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1、第第2 2章章 金属切削原理金属切削原理2 2.1.1 切削加工的基本知识切削加工的基本知识切削加工切削加工在毛坯在毛坯(型材型材)上用刀具上用刀具(磨具磨具)切除多切除多余的材料，使之达到图纸所要求的零件的加工过程。余的材料，使之达到图纸所要求的零件的加工过程。常分为两种类型：常分为两种类型：钳工钳工是以手工工具和手工劳动为主的加工方法。是以手工工具和手工劳动为主的加工方法。如划线、锯割，锉削，钻孔，铰孔，攻丝、如划线、锯割，锉削，钻孔，铰孔，攻丝、套扣套扣和刮研等等。一般来说劳动强度大、生产效率低。和刮研等等。一般来说劳动强度大、生产效率低。机工机工是以机床为手段的机械化生产方法。是以机床
2、为手段的机械化生产方法。如车、铣、刨、磨、钻、镗、拉、插等。生产如车、铣、刨、磨、钻、镗、拉、插等。生产效率高、产品质量稳定、劳动强度低。效率高、产品质量稳定、劳动强度低。一、切削加工的种类一、切削加工的种类1.车削车削:车外圆、车端面、车床镗孔车外圆、车端面、车床镗孔2.钻削：钻削：钻孔钻孔3.镗削：镗削：镗床镗孔镗床镗孔4.铣削铣削:端铣铣平面、立铣铣槽、周铣铣平面端铣铣平面、立铣铣槽、周铣铣平面5.刨削：刨削：刨床刨平面刨床刨平面6.插削：插削：插床插槽插床插槽7.拉削：拉削：拉床拉圆孔拉床拉圆孔8.磨削：磨削：外圆磨床磨外圆外圆磨床磨外圆2-1 切削加工的种类切削加工的种类 二、切削加
3、工的特点二、切削加工的特点 1.1.受被加工材料性质的限制较少。受被加工材料性质的限制较少。2.2.基本不受零件形状的限制。基本不受零件形状的限制。3.3.切削加工可得到很高的加工精度和表面质量。切削加工可得到很高的加工精度和表面质量。4.4.切除单位体积材料所消耗的能量较小。切除单位体积材料所消耗的能量较小。5.5.切削时会产生切屑，这不仅浪费了材料，而且切削时会产生切屑，这不仅浪费了材料，而且增加了清理切屑的困难。增加了清理切屑的困难。6.6.切削时会产生切削力，从而使工艺系统（机床、切削时会产生切削力，从而使工艺系统（机床、夹具、刀具、工件）产生变形和振动，降低加工精夹具、刀具、工件）产
4、生变形和振动，降低加工精度。度。7.7.由于切削力和切削热的影响，已加工表面层会由于切削力和切削热的影响，已加工表面层会因塑性变形、弹性变形的作用而形成加工变质层，因塑性变形、弹性变形的作用而形成加工变质层，造成加工表面质量下降；使刀具磨损等。造成加工表面质量下降；使刀具磨损等。表表2-1 2-1 单位体积材料所消耗的能量单位体积材料所消耗的能量加工方法加工方法所需能量所需能量/（J Jmmmm-3-3）加工方法加工方法所需能量所需能量/（J Jmmmm-3-3）切削切削1-101-10电火花加工电火花加工 10102 2-10-103 3磨削磨削10-1010-102 2超声波加工超声波加工
5、 10102 2-10-103 3电解磨削电解磨削1-101-10电子束加工电子束加工 10105 5电解加工电解加工1-101-102 2激光加工激光加工10105 5三、切削运动三、切削运动切削运动切削运动刀具与工件之间的相对运动刀具与工件之间的相对运动 刀具的每一个行程中刀具的每一个行程中 ，工件上都有三个变化着的表面，工件上都有三个变化着的表面 待加工表面待加工表面工件上即将被切除金属层的表面；工件上即将被切除金属层的表面；加工表面加工表面（过渡表面）（过渡表面）工件上切削刃正在切削工件上切削刃正在切削的表面；的表面；已加工表面已加工表面工件上切削后形成的新表面。工件上切削后形成的新表
6、面。图2-2 切削运动和工件表面1.1.主运动主运动切削运动中速度最高、消耗功率最大，切削运动中速度最高、消耗功率最大，并担负主要切削任务的运动为主运动。并担负主要切削任务的运动为主运动。主运动既可由工件来实现，也可由刀具主运动既可由工件来实现，也可由刀具来实现。来实现。2.2.进给运动进给运动使材料不断投入切削的运动为进给使材料不断投入切削的运动为进给运动。运动。进给运动既可由工件来实现，也进给运动既可由工件来实现，也可由刀具来实现。进给运动既可以是连可由刀具来实现。进给运动既可以是连续的，也可以是间歇续的，也可以是间歇的。的。3.举例加工方法主运动进给运动车 削工件旋转刀具连续移动钻 削刀
