冲
削过程不平稳，表面 击，表面粗糙度恶劣
切削类型
重庆永川松溉职校 李正波
名称
带状切屑
切屑类型及形成条件
挤裂切屑
单元切屑
崩碎切屑
简图
形态
带状，底面光滑， 节状，底面光滑有裂纹
背面呈毛茸状
，背面呈锯齿状
粒状
不规则粒状切屑
变形
剪切滑移尚未达到 局部剪切应力达到断裂 剪切应力完全超过 未经塑性变形即被
断裂程度
强度
断裂强度
挤裂
形成条 件
加工塑性材料，切 削速度较高，刀具 前角较大
粗糙度不佳
，易崩刀
切屑类型
带状切屑 Real
挤裂切屑 Real
单元切屑 Real
崩碎切屑 Real
图3-6 切屑形态照片
切屑的控制
采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可 接受”的良好屑形
“不可接受”的切屑
• 划伤工件的已加工表面，使表面粗糙度恶化
• 划伤机床，卡在机床运动副之间
• 造成刀具的早期破损 • 影响操作者的安全
衡量切屑可控性的主要标准
•
不妨碍正常的加工
•
不影响操作者的安全
•
易于清理、存放和搬运
切屑控制措施
•
磨断屑槽或使用压块式断屑槽
•
可转位刀具
积屑瘤
▪ 用中等切削速度车削塑性 材料的金属时，在车刀前 刀面近刀尖处会“冷焊” 上一小块金属，这块金属 就是积屑瘤
积屑瘤的形成
▪ 在加工过程中，由于工件材料是被挤裂 的，因此切屑对前刀面产生有很大的压 力，并摩擦生成大量的切削热。在这种 高温（300ºC左右）高压下，与刀具前 面接触的那一部分切屑由于摩擦力的影 响，流动速度相对减慢，形成“滞留 层”。当摩擦力一旦大于材料内部的结 合力时，“滞流层”中的一些材料就会 粘附在刀具*近刀尖的前面上，形成积屑 瘤。