切削過程原理

第一講金屬切削過程的基本規(guī)律

本章提要在切削過程中，產(chǎn)生了切削變形、切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損與耐用度變化等各種現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的進(jìn)行。針對(duì)上述現(xiàn)象，本章分析了產(chǎn)生諸現(xiàn)象的原因及對(duì)切削過程的影響，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出切削變形、切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損與耐用度變化四大規(guī)律。應(yīng)用這些規(guī)律，很好地解決了生產(chǎn)上出現(xiàn)的各種問題，如改善工件材料的切削加工性，合理選擇切削液，合理選擇刀具幾何參數(shù)與切削用量等，并對(duì)促進(jìn)機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展起著很重要的作用。1.1切削變形金屬切削過程的基本規(guī)律2.2切削力3.3切削熱與切削溫度4.4刀具磨損與刀具耐用度1.1切削變形金屬切削過程與金屬受壓縮（拉伸）過程比較：(a)壓縮（b）切削圖1.1金屬的壓縮與切削圖1.1金屬的壓縮與切削通常把切削刃作用部分的金屬層劃分為三個(gè)變型區(qū)，如圖1.1（c）所示：第Ⅰ變形區(qū)近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)；第Ⅱ變形區(qū)與前刀面接觸的切屑層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)；第Ⅲ變形區(qū)近切削刃處已加工表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)。（c）三個(gè)變形區(qū)1.1切削變形1.1.4切削變形的變化規(guī)律1.1.1切屑的形成及變形特點(diǎn)1.1.2切屑的類型1.1.3前刀面的擠壓摩擦與積屑瘤

(1)第一變形區(qū)金屬的剪切滑移變形

切削層受刀具的作用，經(jīng)過第一變形區(qū)的塑性變形后形成了切屑，下面以直角自由切削為例，分析較典型的連續(xù)切屑的形成過程。（a）質(zhì)點(diǎn)滑移過程圖2.2切屑形成過程1.1.1切屑的形成及變形特點(diǎn)

切削層受到刀具前刀面與切削刃的擠壓作用下，使近切削刃出的金屬先產(chǎn)生彈性變形，繼而塑性變形，在這同時(shí)金屬晶格產(chǎn)生滑移。圖2.2（a）是取金屬內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)P來分析滑移過程：（b）切屑形成模型如圖2.2(b)所示，對(duì)于切削層來說，移至剪切面AB時(shí)，產(chǎn)生滑移后形成切屑上。這個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行，切削層便連續(xù)地通過前刀面轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?。圖1.2切屑形成過程此圖與形成切屑時(shí)的實(shí)際變形較接近，故稱之為切屑形成模型。剪切面AB與切削速度之間的夾角稱為剪切角。作用力與切削速度之間的夾角成為作用角。由此可知，第?變形區(qū)就是形成切屑的變形區(qū)，其變形特點(diǎn)是切削層產(chǎn)生剪切滑移變形。 (2)第二變形區(qū)內(nèi)金屬的擠壓摩擦變形

經(jīng)過第一變形區(qū)后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，還必須克服刀具前刀面對(duì)切屑擠壓而產(chǎn)生的摩擦力。切屑在受前刀面擠壓摩擦過程中進(jìn)一步發(fā)生變形（第二變形區(qū)的變形）這個(gè)變形主要集中在與前刀面摩擦的切屑底面一薄層金屬里，表現(xiàn)為該處晶粒纖維化的方向和前刀面平行。(3)第三變形區(qū)內(nèi)金屬的擠壓摩擦變形

已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓摩擦，造成纖維化與加工硬化。（1）帶狀切屑：

由于工件材料不同，切削條件不同，切削過程的變形也不同，所形成的切屑多種多樣。通常將切屑分為四類：1.1.2切屑的類型（2）擠裂切屑：(3)單元切屑。（4）崩碎切屑切屑的類型是由材料的應(yīng)力—應(yīng)變特性和塑性變形程度決定的。1.1.3前刀面的擠壓摩擦與積屑瘤(1)作用力分析如圖3.6所示，以切屑作為研究對(duì)象，設(shè)刀具作用的正壓力Fn與摩擦力Ff組成的合力Fr與剪切面上反作用力共線，并處于平衡。將合力F’r分解成二組分力：在運(yùn)動(dòng)方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。分力Fz、Fy可利用測力儀測得。由于剪切力Fs的作用，使切削層在剪切面上產(chǎn)生剪切變形。圖3.6切屑上受力分析正壓力Fn摩擦力Ff合力Fr剪切力Fs法向力Fns合力F’rFs按下列公式計(jì)算：剪切面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ應(yīng)為：