7、具旋转刀具连续移动铣 削刀具旋转工件连续移动镗 削刀具旋转工件连续移动刨削（牛头刨床）刀具往复运动工件间歇移动磨 削刀具旋转刀具间歇移动工件旋转及往复运动四、切削用量四、切削用量 切削用量切削用量切削加工过程中切削加工过程中切削速度、进给量和切削速度、进给量和切削深度切削深度（背吃刀量）的总称。（背吃刀量）的总称。它是用于调整机床，计算切削力、切削功率，核算它是用于调整机床，计算切削力、切削功率，核算工序成本等所必需的重要参数。工序成本等所必需的重要参数。故常称之为切削用量三要素。故常称之为切削用量三要素。1.1.切削速度切削速度v 切削速度切削速度v主运动的线速度。主运动的线速度。其单位为其
8、单位为m/min或或m/s。主运动为旋转运动时，如外圆车削时的切主运动为旋转运动时，如外圆车削时的切削速度为：削速度为：式中式中 d待加工表面的直径待加工表面的直径（mm）；n工件转速工件转速（rmin或或r/s）主主运运动动为为往往复复直直线线运运动动时时，如如平平面面刨刨削削时时的的切削速度为：切削速度为：式中式中 L往复运动行程长度往复运动行程长度（mm）；nz单位时间内主运动的往夏次数单位时间内主运动的往夏次数 （strmin或或str/s）。2.2.进给量进给量 f 进给量进给量 f每一个工作循环中，刀具与工件的相对移动量。每一个工作循环中，刀具与工件的相对移动量。外圆车削外圆车削工
9、件转一转，刀具在进给方向的移动距离，其单工件转一转，刀具在进给方向的移动距离，其单位为位为mm/r刨削刨削刀具往复一次，工件移动的距离，单位为刀具往复一次，工件移动的距离，单位为mm/str。铣削铣削由于铣刀是多齿刀具，所以规定了每齿的进给量由于铣刀是多齿刀具，所以规定了每齿的进给量af，其单位为其单位为mmz 还有单位时间的进给量（进给速度）还有单位时间的进给量（进给速度）vf，其单位为，其单位为mm/min或或mm/s。其大小为：。其大小为：式中式中 z铣刀齿数；铣刀齿数；n主运动（工件、钻头、铣刀）转速主运动（工件、钻头、铣刀）转速(rmin)。3.3.切削深度（背吃刀量）切削深度（背吃
10、刀量）ap 切削深度切削深度ap待加工面和已加工面之间的垂直距离，待加工面和已加工面之间的垂直距离，其单位为其单位为mmmm。外圆车削时的切削深度为：。外圆车削时的切削深度为：式中式中 dm已加工表面直径已加工表面直径(mm)(mm)。切削用量反映了刀具与工件相互作用的条件和相切削用量反映了刀具与工件相互作用的条件和相对应关系，是影响工件加工质量和生产率的重要因素。对应关系，是影响工件加工质量和生产率的重要因素。五、切削层参数五、切削层参数 切削层切削层工件上正在切削的一层材料。工件上正在切削的一层材料。在外圆加工时，就是工件每转一周，主切削刃相在外圆加工时，就是工件每转一周，主切削刃相邻两个
11、位置之间的一层材料。邻两个位置之间的一层材料。为计算方便我们取垂直于切削速度方向的剖面为计算方便我们取垂直于切削速度方向的剖面（基面）（基面）进行研究。进行研究。切削厚度切削厚度ac切削层包括切削层包括 切削宽度切削宽度aw 切削面积切削面积Ac图图2-3 2-3 外圆纵切时的切削层参数外圆纵切时的切削层参数1.1.切削厚度切削厚度ac 进行外圆车削时，工件转一周在垂直于切削速度方向的剖进行外圆车削时，工件转一周在垂直于切削速度方向的剖面（基面）上所测的两个相邻加工表面之间的垂直距离即为切面（基面）上所测的两个相邻加工表面之间的垂直距离即为切削厚度削厚度（mm）。2.2.切削宽度切削宽度aw
12、即切削层宽度。它也代表主切削刃的长度即切削层宽度。它也代表主切削刃的长度（mm）。以车。以车削为例：削为例：3.3.切削面积切削面积Ac 切削层垂直于切削速度方向的截面积为切削面积切削层垂直于切削速度方向的截面积为切削面积（mm2）。以车削为例：以车削为例：上面讲述的切削面积上面讲述的切削面积Ac，是理论切除面积，如图，是理论切除面积，如图中的中的ABCD部分，而实际切削面积为部分，而实际切削面积为 ：Ace=Ac-Ac 由于刀具结构的关系还有部分残留面积由于刀具结构的关系还有部分残留面积AcAc。残留。残留面积是指刀具副偏角面积是指刀具副偏角kr0时，切削刃从位置时，切削刃从位置移至位移至位
13、置置后，残留在已加工表面上的不平部分的剖面面积。后，残留在已加工表面上的不平部分的剖面面积。如图所示，实际切除面积为如图所示，实际切除面积为AECD部分。残余面积的部分。残余面积的大小将影响到已加工表面的质量。大小将影响到已加工表面的质量。六、切除率六、切除率zw 切除率切除率zw单位时间内切除材料的多少为切除单位时间内切除材料的多少为切除率率（mm3/s）切除率直接反映切削效率的高低。用下面的切除率直接反映切削效率的高低。用下面的关系式表示：关系式表示：2.2 2.2 刀具材料及构造刀具材料及构造一一.刀具材料刀具材料 1 1对刀具材料的性能要求对刀具材料的性能要求较高的硬度较高的硬度硬度要
