第二章 金属切削过程的基本规律及其应用金属切削过程是指通过切削运动，使刀具从工件上切下 多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。金属在切削过程中，由于受到刀具的推挤，通常会产生 受形。这种变形直接影响切削力、切削热、刀具磨损、已加 工表面质量和生产效率等。主要内容：1、切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损 和刀具耐用度四大规律。2、应用。第一节 金属切削过程的基本规律一、切削变形下图给出了压缩变形破坏与切削变形二者的比较。由于存在摩擦力，剪切滑移变形会更加复杂一些。金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面的推挤后 而产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。切削层受挤压 后，先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑 移，而后断裂。第一节 金属切削过程的基本规律切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区（如图）：第I变形区 靠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 靠近切削刃处已加工表面内产生的变形区 。第一节 金属切削过程的基本规律1. 切屑的形成及变形特点(1)第一变形区金属的剪切滑移变形上图中AC、AB、AE均为剪切等应力线，AC线上的应力 s，AE线的应力达最大值max。第一节 金属切削过程的基本规律称AE线（面）为终止滑移线（面） 。开始滑移的AC线（面 ）称始滑移线（面） 。AC与AE线所组成的区域即为第一变形区 ，该区产生的是沿滑移线（面）的剪切滑移变形。在一般切削速度范围内，第I变形区的宽度仅为0.02mm 0.2mm，切削速度越高、其宽度越小，故可近似看成一个平面， 称剪切面。剪切面与切削速度vc间的夹角称剪切角，以表示。作用力Fr与Vc之间的夹角称为作用角。 结论：第I变形区是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生 剪切滑移变形。第一节 金属切削过程的基本规律(2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形切削层金属经过剪切滑 移后，切屑底层（与刀具 前刀面接触的层）在沿前 刀面流动过程中，受到前 刀面的进一步挤压与摩擦 ，产生了第二次变形。 从图可以看出，原来的平行四边形单元的底面被前刀面 的挤压给拉长了，使得平行四边形变成了梯形。许多这样的 梯形叠加起来后，切屑就背向底层卷曲了。由于强烈地挤压 摩擦，使得切屑底层非常光滑，而上层呈锯齿状的毛茸。 第一节 金属切削过程的基本规律第二变形区的特点是 变形集中在切屑底层极 薄一层金属中，且该层 金属的晶粒纤维化方向 与前刀面是平行的。第一变形区和第二 变形区是相互关联的， 前刀面的挤压会使切削 层金属产生剪切滑移变 形，挤压越强烈，变形 越大，在流经前刀面时 挤压摩擦也越大。第一节 金属切削过程的基本规律(3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩 擦，产生变形与回弹，形成纤维化与加工硬化。它直接 影响着已加工表面的质量。第一节 金属切削过程的基本规律2. 切屑的种类由于工件材料不同，切削条件不同，所形成的切屑多种 多样。通常将切屑分为四类： 第一节 金属切削过程的基本规律(1)带状切屑（图a）使用较大前角的刀具并选用较高切速，较小的进给量和切 深，切削硬度较低的塑性材料时，切削层金属经过终滑移面， 虽然产生了最大的塑性变形，但尚未达到破裂程度即被切离母 体，从而形成连绵不断的带状切屑。带状切屑的顶面呈毛茸状，底面光滑。形成带状切屑的切 削过程比较平稳，切削力波动也较小，加工的表面较光洁。但 它会缠绕在刀具或工件上，损坏刀刃，刮伤工件，且清除和运 输也不方便，影响正常切削加工。