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第三章 切削过程及控制. 在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。. 研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论 , 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。. 1 ．切削变形的力学本质. 2 ．切屑形成过程模型. 第一节 金属切削过程及切屑类型. 一、切屑的形成过程.
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第三章 切削过程及控制 在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。 • 研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论, 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。
1．切削变形的力学本质 2．切屑形成过程模型 第一节 金属切削过程及切屑类型 一、切屑的形成过程 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 （图）。 图3－1
1. 第一变形区 二、三个变形区 根据实验时的切削层变形图片可绘制如图3-2所示的切削变形模型，其变形大致可分为三个变形区。 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）。
图3－2 金属切削过程中的滑移线和流线示意图
2. 第二变形区 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。这部分区域称为第二变形区（Ⅱ）。
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）。 由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的存在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。
三、第一变形区内金属的剪切变形 实验表明，切屑的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形。切屑的变形和形成过程如图3-3所示。
切屑形成本质 • 在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。 • 切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。 • 金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方向性，仍为圆形（图3-4） 。 • 晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的方向不重合，两者之间成一夹角Ψ（图3-5）。
四、切削变形程度的表示方法 剪切角φ ↑ →剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓。 图3－6 1. 剪切角φ 剪切面 pφ与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角，用φ表示
图3－6 φ角与剪切面面积的关系 图3－7 变形系数ξ的求法
2. 变形系数ξ • 切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，用ξh 表示，ξh = ach/ac； • 而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用ξl表示，ξl=lc/lch 。 • 根据体积不变原理, 则ξa ＝ξl＝ξ。 • 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。
五．前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响五．前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 1. 作用在切屑上的力 • 刀具与切屑之间的作用力分析如图3-8所示。 • 在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对其作用的法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的合力分别为Fr和 Fr′。 • 假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共线，有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，φ是剪切角；β是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角；γo是刀具前角。
图3－8 作用在切屑上的力 a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力 b) 切屑作为隔离体的受力分析
2. 前刀面上的摩擦 • 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 。 • 所谓“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。 • 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。 • 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。
六、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 1）什么是积屑瘤 在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。 2）积屑瘤的形成原因 产生这种现象，是滞流层金属不断堆积的结果。 3）影响积屑瘤的因素 积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。
4）积屑瘤对起削过程的影响 • 实际前角增大（图3-13）； • 增大切削厚度（图3-13） ； • 使加工表面粗糙度增大； • 对刀具寿命的影响。 一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。
5）抑制或消除积屑瘤的措施 • 采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc＜3m/min和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤； • 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； • 适当减少进给量、增大刀具前角； • 适当提高工件材料的硬度； • 提高刀具的刃磨质量； • 合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。
七、影响切屑变形的主要因素 1. 工件材料的力学性能 材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小（图）。 2.切削用量 （1）切削速度 • 切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。 • 在积屑瘤增长的速度范围内 , 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ξ不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 （图） • 在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。 • 切削铸铁等脆性金属时, 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐地减小。
（2）进给量 （1）前角γ0 (2)刀尖圆弧半径rε 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ξ减小(图)。 3.刀具几何参数 前角增大，剪切角φ增大，而剪切角越大，则变形系数ξ减小。 变形系数与前角之间的关系如图所示。 刀尖圆弧半径越大，变形系数ξ越大，切削变形越大。（图）
八、切屑的类型 • 带状切屑 最常见的屑型之一（图3-15a）。 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条件： 一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速 度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。 优 点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙 度较小。 缺 点：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。
挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图3-15b)。 • 单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑(图3-15c)。 • 崩碎切屑 切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑(图3-15d) 。
图3－15 切屑类型 a) 带状切屑 b) 挤裂切屑
图3－15 切屑类型 C）单元切屑 d ) 崩碎切屑
九、已加工表面的形成过程 • 已加工表面的形成与第三变形区的关系密切； • 刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已加工表面产生剧烈的塑性变形(图3-16a)。 • 表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层的残余应力。 • 加工硬化和残余应力的存在，会影响已加工表面的质量和工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀具磨损。 • 钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等因素。
一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率 第二节 切削力 切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力。 1. 切削力的来源 切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和摩擦阻力（图3-18） 。
2.切削力的分解 切削力Fz(Fc) 背向力 Fy（Fp） 进给力Fx (Ff) 通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc、进给力 Ff、背向力 Fp (图3-19)。 （旧称主切削力，用Fz表示）——总切削力在主运动方向的分力，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。 旧称径向分力，用Fy表示 ——总切削力在垂直于工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。 旧称轴向分力，用Fx表示——总切削力在进给方向的分力，是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数
3．切削功率 • 计算切削功率 Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。 • 主运动消耗的切削功率 Pc＝Fcυc/60×10-3（kW） • 机床电机功率 PE =Pc／ηm（ηm＝0.75～0. 85）。
二、切削力的实验公式 • 切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。 • 常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一类是按单位切削力进行计算。 • 在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表。 • 若已知单位切削力kc，即可求得单位切削功率ps。表3-1为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率。实际切削条件与表中不符时 ,必须引入修正系数加以修正，有关修正系数可参见相关手册。 • 在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。
三、影响切削力的因素 进给量f和背吃刀量ap • 影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。 • 材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。 • 在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。 1. 工件材料 2. 切削用量 进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加，但影响程度不同。 进给量f增大时，切削力有所增加；而背吃刀量ap增大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。
切削速度υc • 切削速度在5～20m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小； • 切削速度继续在20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加； • 在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。 • 在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度υc对切削力Fc无明显的影响。 • 在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。
3. 刀具几何参数 • 前角的影响: γo↑ →切削变形↓→切削力↓。（塑性材料） • 负倒棱的影响：（图3－21）负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值↑→切削变形程度↑→切削力↑； • 主偏角的影响：（图3－22） Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr Kr ↑ → Fy ↓, Fx ↑ • 刃倾角的影响：（图3－23） λs ↓ → Fy ↑, Fx ↓,Fz基本不变 • 刀尖圆弧半径rε ↑→切削刃圆弧部分的长度↑→切削变形↑→切削力↑。此外rε增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff减小。