14、高于工件材料的硬度，常温下一般要硬度要高于工件材料的硬度，常温下一般要大于大于HRC60。足够的强度与韧性足够的强度与韧性以承受切削力和冲击振动。以承受切削力和冲击振动。较好的耐磨性较好的耐磨性以抵抗切削过程中的磨损，具有一定的耐以抵抗切削过程中的磨损，具有一定的耐用度。用度。较高的耐热性较高的耐热性在高温下仍能切削，耐热性又称红硬性。在高温下仍能切削，耐热性又称红硬性。较好的工艺性较好的工艺性以便于制造各种形状的刀具和进行热处以便于制造各种形状的刀具和进行热处 理。理。较好的传热性较好的传热性避免刀尖过热而降低刀具的使用寿命。避免刀尖过热而降低刀具的使用寿命。较好的经济性较好的经济性价格昂贵
15、，使用受限（不能广泛使用）。价格昂贵，使用受限（不能广泛使用）。2.2.常用刀具材料常用刀具材料 工具钢工具钢 碳素工具钢碳素工具钢 合金工具钢合金工具钢 高速钢高速钢 硬质合金硬质合金 钨钴钨钴(YG)(YG)合金合金 钨钛钨钛(YT)(YT)合金合金 钨钛钽钨钛钽(铌铌)()(YwYw)合金合金 其他刀具材料其他刀具材料 陶瓷陶瓷 金刚石金刚石 立方氮化硼立方氮化硼 涂层刀具涂层刀具 常用磨料常用磨料 普通磨料普通磨料 超硬磨料超硬磨料 （1 1）工具钢）工具钢（各种工具钢的性能见表（各种工具钢的性能见表2-22-2）碳素工具钢碳素工具钢指含碳量在指含碳量在0.651.35的优质高碳的优质
16、高碳钢。钢。合金工具钢合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的在碳素工具钢中加入一定量的Cr、W、Mn等金属元素，就成了合金工具等金属元素，就成了合金工具钢。钢。高速钢高速钢（又称锋钢、白钢）（又称锋钢、白钢）在合金工具钢中，在合金工具钢中，增加增加920的的Cr、W等金属元素便制成等金属元素便制成了高速钢。了高速钢。表表2-2 2-2 各种工具钢的性能各种工具钢的性能性能碳素工具钢合金工具钢高速钢脆后硬度HRC6064HRC6065HRC6265热硬性200250350400500600工艺性较差淬火后变形小淬火后变形小，易刃磨，可锻制和切削制做刀具低速的手工工具：锉刀、刮刀形状复杂刀具：丝锥、
17、板牙切削速度2530mmin，形状复杂刀具：钻头、铣刀、齿轮刀具常用牌号T8A、T10A、T12A CrWMn，9CrSi普通高速钢W18Cr4V 高性能高速钢W2Mo9Cr4VCo8 W、Co在我国属稀有金属，则普通高速钢W6Mo5Cr4V2以 Mo代替W高性能高速钢5Cr4V2AI以A1代替Co（2 2）硬质合金）硬质合金 硬质合金是用具有高耐磨性和高耐热性的硬质合金是用具有高耐磨性和高耐热性的WCWC、TiCTiC等金属粉末，以等金属粉末，以CoCo、NiNi作为粘结剂，用粉末冶金法制作为粘结剂，用粉末冶金法制得的合金。得的合金。常温硬度常温硬度HRC7482 热硬性热硬性8001000
18、 切削速度切削速度是高速钢的是高速钢的410倍倍 冲击韧性与抗弯强度冲击韧性与抗弯强度远比高速钢低，远比高速钢低，因此很少做成整体式刀具。因此很少做成整体式刀具。制做刀具制做刀具制成硬质合金刀块制成硬质合金刀块 （用焊接或机夹方式固定在刀体上）。（用焊接或机夹方式固定在刀体上）。表表2-2 2-2 常用硬质合金的性能常用硬质合金的性能 钨钴钨钴(YG)(YG)合金合金钨钛钨钛(YT)(YT)合金合金钨钛钽钨钛钽(铌铌)(YW)(YW)合金合金成分组成成分组成由碳化钨和钴组成由碳化钨和钴组成由碳化钨、碳化钛和由碳化钨、碳化钛和钴组成钴组成在钨钛类硬质合金中加在钨钛类硬质合金中加入少量的碳化钽入少
19、量的碳化钽 (TaCTaC)或碳化铌或碳化铌(NbCNbC)组成组成机械性能机械性能韧性较好，硬度和耐韧性较好，硬度和耐磨性较差；钴磨性较差；钴CoCo越多，越多，则韧性越好则韧性越好性脆冲击值低；其中性脆冲击值低；其中的数字表示碳化钛的的数字表示碳化钛的含量，碳化钛的含量含量，碳化钛的含量越高，则耐磨性越好、越高，则耐磨性越好、韧性越低韧性越低具有前两类硬质合金的具有前两类硬质合金的优点优点适于加工的适于加工的材料材料脆性材料脆性材料(铸铁等铸铁等)钢件钢件钢材、铸铁、有色金属，钢材、铸铁、有色金属，高温合金钢、耐热合金高温合金钢、耐热合金及合金铸铁等难加工材及合金铸铁等难加工材料；有通用硬
