金属切削过程中的物理现象
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，它是设计进给机构必须的数据。
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。
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。
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 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。
Ⅱ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。
Ⅲ区：积屑瘤随切削速度的 提高而减小，当达到Ⅲ区右 边界时，积屑瘤消失。
Ⅳ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
3.总切削力的几何分力
F F F F F F
2
c
2
N
2 2 2
C
P
f
Fp=FNcosKr;
Ff =FNsinkr
一般情况下，Fc最大，Fp和Ff小一些
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。
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
（挤压摩擦区）
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) 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。
三、残余应力和加工硬化
在金属切削过程中，因刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦， 使已加工表面层的塑性变形非常强烈，晶格破坏，表层硬度 提高，这种现象称为加工硬化。
工件表面硬化可提高耐磨性。但加工硬化常伴有裂纹产生， 降低零件的抗冲击性能。
4.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）
Pm
Fz gvg103 60
kW
机床电动机所需功率PE:
式PE中
Pm
－
PE
Pm
机床传动效率。
5.影响切削力的因素
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
3、第三变形区
（挤压摩擦回弹区）工硬化及残余应力，严重的甚至出现细 微的裂纹。
二、积屑瘤
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。
◆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。
2.切屑力的来源
（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。
性变形的抗力； 二是克服切屑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。
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。
（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。
金属切削过程中的三个变形区
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层 内产生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区；
第Ⅲ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，分析较典型的连续切屑的形成
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，因而积屑瘤也不易产生。
对于碳钢，300ºC～ 350ºC范围内 最容易产生积屑瘤， 500ºC以上趋于 消失。
3）积屑瘤与切削速度的关系
Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状 或节状切屑，没有积屑瘤生成。
刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦，以及切削热的作用， 使已加工表面上常有残余应力存在。
四、脆性材料的切削机理
脆性被切削材料在外力作用下，先形成裂纹。裂纹尖端附 近应力强度达到其临界值时，裂纹就会发生失稳扩展，导致 被切削材料的断裂。
五、 切屑力
1.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。
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。