所以需要在刀具前刀面上磨 出各种不同形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽，以促使切屑成卷或 折断。第一节 金属切削过程的基本规律(2)挤裂切屑（节状切屑）（图b）一般用较低的切速粗加工中等硬度的塑性材料时，容易 得到这类切屑。当切削层金属到达终止滑移面时，材料局部 已达到破裂程度，使切屑上与前刀面接触的一面较光洁，有 时有裂纹，其背面局部开裂成节状。这是最典型的切削过程 ，经过弹性变形、塑性变形、挤裂、切离等阶段。由于变形 较大，切削力也较大，且有波动，工件表面较粗糙。 (3)单元切屑（图c）切削铅或用很低的速度切削钢时，可得到这类切屑。当 剪切面上的剪切应力超过材料的剪切强度时，产生剪切破坏 ，使切屑沿厚度方向断裂成均匀的颗粒状。 第一节 金属切削过程的基本规律(4)崩碎切屑（图d）在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性 变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩碎形成不规则的碎 块状屑片，即形成崩碎切屑。工件材料越是脆硬，越容易产生这类切屑。产生崩碎切 屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖 容易磨损，并容易产生振动，影响表面粗糙度。它的脆断主 要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。第一节 金属切削过程的基本规律第一节 金属切削过程的基本规律第一节 金属切削过程的基本规律3. 切削变形的表示方法（1）相对滑移由材料力学知，剪切变形可用 相对滑移来表示。假定四边形OHNM 剪切变形后变成OGPM，其相对滑移 可写成：则对于切削层来说，其相对滑 移为：B用来衡量第一变形区滑移变形的程度。第一节 金属切削过程的基本规律（2）变形系数h实际切削过程中，切削层金属受到 挤压变形后，切屑厚度比切削层厚度变 厚。长度比切削层长度缩短（如图）， 故可用厚度变形系数h或长度变形系 数l表示其变形程度：根据体积不变原则，显然：h = l从上图中的几何关系不难推出变形系数与剪切角存在如下关系：结论：剪切角与前角是影响切削变形的两个主要因素。第一节 金属切削过程的基本规律4. 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤（1）作用力分析 第一节 金属切削过程的基本规律Fr可分解为二组分力：在运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。剪切力Fs可按下式计算：剪切面上产生的剪切应力为：结论：减小FZ、增大AD、减小，均可减小。第一节 金属切削过程的基本规律摩擦系数可用下式求得：摩擦角也可用测得的分力FZ、FY求出 ：tan即等于前刀面的平均摩擦系数 ，这就是通常测定前刀面摩擦系数的方 法。第一节 金属切削过程的基本规律（2）剪切角的确定剪切角是剪切滑移面与切削速度间的夹角，它表示出了剪切滑移 面的位置。当前角一定时，切削变形系数h将随的增大而减小，说明 此时剪切滑移面上变形消耗能量少。麦钱特（M.E. Merchant）根据切削合力最小的原则，对下式进行微 分求极值，dF/d=0，得到：第一节 金属切削过程的基本规律另外，李和谢夫（Lee and Shaffer）根据主应力与最大 剪应力成45的理论得出：规律：当前角o增大时，值随之增大，变形系数h减小。当摩擦角增大时，值随之减小，变形系数h增大。第一节 金属切削过程的基本规律（3）切屑与前刀面的摩擦切屑与前刀面接触部分分为两个 摩擦区域，即粘结区（内摩擦区）和 滑动区（外摩擦区）。粘结区：近切削刃长度为lf1的区 域内，由于切削过程中，切屑底层是 刚生成的新表面，前刀面在切削的高 温、高压下也已是无保护膜的新表面 ，二者的接触区极有可能粘结在一起 ，形成粘结区。在这种情况下，发生 的是切屑和刀具粘结层与上层金属之 间的内摩擦，这内摩擦实际就是金属 内部的滑移剪切，它与粘结面积的大 小有关。 