20、质合金之料；有通用硬质合金之称称牌号及应用牌号及应用YG8YG8，YG6YG6，YG3YG3，依次，依次适用于粗加工、半精适用于粗加工、半精加工、精加工加工、精加工YT5YT5、YT15YT15、YT30YT30依次依次适用于粗加工、半精适用于粗加工、半精加工、精加工加工、精加工YWIYWI、YW2YW2（3 3）其他刀具材料）其他刀具材料 （见表）（见表）陶瓷陶瓷金刚石金刚石立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN）涂层刀具涂层刀具常用磨料常用磨料成成分分组组成成主要成分是主要成分是A12O3原材料丰富，原材料丰富，阶格低廉阶格低廉碳的同素异构体，碳的同素异构体，自然界中最硬的自然界中最硬的材料
21、；材料；天然：超精密加天然：超精密加工切削工具，工切削工具，人造：多用人造：多用是以六方氮化硼为原是以六方氮化硼为原料，经高温高压获得料，经高温高压获得的人工合成材料，硬的人工合成材料，硬度仅次于金刚石，和度仅次于金刚石，和金刚石并称为超硬材金刚石并称为超硬材料。料。目前目前 80%以上以上都是涂层刀具。都是涂层刀具。它是在硬质合金它是在硬质合金或高速钢刀体上或高速钢刀体上涂敷涂敷氧化铝、氧化铝、碳氮化钛、碳氮化钛、氮化铝钛、氮化铝钛、碳氮化铝钛等，碳氮化铝钛等，具有优异的高温具有优异的高温性能。性能。基本要求：基本要求：硬度要高于被磨材料硬度要高于被磨材料要有一定动态强度或韧要有一定动态强度
22、或韧性，使磨粒侵入和冲击性，使磨粒侵入和冲击工件时不易破碎；工件时不易破碎；要有一定脆性，在磨粒要有一定脆性，在磨粒变钝后容易破碎形成锋变钝后容易破碎形成锋锐的新切刃。锐的新切刃。1 10 0普通磨料：普通砂轮普通磨料：普通砂轮磨料都是基于氧化铝磨料都是基于氧化铝（Al2O3）和碳化硅）和碳化硅（SiC）的人造材料的人造材料2 20 0超硬磨料超硬磨料 人造金刚石人造金刚石+镍镍+树脂结树脂结合剂合剂砂轮砂轮磨削硬质磨削硬质合金合金在金刚石磨粒上镀覆镍在金刚石磨粒上镀覆镍（镍占磨粒重量（镍占磨粒重量55%55%）以使磨粒树脂结合剂结以使磨粒树脂结合剂结合的更牢固，并在空气合的更牢固，并在空气中
23、提供保护。中提供保护。机机械械性性能能HRC78以上以上性脆，抗弯强性脆，抗弯强度低，怕冲击，度低，怕冲击，易崩刀易崩刀HV10000硬度极高硬度极高有较好的耐磨性有较好的耐磨性HV300900脆性大，用于刚性较脆性大，用于刚性较好的机床上好的机床上避免断续切削引起的避免断续切削引起的冲击和振动。冲击和振动。热热硬硬性性1200145070080013001500耐热性及化学稳定性耐热性及化学稳定性都大大高于金刚石都大大高于金刚石应应用用能承受较高的能承受较高的切削速度切削速度对铁族材料亲和对铁族材料亲和力大，适于精车力大，适于精车有色金属及其合有色金属及其合金；金；制作砂轮及修整制作砂轮及修
24、整工具工具与铁族元素亲和力小，与铁族元素亲和力小，适于加工铁族材料；适于加工铁族材料；精车淬火后的钢件精车淬火后的钢件可代替磨削可代替磨削Ra值值0.0250.16m0.20.4m，二、刀具构造二、刀具构造 刀具的作用不同其结构亦不大相同，但就其刀齿来说，刀具的作用不同其结构亦不大相同，但就其刀齿来说，都相当于一把外圆车刀。故我们这里以外圆车刀为例介绍都相当于一把外圆车刀。故我们这里以外圆车刀为例介绍刀具的结构。刀具的结构。1.1.外圆车刀的组成外圆车刀的组成夹持部分：夹持部分：用于装夹固定，一般由碳素钢制成。用于装夹固定，一般由碳素钢制成。切削部分：切削部分：用于切削。用于切削。前面介绍的刀
25、具材料指的是这部分前面介绍的刀具材料指的是这部分材料。材料。2.2.外圆车刀切削部分的组成外圆车刀切削部分的组成图图2-4 外圆车刀构成外圆车刀构成（1 1）刀面）刀面 前刀面：前刀面：切削时切屑流过的表面切削时切屑流过的表面 主后刀面：主后刀面：切削时与加工表面相对的表面切削时与加工表面相对的表面 副后刀面：副后刀面：切削时与已加工表面相对的表面切削时与已加工表面相对的表面（2 2）刀刃）刀刃 主切削刃：主切削刃：前刀面与主后刀面的交线前刀面与主后刀面的交线 副切削刃：副切削刃：前刀面与副后刀面的交线前刀面与副后刀面的交线（3 3）刀具的几何角度）刀具的几何角度 辅助平面辅助平面基面基面 过
26、主刃上一点，垂直于该点切削方向的平面。过主刃上一点，垂直于该点切削方向的平面。切削平面切削平面 过主刃上一点，与该点加工平面相切且过主刃上一点，与该点加工平面相切且包含切削速度的平面。包含切削速度的平面。主剖面主剖面 过主刃上一点，与主刃在基面上投影垂直过主刃上一点，与主刃在基面上投影垂直的平面。的平面。图图2-5 2-5 辅助平面辅助平面（2 2）刀具的标注角度）刀具的标注角度刀具的标注角度刀具的标注角度图纸上标注的角度，是刀具制造和刃图纸上标注的角度，是刀具制造和刃磨的依据。磨的依据。前角前角 主剖面内主剖面内,前刀面与基面的夹角。前刀面与基面的夹角。前角按前刀面与基面的相对位置又分为正前