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 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。
Ⅱ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。
Ⅲ区：积屑瘤随切削速度的 提高而减小，当达到Ⅲ区右 边界时，积屑瘤消失。
Ⅳ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
3.总切削力的几何分力
F F F F F F
2
c
2
N
2 2 2
C
P
f
Fp=FNcosKr;
Ff =FNsinkr
一般情况下，Fc最大，Fp和Ff小一些
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。
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
（挤压摩擦区）
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) 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。
三、残余应力和加工硬化
在金属切削过程中，因刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦， 使已加工表面层的塑性变形非常强烈，晶格破坏，表层硬度 提高，这种现象称为加工硬化。
工件表面硬化可提高耐磨性。但加工硬化常伴有裂纹产生， 降低零件的抗冲击性能。
4.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）
Pm
Fz gvg103 60
kW
机床电动机所需功率PE:
式PE中
Pm
－
PE
Pm
机床传动效率。
5.影响切削力的因素
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
3、第三变形区
（挤压摩擦回弹区）工硬化及残余应力，严重的甚至出现细 微的裂纹。
二、积屑瘤
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。
◆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。
2.切屑力的来源
（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。
性变形的抗力； 二是克服切屑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。
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。
（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。
金属切削过程中的三个变形区
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层 内产生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区；
第Ⅲ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，分析较典型的连续切屑的形成
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，因而积屑瘤也不易产生。
对于碳钢，300ºC～ 350ºC范围内 最容易产生积屑瘤， 500ºC以上趋于 消失。
3）积屑瘤与切削速度的关系
Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状 或节状切屑，没有积屑瘤生成。
刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦，以及切削热的作用， 使已加工表面上常有残余应力存在。
四、脆性材料的切削机理
脆性被切削材料在外力作用下，先形成裂纹。裂纹尖端附 近应力强度达到其临界值时，裂纹就会发生失稳扩展，导致 被切削材料的断裂。
五、 切屑力
1.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。
合集下载
第十七章 金属切削加工基础知识
图17-17 刀具磨损的三个阶段
• 第五节
工件材料的切削加工性
• 一、 衡量工件材料切削加工性的指标 • 由于切削加工性是对材料多方面的综合评价，所以很难用一个简单的 物理量来精确规定和测量。在生产和实验中，常取某一项指标来反映 材料切削加工性的某一具体方面，最常用的是vT和Kr。 • vT——指在一定的切削条件下，当刀具的寿命为T分钟时，切削某种材 料所允许的最大的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。 通常取T＝60min，则vT可写作v60。 • Kr——称为相对加工性，一般以正火状态45钢的v60为基准，写作 （v60），然后将其它各种材料的v60与之相比所得的比值。当Kr＞1时， 表示该材料比45钢容易切削。反之，则比45钢难切削。常用工件材料 的相对加工性可分为八级，见表17-2。