上兩式中β——摩擦角；

AD——切削層面積。(3.4)(3.5)下面簡要介紹M.E.Merchant提出的按最少能量原則來確定剪切角φ的原理。由圖1.6可知，切削力Fz為：

(2)剪切角φ確定前刀面上摩擦力Ff與正壓力Fn之比，即為前刀面與切屑接觸面間摩擦系數(shù)μ：μ＝tanβ＝Ff/Fn（3.6）摩擦系數(shù)μ或摩擦角β亦可根據(jù)已測得的分力Fz、Fy值求得：tan（β－γ0）＝Fy/Fz（3.7）(3.8)欲求最小切削力或耗能最少時(shí)的剪切角φ，則取

，然后求解出φ為：φ＝45°+γ0/2－β/2（1.9）

此外，也可按最大剪應(yīng)力的理論，求出剪切角φ為：φ＝п/4＋γ0－β。從式（1.9）中也可看出第Ⅱ變形區(qū)產(chǎn)生的摩擦對(duì)第Ⅰ變形區(qū)剪切變形的影響規(guī)律。（3）切屑與前刀面間的摩擦切屑與前刀面間的摩擦與一般金屬接觸面間的摩擦不同。切屑與前刀面接觸部分劃分為兩個(gè)摩擦區(qū)域，如圖2．7所示有粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)。經(jīng)測定切屑與前刀面間摩擦區(qū)的內(nèi)應(yīng)力分布如圖3.7所示。圖1.7應(yīng)力分布剪應(yīng)力τ的分布在粘結(jié)區(qū)內(nèi)τ基本上是不變的，它等于較軟金屬的剪切屈服極限τs；在滑動(dòng)區(qū)剪應(yīng)力τ是變化的，離切削刃越遠(yuǎn)，τ越小。正應(yīng)力σ分布在接觸區(qū)內(nèi)正應(yīng)力σ是變·化的，離切削刃越遠(yuǎn)，前刀面上正壓力越小，故正應(yīng)力σ越小。近切削刃處正應(yīng)力σ為最大值式中Ffi、Fni—分別指粘結(jié)區(qū)內(nèi)的摩擦力和正壓力；

Ari—粘結(jié)面積；

σav——粘結(jié)區(qū)內(nèi)平均正應(yīng)力。粘結(jié)區(qū)內(nèi)的摩擦系數(shù)μ計(jì)算方法如下：(1.10)如圖3.8所示，積屑瘤是堆積在前刀面上近切削刃處的一個(gè)楔塊，圖3.8為積屑瘤替代切削刃參加切削情況。當(dāng)積屑瘤的頂部具有大的刃口圓弧半徑時(shí)(圖中R0．134mm)，會(huì)產(chǎn)生較大的擠壓作用。此外，由于積屑瘤頂部凹凸不平和脫落后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工時(shí)應(yīng)盡量避免或抑制積屑瘤的產(chǎn)生。圖1.8積屑瘤(4)積屑瘤此外，接觸面間壓力、粗糙程度、粘結(jié)強(qiáng)度等因素都與形成積屑瘤的條件有關(guān)。合理控制切削條件，調(diào)節(jié)切削參數(shù)，盡量不形成中溫區(qū)域，就能較有效地抑制或避免積屑瘤的產(chǎn)生。以切削中碳鋼為例，從圖3.9曲線可知，低速(vc≤3m／min左右)切削時(shí)，產(chǎn)生的切削溫度很低；較高速(vc>60m／min)切削時(shí)，產(chǎn)生的切削溫度較高，這兩種情況的摩擦系數(shù)均較小，故不易形成積屑瘤。在中速(vc≈20m／min)，積屑瘤的高度達(dá)到最大值。圖1.9切削速度對(duì)積屑瘤的影響形成積屑瘤的條件主要決定于切削溫度。1.1.4切削變形的變化規(guī)律

影響切屑變形的因素很多，下面介紹的是其中最主要的、起決定作用的幾個(gè)因素。（1）前角增大前角γ0，使剪切角φ增大，變形系數(shù)減小，因此，切屑變形減小。(2)切削速度切削速度vc是通過積屑瘤使剪切角φ改變和通過切削溫度使摩擦系數(shù)μ變化而影響切削變形的。圖1.11切削速度vc對(duì)Λh的影響如圖1.11以中碳鋼為例。vc超過40m/min繼續(xù)增高，由于切削溫度逐漸升高，致使摩擦系數(shù)μ下降，故變形系數(shù)Λh減小。vc在3~20m/min范圍內(nèi)提高，積屑瘤高度隨著增加，刀具實(shí)際前角增大，使剪切角φ增大，故變形系數(shù)Λh減小vc＝20m/min時(shí)，Λh值最小vc在20~40m/min范圍內(nèi)提高，積屑瘤逐漸消失，刀具實(shí)際前角減小，使φ減小，Λh增大。此外，在高速時(shí)，也由于切削層受力小，切削速度又快，切削變形不充分而使切屑變形減小。（3）進(jìn)給量進(jìn)給量f對(duì)切屑變形的影響規(guī)律如圖2.12所示。圖1.12進(jìn)給量f（mm/r）(4)工件材料