27、角、前角按前刀面与基面的相对位置又分为正前角、零度前角及负前角。零度前角及负前角。后角后角 主剖面内，主后面与切削平面的夹角。主剖面内，主后面与切削平面的夹角。主偏角主偏角 主刃在基面上的投影与进给方向的夹角。主刃在基面上的投影与进给方向的夹角。副偏角副偏角 副刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。副刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。刃倾角刃倾角 在切削平面内，主刃与基面的夹角。在切削平面内，主刃与基面的夹角。根据需要刃倾角也有正、负和零度之分。根据需要刃倾角也有正、负和零度之分。图图2-6 刀具的标注角度刀具的标注角度刀具的工作角度刀具的工作角度 刀具的工作角度刀具在切削过程中的角度为工作角
28、度 图图2-7 2-7 刀具的工作角度刀具的工作角度机夹可转位式机夹可转位式近年来由于数控机床的发展，近年来由于数控机床的发展，为了减少对刀和磨刀所造成的停机为了减少对刀和磨刀所造成的停机损失，机夹可转位式刀具显示了很损失，机夹可转位式刀具显示了很大的优越性。（见图大的优越性。（见图2 2-8-8 b c）整体式整体式早期刀具多半是整体式，刀具材料早期刀具多半是整体式，刀具材料消耗大，成本高消耗大，成本高。三、刀具的结构形式三、刀具的结构形式焊接式焊接式焊接刀具应用普遍，但焊接会产生焊接刀具应用普遍，但焊接会产生应力和裂纹等缺点。应力和裂纹等缺点。机夹重磨式机夹重磨式可避免以上两项的不足（见图
29、可避免以上两项的不足（见图2-8 2-8 a）。）。图图2-8 2-8 机夹刀具机夹刀具 2.3 2.3 金属切削过程金属切削过程 金属切削过程金属切削过程刀具从工件表面上切去多余刀具从工件表面上切去多余的金属，形成已加工表面的过程。的金属，形成已加工表面的过程。金属的切削过程是一个复杂的过程，在这一过金属的切削过程是一个复杂的过程，在这一过程中出现许多现象：程中出现许多现象：形成切屑形成切屑产生切削力产生切削力产生切削热产生切削热产生切削温度产生切削温度产生刀具磨损产生刀具磨损研究这些现象及变化规律的重要的意义：研究这些现象及变化规律的重要的意义：合理使用与设计刀具合理使用与设计刀具合理使用
30、与设计夹具合理使用与设计夹具合理使用与设计机床合理使用与设计机床保证加工质量保证加工质量减少能量消耗减少能量消耗提高生产率提高生产率促进生产技术发展促进生产技术发展一、切削变形及切屑的形成过程一、切削变形及切屑的形成过程 图图2-9 2-9 金属的挤压、偏挤压和切削金属的挤压、偏挤压和切削 如图如图2-9 2-9(a)所示，当金属试件受挤压时，在所示，当金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成成4545方向的斜截面产生最大剪切应力，在剪切方向的斜截面产生最大剪切应力，在剪切应力达到屈服强度时将在此方向产生滑移。应力达到屈服强度时
31、将在此方向产生滑移。如图如图2-9 2-9(b)所示，当金属试件受偏挤压时，所示，当金属试件受偏挤压时，偏挤压试件在外力的作用下，金属只能沿偏挤压试件在外力的作用下，金属只能沿OMOM滑移。滑移。如图如图2-9 2-9(c)所示，当切削钢材时，所示，当切削钢材时，OM与刀与刀具对工件的作用力具对工件的作用力FrFr之间的夹角约为之间的夹角约为4050。金属的压缩与切削及切屑形成过程时，剪切应金属的压缩与切削及切屑形成过程时，剪切应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层移力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层移到到OM面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形成面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形