• 五、切削热与切削温度 • 1.切削热的来源： • ⑴是正在加工和已加工表面所发生的弹性和塑性变形而产生的大量的热， 是切削热的主要来源； • ⑵是切屑与刀具前刀面之间的摩擦产生的热； • ⑶是工件与刀具后刀面之间的摩擦产生的热。切削时所消耗的功约有98% －99%转换为切削热。 • 2.切削温度 • 切削温度过高，会使刀头软化，磨损加剧，寿命下降；工件和刀具受热膨 胀，会导致工件精度超差影响加工精度，特别是在加工细长轴、薄壁套时， 更应注意热变形的影响。 ⑴ • 在生产实践中,为了有效地降低切削温度，常应用切削液，切削液能带走 大量的热，对降低切削温度的效果显著，同时还能起到润滑、清洗和防锈的 作用。常见的切削液有： • ⑴切削油 主要是各种矿物油、动植物油和加入油性、极压添加剂的混 合油。其润滑性能好，但冷却性能较差，主要用来减少磨损和降低工件的表 面粗糙度，一般用于低速精加工，如铣削加工和齿轮加工等。 • ⑵水溶液 主要成分是水并加入防锈剂、表面活性剂或油性添加剂。其 热导率高、流动性好，主要起冷却作用，同时还具有防锈、清洗等作用。 • ⑶乳化液 由乳化油加水稀释而成，呈乳白色或半透明状，有良好的流 动性和冷却作用，是应用最广泛的切削液。低浓度的乳化液用于粗车、磨削。 高浓度乳化液用于精车、钻孔和铣削等。在乳化液中加入硫、磷等有机化合 物，可提高润滑性。适用于螺纹、齿轮等精加工。
3-2切削力
这些作用在刀具上所有力的合力称为总切削力， 这些作用在刀具上所有力的合力称为总切削力，用F来表示。 总切削力 来表示
生产中，为了分析切削力对工件、 生产中，为了分析切削力对工件、刀具和机床的 影响，通常把总切削力 分解为三个分力。如图3-15 总切削力F分解为三个分力 影响，通常把总切削力 分解为三个分力。如图 所示。其中： 所示。其中： 也称主切削力， 切削力 ——也称主切削力，车外圆时，又称切向力。 也称主切削力 车外圆时，又称切向力。 它是总切削力在主运动方向的分力， 切削速度的方向 它是总切削力在主运动方向的分力，与切削速度的方向 主运动方向的分力 一致。消耗90﹪以上的切削功率，是计算刀具强度、 一致。消耗 ﹪以上的切削功率，是计算刀具强度、机 床功率的主要依据。 床功率的主要依据。
2．切削用量
（1）背吃刀量和进给量 ）
ap
f
背吃刀量和进给量f加大， 背吃刀量和进给量 加大，均使切削力增大，但两 加大
者的影响程度不同。见表3-1。 者的影响程度不同。见表 。
f
ap
进给量不变背吃刀量增加一倍，切削力也增大一倍。 进给量不变背吃刀量增加一倍，切削力也增大一倍。
不变，进给量增大一倍时，切削力不成正比例增加， 不变，进给量增大一倍时，切削力不成正比例增加，增 大0.7~0.8倍。上述影响反映在切削力实验公式中指数， 倍
vc
vc
率，又使切削力减小。 又使切削力减小。
3．刀具几何参数 （1）前角 γ o ） γ 切削塑性材料时， 增大，变形减小， 切削塑性材料时， o 增大，变形减小，切削力
Fc、Fp、Ff降低。如图 、 、 降低 如图3-18所示。 降低。 所示。 所示 切削脆性材料时，由于变形小，摩擦小， 切削脆性材料时，由于变形小，摩擦小，前角对 切削力的影响不明显。 切削力的影响不明显。 负倒棱使切削刃变钝，切削力增加。 （2）负倒棱 负倒棱使切削刃变钝，切削力增加。 ） （3）主偏角 ） r 由图3-20可知，主偏角的变化，改变背向力和进给力的比 可知， 由图 可知 主偏角的变化， 主偏角增大，背向力减少， 例，主偏角增大，背向力减少，进给力增大。生产 车细长轴时 系统刚性差， 中，车细长轴时，系统刚性差，止工件在背向力 ° ° 甚至大于90°），以防止工件在背向力 腰鼓形工件 作用下变形而加工出腰鼓形工件。 作用下变形而加工出腰鼓形工件。
生产中，为了分析切削力对工件、 生产中，为了分析切削力对工件、刀具和机床的 影响，通常把总切削力 分解为三个分力。如图3-15 总切削力F分解为三个分力 影响，通常把总切削力 分解为三个分力。如图 所示。其中： 所示。其中： 也称主切削力， 切削力 ——也称主切削力，车外圆时，又称切向力。 也称主切削力 车外圆时，又称切向力。 它是总切削力在主运动方向的分力， 切削速度的方向 它是总切削力在主运动方向的分力，与切削速度的方向 主运动方向的分力 一致。消耗90﹪以上的切削功率，是计算刀具强度、 一致。消耗 ﹪以上的切削功率，是计算刀具强度、机 床功率的主要依据。 床功率的主要依据。
2．切削用量
（1）背吃刀量和进给量 ）
ap
f
背吃刀量和进给量f加大， 背吃刀量和进给量 加大，均使切削力增大，但两 加大
者的影响程度不同。见表3-1。 者的影响程度不同。见表 。
f
ap
进给量不变背吃刀量增加一倍，切削力也增大一倍。 进给量不变背吃刀量增加一倍，切削力也增大一倍。
不变，进给量增大一倍时，切削力不成正比例增加， 不变，进给量增大一倍时，切削力不成正比例增加，增 大0.7~0.8倍。上述影响反映在切削力实验公式中指数， 倍