粘结区 滑动区Vch第一节 金属切削过程的基本规律滑动区：切屑即将脱离前刀面前的长 度为lf0的区域内，其摩擦形式与一般 金属摩擦副间的滑动摩擦基本相同。切屑与前刀面的摩擦由内摩擦与 外摩擦构成，通常以内摩擦为主，内 摩擦力约占总摩擦力的85%。内应力分布规律：剪应力的分布 剪切应力在 粘结区lf1内为恒定值，它等于材料软 化后的剪切屈服极限s；在滑动区 lf0内剪切应力呈曲线下降至零。正应力的分布 正应力在整 个接触区从刃口处最大呈曲线下降至 零。粘结区 滑动区Vch第一节 金属切削过程的基本规律根据摩擦系数概念可写出平均内摩擦系数公式如下：式中：Ff1、Fn1 粘结区内的摩擦力、正压力。Ar1 粘结面积。AV 粘结区内的平均正应力。由于av随材料硬度、切削厚度、刀具前角等而变化，故是一个变数。规律：lf，s变形第一节 金属切削过程的基本规律积屑瘤（4）积屑瘤形成：当前刀面上的 摩擦系数较大、切削速度不 很高、切削铸铁、钢等塑性 材料时，常常会有一些从切 屑和工件上下来的金属屑粘 结、聚积在刀具刃口及前刀 面上，形成硬度很高的楔形 硬块，以代替刀具进行切削 ，这个硬块则称为积屑瘤（ 如右图）。 第一节 金属切削过程的基本规律积屑瘤积屑瘤包围着刃口，并将前刀 面与切屑隔开，由于它伸出刀口之 外，使得实际切削深度增加，且增 加了实际工作前角，使变形减小。但积屑瘤是不稳定的，当它增 大到一定程度时，会脱落嵌入到工 件的已加工表面内，或在已加工表 面上形成划痕。不仅影响加工精度 和加工表面质量，同时也会影响到 刀具的耐用度。在加工过程中应尽 量避免积屑瘤的产生。产生、成长、脱落，周期变化 。第一节 金属切削过程的基本规律影响积屑瘤形成的主要因素影响切屑瘤高度的主要因素是切削速度，实质是切削温度。在低速（ vc3m/min）切削时，切削温度低，空气或切削液来得及渗透到前刀面接 触区，很难形成切屑底层与前刀面的完全粘结，这时一般不生成积屑瘤。 如果生成，也只是很小的积屑瘤。随着切削速度的提高，积屑瘤的高度也随之增加，一直到切削区温度 达到300一380时，积屑瘤高度达到最大值。 第一节 金属切削过程的基本规律当切削速度进一步提高时，积屑瘤高度逐渐减小，一直到切削区温度越过500时，积屑瘤因高温而软化，切屑底层金属呈微熔状态，不 易形成积屑瘤。 此外，积屑瘤的形成还与接触面间压力，粗糙程度、粘结强度等因 素有关。抑制或避免积屑瘤产生的措施：a、合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域。b、在切削硬度和强度高的材料时，由于剪切屈服强度高，通常选中等 以上切削速度加工。c、切削塑性高的材料，需选用高的切削速度。第一节 金属切削过程的基本规律影响切屑变形的因素归纳起来有三个方面：工件材料、刀具几何参数及 切削用量。（1）刀具前角o前角o越大， ，剪切角就越大，变形系数h越小。但前角过 大时，刀具切削刃的强度降低。 5. 影响切屑变形的因素第一节 金属切削过程的基本规律第一节 金属切削过程的基本规律（2）切削速度vc在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度vc越高，变 形系数Ah越小。其原因有两点：一是因为切屑塑性变形速度低于切削速 度时，切屑塑性变形区域变窄，使得剪切角增大，变形系 数Ah变小。二是随着切削速度vc的提高，切削温度升高，切 屑底层金属的s下降，摩擦系数减小，摩擦角减小， 剪切角增大，变形系数Ah减小。 第一节 金属切削过程的基本规律在能形成积屑瘤的切削速度范围内， vc是通过积屑瘤形成 的积屑瘤前角（即实际工作前角）来影响变形系数的。在积 屑瘤生长区，随着vc升高积屑瘤逐渐长大，使得前角增大，变 形系数减小；在积屑瘤消退区，vc再升高，积屑瘤逐渐脱落， 前角逐渐减小，直至积屑瘤完全消失，变形系数也随之逐步 加大，形成如下图所示的驼峰曲线。第一节 金属切削过程的基本规律（3）进给量f进给量f越大，变形系数Ah越小。因为f增大，就意味着切削厚度hD增大，使 前刀面上的平均正应力AV增大，因此摩擦系数减小， Ah 。另一方面，在一定厚度的切屑中，各层的变形和应力分布是变化的，离前刀 面越远，金属层的变形和应力就越小。因此，切削厚度增加，切屑的平均变形减 小。进给量f与变形系数Ah的关系如