32、成了切屑，然后沿前面流出。了切屑，然后沿前面流出。从实验取得的切屑根部金相组织照片可以看从实验取得的切屑根部金相组织照片可以看到，刀具刃口附近的切削层大致划分为到，刀具刃口附近的切削层大致划分为、三个变形区（见图三个变形区（见图2-102-10）。）。图图2-10 2-10 三个变形区的划分三个变形区的划分 图图2-11 2-11 第第变形区金属的剪切滑移变形区金属的剪切滑移 第第变形区变形区即剪切滑移变形区即剪切滑移变形区 从从OA（始滑移面）开始产生塑性变形，到（始滑移面）开始产生塑性变形，到OM（终滑移面）（终滑移面）晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域称为晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域称
33、为第变形区。始滑移第变形区。始滑移面面OA与终滑移面与终滑移面OM之间宽度很窄之间宽度很窄(约约0.020.2mm)。故常用。故常用OM剪切面剪切面(亦称滑移面亦称滑移面)来表示。来表示。这一区域内金属的主要特征是剪切变形以及随之产生的加这一区域内金属的主要特征是剪切变形以及随之产生的加工硬化。前刀面以切削速度工硬化。前刀面以切削速度v挤压切削层，跟踪切削层上某一挤压切削层，跟踪切削层上某一质点质点P P，当，当P P点到达点到达1 1位置时，位置时，剪切应力达到材料屈服强度剪切应力达到材料屈服强度（=s），即），即P进入剪切滑移区，进入剪切滑移区，P由位置由位置1移至位置移至位置2，22之间
34、的距离就是它的滑移量。此后之间的距离就是它的滑移量。此后P点的滑移量依次为点的滑移量依次为33，44，滑移量也相应依次增加，剪切应力应变也逐渐增大。当，滑移量也相应依次增加，剪切应力应变也逐渐增大。当P点移至点移至OM面面(终剪切面终剪切面)上，上，剪切应力达到屈服极限剪切应力达到屈服极限(=max)时，滑移变形至此基本结束，切削层变形为切屑且时，滑移变形至此基本结束，切削层变形为切屑且沿前刀面流出（见图沿前刀面流出（见图2-11）。）。第第变形区变形区 当切屑沿前刀面流出时，由于受到前刀面挤当切屑沿前刀面流出时，由于受到前刀面挤压和摩擦的作用，靠近前面的切屑底层金属再次压和摩擦的作用，靠近前
35、面的切屑底层金属再次产生剪切变形，从而使切屑底层薄薄的一层金属产生剪切变形，从而使切屑底层薄薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层，其流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层，其金属纤维化，其方向基本上与前刀面平行，它的金属纤维化，其方向基本上与前刀面平行，它的变形程度要比切屑上层大几倍到几十倍。变形程度要比切屑上层大几倍到几十倍。这一区这一区域称为第域称为第变形区变形区。第第变形区变形区 已加工表面与后刀面的接触区称为第三变形区已加工表面与后刀面的接触区称为第三变形区。切屑底层和前刀面之间的挤压摩擦，使切屑底层的切屑底层和前刀面之间的挤压摩擦，使切屑底层的金属晶粒纤维化而拉长，在带
36、有钝圆半径的切削刃金属晶粒纤维化而拉长，在带有钝圆半径的切削刃口处被分为两部分：一部分随切屑沿前刀面流出；口处被分为两部分：一部分随切屑沿前刀面流出；另一部分沿后刀面流出，形成已加工表面，它受到另一部分沿后刀面流出，形成已加工表面，它受到切削刃钝圆半径和后刀面的挤压、摩擦与回弹，造切削刃钝圆半径和后刀面的挤压、摩擦与回弹，造成已加工表面金属的纤维化和加工硬化，并产生一成已加工表面金属的纤维化和加工硬化，并产生一定的残余应力定的残余应力,使已加工表面内产生严重变形，第使已加工表面内产生严重变形，第变形区的金属变形，将影响到工件的表面质量及使变形区的金属变形，将影响到工件的表面质量及使用性能。用性
37、能。这三个变形区不是独立的，而是有着紧密的联系这三个变形区不是独立的，而是有着紧密的联系和相互影响。和相互影响。二、切屑的种类二、切屑的种类 由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形成度不同，金属剪切滑移后形成切屑的外形也不同，成度不同，金属剪切滑移后形成切屑的外形也不同，归纳起来可将切屑分成以下四种类型，（见图归纳起来可将切屑分成以下四种类型，（见图2-122-12）。图图2-12 2-12 切屑的种类切屑的种类1.1.带状切屑带状切屑（最常见的一种切屑）（最常见的一种切屑）外观：延绵不断的带状，底层光滑，外表面呈毛茸状，外观：延绵不断的带状，底层