vc
vc
率，又使切削力减小。 又使切削力减小。
3．刀具几何参数 （1）前角 γ o ） γ 切削塑性材料时， 增大，变形减小， 切削塑性材料时， o 增大，变形减小，切削力
Fc、Fp、Ff降低。如图 、 、 降低 如图3-18所示。 降低。 所示。 所示 切削脆性材料时，由于变形小，摩擦小， 切削脆性材料时，由于变形小，摩擦小，前角对 切削力的影响不明显。 切削力的影响不明显。 负倒棱使切削刃变钝，切削力增加。 （2）负倒棱 负倒棱使切削刃变钝，切削力增加。 ） （3）主偏角 ） r 由图3-20可知，主偏角的变化，改变背向力和进给力的比 可知， 由图 可知 主偏角的变化， 主偏角增大，背向力减少， 例，主偏角增大，背向力减少，进给力增大。生产 车细长轴时 系统刚性差， 中，车细长轴时，系统刚性差，止工件在背向力 ° ° 甚至大于90°），以防止工件在背向力 腰鼓形工件 作用下变形而加工出腰鼓形工件。 作用下变形而加工出腰鼓形工件。
第三节金属切削过程中的变形
2、第二变形区（纤维化） 第二变形区（纤维化）
（2）剪切角Φ与前刀面上摩擦角β的关系 作用在切屑上的力有 前刀面上的法向力Fn、摩擦力Ff、剪切面上的正压力Fns和剪应力Fs。 简化后作用在切屑上的力 Fr为切削合力、 Φ为剪切角、 β是Fn与Fr之间的夹角摩擦角、Fz是切 削运动方向的分力、和Fy是与运动方向垂直的分力。
a)积屑瘤的形成 切削加工时，切屑与前刀面发生强烈摩擦而形成新鲜表面接触。当接触面具 有适当的温度和较高的压力时就会产生粘结（冷焊）。于是，切屑底层金属 与前刀面冷焊而滞留在前刀面上。连续流动的切屑从粘在刀面的底层上流过 时，在温度、压力适当的情况下，也会被阻滞在底层上。使粘结层逐层在前 一层上积聚，最后长成积屑瘤。 所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与 金属材料的硬化性质有关，也与刃前区 演示1 积屑瘤形成过程 演示2 演示3 的温度和压力分布有关。一般说来，塑 性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生 积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积 屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用， 也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时， 积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
二、切削层金属的变形
以直角自由切削方式切削塑性材料为基础模型研究切屑形成过程。
大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切 屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。
二、切削层金属的变形
1、变形区划分 2、第一变形区（剪切滑移） 第一变形区（剪切滑移） 3、第二变形区（纤维化） 第二变形区（纤维化） 4、第三变形区（纤维化与加工硬化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）
1、变形区划分
根据实验，切削层金属在刀具作用下变成切屑的形态大体可划分为三个变形区 第一变形区（剪切滑移） 第二变形区（纤维化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）
第二章第三节 金属切削过程及其物理现象
五．变形程度的表示方法
1. 剪切角 2. 相对滑移或剪应变 3. 变形系数 a / l
六． 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响
特征：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度 减慢，甚至滞留在前刀面上； 切屑弯曲； 由摩擦产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高。
1. 2. 3. 4.
七． 积屑瘤的形成及其对切削过程的影切 屑的情况下，加工一般钢料或其他 塑性材料时，常常在刀具前刀面粘 着一块剖面有时呈三角形的硬块。 它的硬度很高，通常是工件材料的 2~3倍，在处于比较稳定的状态时， 能够代替切削刃进行切削。这块冷 焊在前刀面上的金属就叫积屑瘤。
第三节 金属切削过程及其物理现象
一． 国内外切削理论研究概述
1. 2. 3. 1870年，俄国学者基麦就开始了切削理论的研究工作，提出塑 性金属的切削过程是由挤压产生的剪切过程。 1913年~1916年，乌沙丘夫的研究使人们对切削过程的认识 由外部深入到内部。 1907年，美国学者泰勒(Taylor)发表了（On the Art of Cutting Metal）一书，提出了著名的切削速度与刀具耐用度关 系式（著名的泰勒公式），对生产应用产生了重大影响。 1941年，美国学者麦钱特（Merchant)发表了（Mechanics of the Metal Cutting Process)的著名论文，提出了塑性金属 切削是剪切过程的力学模型，推导了剪切角的理论公式。
4.
5.
6.
在Merchant之后，诸多学者对剪切角的理论推导，剪切角与变形 的关系以及切削速度对切屑变形的影响进行了广泛的研究。如美国 学者李-谢弗、苏联学者佐列夫、澳大利亚学者奥克斯利、日本学 者中山一雄、日本学者臼井英治、华裔学者赵佩之、美国学者阿尔 伯莱特等都各自做出了一定的贡献。 1981年起，在刘培德教授的带领下，大连理工大学机械系金属切 削原理与刀具教研室的多位老师开展了切削理论的研究。取得的成 果有： 提出了正交切削时刃前区应力分析的新模型（带弯矩的切削力学模 型） 证明了切削过程中存在弯矩，弯矩的存在使切屑发生弯曲。通过一 定手段控制弯矩的大小及正负控制切屑的卷曲与折断，从而发展了 断屑理论。解决了诸多生产难题，如上海宝钢无缝钢管厂在西德产 数控车床上螺纹加工的断屑问题。
机械制造复习题
习题课：金属切削过程中的物理现象一、填空题1、刀具的总切削力F可以分解成__主切削力Fz___、__进给力_Fx___和__背向力Fy__等三个相互垂直的切削分力。
其中消耗功率最多的是_主切削力_Fg_。
2、车削是__主轴旋转________作主运动，_______作进给运动的切削加工方法。
3、铣削是__铣刀旋转________作主运动，________________作进给运动的切削加工方法。
4、积屑瘤是在切削速度加工材料条件下的一个重要物理现象。
5、在切削塑性材料时，切削区温度最高点在前刀面上近刀尖处。
6、切削层参数包括：切削厚度、切削宽度、切削面积。
二、判断题1、金属切削加工过程中刀具材料的硬度要高于工件材料。
（√）2、金属切削加工过程中，刀具和工件必须有相对运动。
（√）3、工件的转速很高，切削速度就一定很大。
（×）4、硬质合金是在碳素钢中加入大量的钨钛钽等元素构成，它具有很高的硬度和耐磨性。
（√）5、增大刀具前角、减小刀具的后角可以减小总切削抗力。
（×）6、切削力Fc是总切削力F在主运动方向上的正投影，与切削速度v c的方向一致。
（√）7、总切削抗力与总切削力是一对作用与反作用力，总切削抗力愈大，总切削力也愈大。
（√）8、主偏角k r对切削抗力F c′的影响不大，但对背向抗力F p′和进给抗力F f′的比例有明显的影响。
（√）三、选择题1、使总切削抗力增大的因素有（）A、工件材料的韧性和塑性差B、切削速度增大C、切削深度和进给量增大D、刀具前角和后角减小2、切削热可通过多种形式传导或散发，其中带走热量最多的是（）A、空气介质B、刀具C、切屑D、工件3、磨削加工时常用的切削液是（）A、合成切削液B、乳化液C、切削油D、极压切削油4、切削高强度钢、高温合金等难切削材料时，应选用的切削液是（）A、乳化液B、合成切削液C、切削油D、极压切削油5、切削塑性材料时，切削区温度最高点在（）。
第一章 金属切削过程中的基本规律讲解
积的结果。 （2）积屑瘤对切削过程的影响 ①保护刀具 积屑瘤代替切削刃和前刀面进行切削。
②增大前角 积屑瘤具有30°左右的前角。
③增大切削厚度 切削厚度增大了ΔhD。
④增大已加工表面粗糙度
原因：积屑瘤不规则的形状和非周期性的生成与脱 落、可能引起的振动、积屑瘤碎片残留在已加工表面 上。
积屑瘤
（3）影响积屑瘤的主要因素
在滑动区内的摩擦为外摩擦，该处的剪应力τy 由τs 逐渐减小到零。
正应力σγ 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。
刀-屑接触面上的摩擦特性
刀-屑接触面上的摩擦特性
前刀面上的摩擦系数μ是变化的，其计算公式如下：
s av
式中 τs ——工件材料的剪切屈服强度，随温度升 高而略有下降
响比较明显，前角γ0 对切削力的影响最大。
切削热的产生和传出
（1）切削热的产生 切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全 部转换为热能，因此三个变形区就是三个发热源。如 下图所示。
切削热的产生和传出
（2）切削热的传出 由切屑、刀具、工件、周围介质传导出去。
车削钢料时，切削热被切屑带走约50% ~ 86%，传入 刀具的约占10% ~ 40%，传入工件的约为3% ~ 9%，传入 周围介质的约占1%。
相对滑移ε
切削层中m´n´线滑移至m˝n˝ ，瞬时位移为∆y ， 滑移量为∆s 。
cos o
sin cos( o )
增大前角γo 和剪切角φ,则
相对滑移ε减小，即切削
变形减小。
变形系数ξ
将切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，可知切 屑的长度缩短而厚度增加。 变形系数就是切屑厚度和 切削层厚度的比值，或者是切削层长度和切屑长度的 比值。
②增大前角 积屑瘤具有30°左右的前角。
③增大切削厚度 切削厚度增大了ΔhD。
④增大已加工表面粗糙度
原因：积屑瘤不规则的形状和非周期性的生成与脱 落、可能引起的振动、积屑瘤碎片残留在已加工表面 上。