38、光滑，外表面呈毛茸状，没有裂纹。没有裂纹。机理：切屑的形成过程中，其内部的切应力尚未达到机理：切屑的形成过程中，其内部的切应力尚未达到材料的强度极限。材料的强度极限。条件：条件：加工塑性金属加工塑性金属 切削厚度较小切削厚度较小 切削速度较高切削速度较高 进给量较小进给量较小 刀具前角较大刀具前角较大特点：特点：切削过程平稳切削过程平稳 切削力波动小切削力波动小 加工表面质量较高加工表面质量较高 断屑、排屑难断屑、排屑难 重视数控机床和自动机重视数控机床和自动机(线线)2.2.节状切屑（挤裂切屑）节状切屑（挤裂切屑）外观：靠近刀具前面一面切屑有裂纹，另一面呈锯外观：靠近刀具前面一面切屑有裂纹，
39、另一面呈锯齿状。齿状。机理：切削层在塑变过程中，局部位置处的切应力机理：切削层在塑变过程中，局部位置处的切应力达到材料强度极限而产生局部断裂。达到材料强度极限而产生局部断裂。条件：条件：加工塑性金属加工塑性金属 当切削厚度较大当切削厚度较大 切削速度较低切削速度较低 进给量较大进给量较大 刀具前角较小刀具前角较小特点：特点：切削力波动较大切削力波动较大 切削过程不平稳切削过程不平稳 加工表面质量较差。加工表面质量较差。3.3.粒状切屑粒状切屑(单元切屑单元切屑)外观：颗粒状外观：颗粒状机理：在剪切面上产生的切应力超过材料的强度机理：在剪切面上产生的切应力超过材料的强度极限，形成的切屑被剪切断裂
40、而成颗粒状。极限，形成的切屑被剪切断裂而成颗粒状。条件：条件：加工塑性金属加工塑性金属 切削厚度大切削厚度大 切削速度低切削速度低 进给量大进给量大 刀具前角小刀具前角小特点：对加工影响较大，应避免产生这种切屑。特点：对加工影响较大，应避免产生这种切屑。4.4.崩碎切屑崩碎切屑外观：不规划的细粒状外观：不规划的细粒状机理：材料的塑性较小，抗拉强度较低，刀具切入后，机理：材料的塑性较小，抗拉强度较低，刀具切入后，切削层金属未经明显塑性变形，在材料组织中切削层金属未经明显塑性变形，在材料组织中的石墨与铁素体之间疏松界面上产生不规则的的石墨与铁素体之间疏松界面上产生不规则的崩碎，崩碎，条件：切削铸铁
41、类脆性金属条件：切削铸铁类脆性金属 特点：特点：切削过程不稳定切削过程不稳定 切削力变化大切削力变化大 已加工表面粗糙度很大已加工表面粗糙度很大 措施：措施：切削厚度切削厚度 切削速度切削速度 可对其不利方面起一定的抑制作用可对其不利方面起一定的抑制作用 前角前角 切屑的形态随切削条件的不同切屑的形态随切削条件的不同可互相转化可互相转化：节状切屑节状切屑前角前角切削厚度切削厚度单元切屑单元切屑前角前角切削速度切削速度切削厚度切削厚度带状切削带状切削三、积屑瘤三、积屑瘤 积屑瘤积屑瘤在切削过程中冷焊在前刀面上的三在切削过程中冷焊在前刀面上的三角形金属硬块角形金属硬块 图图2-13 2-13 积屑
42、瘤积屑瘤1.1.积屑瘤的成因积屑瘤的成因 切削塑性材料切削塑性材料(钢材钢材)时，切屑与前刀面发生强烈时，切屑与前刀面发生强烈磨擦，当接触面具有适当的温度（磨擦，当接触面具有适当的温度（300500）和较）和较高的压力时就会产生粘结（冷焊）。将切屑底层的高的压力时就会产生粘结（冷焊）。将切屑底层的滞流层粘附在前刀面刃口处形成楔块。而且逐层积滞流层粘附在前刀面刃口处形成楔块。而且逐层积聚，加之冷作硬化作用，便生成硬度高（通常是工聚，加之冷作硬化作用，便生成硬度高（通常是工件材料硬度的件材料硬度的23倍）、不稳定、能代替切削刃切削倍）、不稳定、能代替切削刃切削的积屑瘤。它是逐渐形成的，经过一个生成
43、、长大、的积屑瘤。它是逐渐形成的，经过一个生成、长大、脱落的周期性过程。脱落的周期性过程。2.2.积屑瘤的影响积屑瘤的影响对刀具的影响对刀具的影响 积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，可积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，可代替代替切削刃切削刃进行切削，起到进行切削，起到保护保护切削刃和前刀面的作用。积屑瘤的切削刃和前刀面的作用。积屑瘤的生成使刀具生成使刀具实际工作前角增大实际工作前角增大（具有（具有3030左右的前角），减小了左右的前角），减小了切屑变形，切屑变形，降低了切削力，使切削轻快降低了切削力，使切削轻快。对切削厚度的影响（见图对切削厚度的影响（见图2-132-13）
44、由于生成的积屑瘤探出切削刃之外，因而有积屑瘤时的切由于生成的积屑瘤探出切削刃之外，因而有积屑瘤时的切削厚度比没有积屑瘤时增大了，称之为过切厚度，削厚度比没有积屑瘤时增大了，称之为过切厚度，影响了对加影响了对加工尺寸的控制工尺寸的控制。对已加工表面粗糙度的影响对已加工表面粗糙度的影响 由于积屑瘤表面粗糙，使已加工表面产生粗糙度复映。由由于积屑瘤表面粗糙，使已加工表面产生粗糙度复映。由它堆积的钝圆弧刃口造成挤压和过切现象，使加工精度降低，它堆积的钝圆弧刃口造成挤压和过切现象，使加工精度降低，而且由于积屑瘤在切削过程中是不稳定的，时生时灭，不但使而且由于积屑瘤在切削过程中是不稳定的，时生时灭，不但使
45、因积屑瘤探出切削刃之外的过切厚度随时变化而影响尺寸精度，因积屑瘤探出切削刃之外的过切厚度随时变化而影响尺寸精度，还常常因掉下的积屑瘤碎片粘结在已加工表面上而增大了已加还常常因掉下的积屑瘤碎片粘结在已加工表面上而增大了已加工表面的工表面的粗糙度粗糙度。所以，在精加工时应避免积屑瘤产生。所以，在精加工时应避免积屑瘤产生。3.3.影响积屑瘤的因素及其控制影响积屑瘤的因素及其控制 影响积屑瘤的主要因素有工件材料、切削速度、切影响积屑瘤的主要因素有工件材料、切削速度、切削层、刀具前角及切削液等。削层、刀具前角及切削液等。控制切削速度控制切削速度 尽量避开产生积屑瘤的速度范围，采用低速或高速尽量避开产生积
46、屑瘤的速度范围，采用低速或高速切削。切削。切削速度对切屑瘤影响很大（切削速度对切屑瘤影响很大（见图见图2-142-14），切削），切削速度很低（速度很低（60 mmin）时，）时，由于摩擦系数较小，很少产生积屑瘤。在切削速度由于摩擦系数较小，很少产生积屑瘤。在切削速度=20mmin左右，切削温度约为左右，切削温度约为300时，最易产生积时，最易产生积屑瘤，且高度最大。切削速度是通过平均温度和平均屑瘤，且高度最大。切削速度是通过平均温度和平均摩擦系数影响积屑瘤的。摩擦系数影响积屑瘤的。图图2-14 切削速度对机屑流的影响切削速度对机屑流的影响降低工件材料的塑性降低工件材料的塑性 对塑性大的材料可
47、预先进行对塑性大的材料可预先进行正火或调质正火或调质，以降低塑，以降低塑性提高硬度。性提高硬度。工件材料塑性越大，刀与屑间摩擦系数和接触长度工件材料塑性越大，刀与屑间摩擦系数和接触长度越大，越容易生成积屑瘤。越大，越容易生成积屑瘤。采用合适的前角采用合适的前角 前角加大，切削力减小，切削变形和切削热降低，前角加大，切削力减小，切削变形和切削热降低，可防止积屑瘤形成。可防止积屑瘤形成。前角在前角在35时时一般不产生积屑瘤。一般不产生积屑瘤。加强冷却润滑加强冷却润滑 使用润滑性能好的切削液，以减少磨擦粘结。使用润滑性能好的切削液，以减少磨擦粘结。2.4 2.4 切削力、切削热和切削温度切削力、切削
48、热和切削温度一、切削力一、切削力切削力切削力金属切削时，刀具将加工材料变成切屑所金属切削时，刀具将加工材料变成切屑所需的力。需的力。在切削过程中，切削力在切削过程中，切削力直接影响直接影响切削热、刀具磨切削热、刀具磨损与耐用度、加工精度和已加工表面质量。在生产中，损与耐用度、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是切削力又是计算计算切削功率，设计机床、刀具、夹具以切削功率，设计机床、刀具、夹具以及监控切削过程和刀具工作状态的重要依据。研究切及监控切削过程和刀具工作状态的重要依据。研究切削力的规律，对于分析切削过程和生产实际都有重要削力的规律，对于分析切削过程和生产实际都有重要作用。作用。
49、1.1.切削力的来源切削力的来源 两个方面两个方面作用在刀具上的力（抗力、摩擦阻力）作用在刀具上的力（抗力、摩擦阻力）（见图（见图2-152-15）摩擦阻力摩擦阻力抗力抗力（弹性变形、塑性变形）（弹性变形、塑性变形）切削金属层切削金属层切屑切屑工件表面层金属工件表面层金属刀具与切屑刀具与切屑刀具与工件表面刀具与工件表面前刀面前刀面 法向抗力法向抗力 摩擦力摩擦力后刀面后刀面 法向抗力法向抗力 摩擦力摩擦力 图图2-15 2-15 作用在刀具上的力作用在刀具上的力 为了便于测量和应用，可以将合力分解成三个相互垂直的分为了便于测量和应用，可以将合力分解成三个相互垂直的分力。以外圆车削为例，（力。以
50、外圆车削为例，（见图见图2-162-16）。）。主切削力主切削力是主运动方向上的切削分力，它消耗的功是主运动方向上的切削分力，它消耗的功率最多。是计算机床动力、夹具强度和刚度的率最多。是计算机床动力、夹具强度和刚度的依据。依据。切深抗力切深抗力是作用在吃刀方向上的切削分力，又称为是作用在吃刀方向上的切削分力，又称为径向切削分力。能引起工件弯曲变形和振动，径向切削分力。能引起工件弯曲变形和振动，从而影响加工精度和表面粗糙度。从而影响加工精度和表面粗糙度。进给抗力进给抗力是作用在进给方向上的切削分力。所消耗是作用在进给方向上的切削分力。所消耗的能量仅占总能量的的能量仅占总能量的5%5%以下。它作用