积屑瘤
（3）影响积屑瘤的主要因素
在滑动区内的摩擦为外摩擦，该处的剪应力τy 由τs 逐渐减小到零。
正应力σγ 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。
刀-屑接触面上的摩擦特性
刀-屑接触面上的摩擦特性
前刀面上的摩擦系数μ是变化的，其计算公式如下：
s av
式中 τs ——工件材料的剪切屈服强度，随温度升 高而略有下降
响比较明显，前角γ0 对切削力的影响最大。
切削热的产生和传出
（1）切削热的产生 切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全 部转换为热能，因此三个变形区就是三个发热源。如 下图所示。
切削热的产生和传出
（2）切削热的传出 由切屑、刀具、工件、周围介质传导出去。
车削钢料时，切削热被切屑带走约50% ~ 86%，传入 刀具的约占10% ~ 40%，传入工件的约为3% ~ 9%，传入 周围介质的约占1%。
相对滑移ε
切削层中m´n´线滑移至m˝n˝ ，瞬时位移为∆y ， 滑移量为∆s 。
cos o
sin cos( o )
增大前角γo 和剪切角φ,则
相对滑移ε减小，即切削
变形减小。
变形系数ξ
将切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，可知切 屑的长度缩短而厚度增加。 变形系数就是切屑厚度和 切削层厚度的比值，或者是切削层长度和切屑长度的 比值。
第2章 金属切削过程的物理现象
4．崩碎切屑
切削脆性材料(如灰铸铁)时，由于材料的塑性很小，抗
拉强度较低刀具切入后，切削层内靠近切削刃和前面的 局部金属，几乎不经过塑性变形就被挤裂，或在拉应力 状态下脆断，形成大小不等、形状各异的碎块状切屑。
2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤
1．切屑与前刀面的摩擦
切屑与前刀面间的这种摩擦与一般金属接触面间的摩擦 不同。如图2-5所示，切屑与前刀面接触去分为粘结区 和滑动区两部分。
1．带状切屑
这是一种最常见的切屑形状。当切屑内剪应力小于材 料的强度极限时，剪切滑移变形较小，切屑连绵不断，
没有裂纹，就形成了带状切屑
2．节状切屑
当切屑内剪应力在局部地方达到了材料的破裂极限，
会形成节状切屑。
2.2.1 切屑的种类
3．粒状切屑
当切屑内部剪应力超过了材料的破裂强度，切屑将沿
剪切面完全断开，形成粒状切屑。
图2-1 金属切削的三个变形区域
图2-2 第一变形区金属的滑移
2.1.2切削层的变形
1．第一变形区（剪切变形区）
如图2-2所示从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒
的剪切滑移基本完成，这个区域叫第一变形区。
2．第二变形区（挤压变形区）
当切屑从刀具的前倾面排出时，受刀具前面的推挤和摩 擦，必将发生进一步变形，这就是第二变形区的变形。 这一变形主要集中在切屑底面一薄层金属里，使靠近刀 具前倾面的金属纤维基本上与前倾面平行，离刀具前面 愈远，影响愈小。
由于进给功率相对切削功率Pc很小（＜1％～2％），可 忽略不计。所以，工作功率P，可以用切削功率Pc近似 代替。 在计算机床电机功率Pm 时，还应考虑机床的传动效率 ηm(一般取0.75～0.85),则：
金属切削中的物理现象
10
2. 切削力
切削力的来源： 切削力的来源： 被切削材料的弹性、 被切削材料的弹性、塑性变形抗力 刀具与切屑、 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力
11
切削力的分解
1）主切削力Fz （切向力） ）主切削力 切向力） 2）切深抗力 y （径向力） 径向力） ）切深抗力F 3）进给抗力 x （轴向力） 轴向力） ）进给抗力F
mV 工件
刀具
金属丝
小孔
30
热电偶
4. 刀具磨损及耐用度
刀具失效： 刀具失效：磨损和破损
刀具的磨损形态
31
塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度 塑性材料的前刀面磨损：月牙洼深度KT
32
原因： 原因： •前刀面上过高的切 前刀面上过高的切 削温度引起扩散磨损 改进方法： 改进方法： •降低切削速度 降低切削速度 •减小走刀 减小走刀 •采用正前角刀片， 采用正前角刀片， 采用正前角刀片 更耐磨的刀片材质或 涂层 •避免积屑瘤 避免积屑瘤
经验公式
x Fz f y Fz Fz = C Fz a p
切削力的测定： 切削力的测定： 1、测定机床功率，计算切削力 、测定机床功率， 2、用测力仪测量切削力 、
v
n Fz
K Fz
20
3. 切削热和切削温度
切削力做功转化为切削热： 切削力做功转化为切削热：
切屑
刀具
工件
切削热的来源与传出
21
影响热传导的因素： 影响热传导的因素：导热系数和加工方法 加工方法 车削 铣削 钻、镗削 磨削 切屑 50~86% 70% 30% 4% 工件 3~9% <30% >50% >80% 刀具 10~40% 5% 15% 12%
第三节__切削热和切削温度
温度约为900℃。该处压力高，热量集中。在后刀面上约 0.3mm处的最 高温度约为700℃。 3）切屑带走的热量最多，它的平均温度高于刀具、工件上的平均温度。 4）工件上最高温度在近切削刃处，平均温度较刀具上最高温度低20～30倍。
三、影响切削温度的主要因素
切削温度高低取决于两个方面：产生的热量和散热速度。 产生的热量少，散热速度高，则切削温度低；或者上述之一起主导作 用，也会降低切削温度。 因而，凡是能影响产生的热量和散热速度的因素均会影响切削温度的高低
学习目的
通过对切削热的来源、切削温度的分布及影响因素进行
研究，以便控制切削热和切削温度对切削过程的影响。
学习内容
一、切削热的来源及传出 二、切削区的温度及其分布 三、影响切削温度的主要因素
一、切削热的来源及传出
1、切削热来源
1）被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功， 这是切削热的一个重要来源。 2）切屑与前刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 3）工件与后刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 因此，切削时共有三个发热区域 剪切面 切屑与前刀面接触区 后刀面与过渡表面接触区
所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。
根据切削理论，切削变形和摩擦而产生的热量.
在剪切面上的塑性变形产生的热量最多。 单位时间内产生的切削热的计算公式
Q —单位时间内产生的切削热（J/s）； Fc—主切削力（N）； Vc—切削速度（m/s）。
注：该公式中忽略了进给运动所消耗的功率，且假定主运动所消耗的功全部转化为热能。
3）实际意义： 从降低切削温度的角度出发，切削用量的选择原则：为提高切削效率， 应优先选用较大的背吃刀量，其次增加进给量，最后确定刀具和机床性 能允许的最大切削速度。
三、影响切削温度的主要因素
切削温度高低取决于两个方面：产生的热量和散热速度。 产生的热量少，散热速度高，则切削温度低；或者上述之一起主导作 用，也会降低切削温度。 因而，凡是能影响产生的热量和散热速度的因素均会影响切削温度的高低
学习目的
通过对切削热的来源、切削温度的分布及影响因素进行
研究，以便控制切削热和切削温度对切削过程的影响。
学习内容
一、切削热的来源及传出 二、切削区的温度及其分布 三、影响切削温度的主要因素
一、切削热的来源及传出
1、切削热来源
1）被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功， 这是切削热的一个重要来源。 2）切屑与前刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 3）工件与后刀面之间的摩擦耗功产生出大量的热量。 因此，切削时共有三个发热区域 剪切面 切屑与前刀面接触区 后刀面与过渡表面接触区
所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。
根据切削理论，切削变形和摩擦而产生的热量.
在剪切面上的塑性变形产生的热量最多。 单位时间内产生的切削热的计算公式
Q —单位时间内产生的切削热（J/s）； Fc—主切削力（N）； Vc—切削速度（m/s）。
注：该公式中忽略了进给运动所消耗的功率，且假定主运动所消耗的功全部转化为热能。
3）实际意义： 从降低切削温度的角度出发，切削用量的选择原则：为提高切削效率， 应优先选用较大的背吃刀量，其次增加进给量，最后确定刀具和机床性 能允许的最大切削速度。
金属切削过程中的物理现象
式中 Fz－主切削力（N）
v－主运动切削速度（m/min）
Pm
Fz
v103 60
kW
机床电动机所需功率PE:
式P E中
Pm
－
PE
Pm
机床传动效率。
教学ppt
22
四、影响切削力的因素
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。
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的 切屑层内产生的变形区；
教学ppt
第Ⅲ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）
4
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，分析较典型的连续切屑的形成
过程。
切削层受到刀具前
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。
教学ppt
23
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。
教学ppt
28
3.刀具几何参数的影响
1） 前角ro对切削力的影响;
对塑性材料
前角go↑ 刀刃锋利↑
对脆性材料
切削变形↓
切削力
影响较小
教学ppt