工存材料的機(jī)械性能不同，切屑變形也不同。材料的強(qiáng)度、硬度提高，正壓力Fn增大，平均正應(yīng)力σav，因此，摩擦系數(shù)μ下降，剪切角φ增大，切屑變形減小。所以，切削強(qiáng)度、硬度高的材料，不易產(chǎn)生變形，需達(dá)到一定變形量，應(yīng)施較大作用力和消耗較多的功率。而切削塑性較高的材料，則變形較大。圖2.13又用不同前角γ0切削不同材料時(shí)的變形系數(shù)Λh值。圖1.13材料對(duì)變形系數(shù)Λh的影響切削過程中作用在刀具與工件上的力稱為切削力。1.2切削力1.2.1切削力的來源、合力及其分力1.2.2切削力測定和切削力實(shí)驗(yàn)公式1.2.3單位切削力、切屑功率和單位切削功率1.2.4切削力的變化規(guī)律1.2.1切削力的來源、合力及其分力切削時(shí)作用在刀具上的力，由下列兩個(gè)方面組成：①變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的彈性變形抗力和塑性變形抗力②切屑、工件與刀具間的摩擦力。(a)直角自由切削圖1.14合力及其分力作用在前刀面的彈、塑性變形抗力Fny作用在前刀面的摩擦力Ffy合力Fr作用在后刀面的彈、塑性變形抗力Fna作用在后刀面的摩擦力Ffa圖1.14合力及其分力（b）非自由切削在銑削平面時(shí)，上述分力亦稱為：Fz－切向力、Fy－徑向力、Fx－軸向力。為了便于分析切削力的作用和測量、計(jì)算切削力的大小,通常將合力Fr在按主運(yùn)動(dòng)速度方向、切深方向進(jìn)給方向作的空間直角坐標(biāo)軸z、y、x上分解成三個(gè)分力，它們是：主切削力Fz主運(yùn)動(dòng)切削速度方向的分力切深抗力Fy切深方向的分力進(jìn)給抗力Fx進(jìn)給方向的分力圖1.14（c）非自由切削由圖1．14(b)可知，合力與各分力間關(guān)系為：

其中，F(xiàn)y＝Fx.ycoskr；Fx=Fx.ysinkr式中Fxy－合力在Fr基面上的分力。

(2.11)1.2.4切削力的變化規(guī)律影響切削力的因素主要有四個(gè)方面：工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)及其它方面的因素。（1）工件材料的影響工件材料是通過材料的剪切屈極強(qiáng)度τs、塑性變形、切屑與刀具間摩擦系數(shù)μ等條件影響切削力的。。①背吃刀量和進(jìn)給量背吃刀量ap和進(jìn)給量f增大，分別使切削寬度bD、切削厚度hD增大因而切削層面積AD增大，故變形抗力和摩擦增加，而引起切削力增大。但是ap和f增大后，它們分別使變形和摩擦增加的程度不同。(2)切削用量的影響

②切削速度加工塑性金屬時(shí)，切削速度vc對(duì)切削力的影響規(guī)律如同對(duì)切削變形影響一樣，它們都是積屑瘤與摩擦的作用造成的。在低速到中速范圍內(nèi)(5～20m／rain)，隨著速度vc的提高，切削變形減小，故主切削力Fz逐漸減?。恢兴贂r(shí)(20m／min左右)，變形值最小，F(xiàn)z減至最小值；超過中速，隨著速度vc的提高，切削變形增大，故Fz逐漸增大。在更高速度范圍內(nèi)（vc＞35m/min），切削變形隨著速度增加而減小，故切削力Fz逐漸減小而后達(dá)到穩(wěn)定。以車削45鋼為例，由圖2.20可知：圖1.20切削速度vc對(duì)切削力Fz影響表1.3切削速度vc改變時(shí)切削力Fz影響的修正系數(shù)KvFz

Vc（m/min）工件材料507510012515017520045鋼40Cr鋼1.051.021.000.980.960.950.94①前角前角γ0增大，切削變形減小，切削力減小。但增大前角γ0，使三個(gè)分力Fz、Fy和Fx減小的程度不同。表3.4為用kr＝75°外圓車刀車削45號(hào)鋼和灰鑄鐵時(shí)前角γ0對(duì)切削力的修正系數(shù)。表1.3為車削鋼時(shí)切削速度vc對(duì)切削力Fz影響的修正系數(shù)。（3）刀具幾何角度的影響工件材料

前角γ0修正系數(shù)－10°0°10°15°20°30°45號(hào)鋼Kγ0Fz1.281.181.051.000.890.85Kγ0Fy1.411.231.081.000.790.73Kγ0Fx2.151.701.241.000.500.30灰鑄鐵Kγ0Fz1.371.211.051.000.950.84Kγ0Fy1.471.301.091.000.950.85Kγ0Fx2.441.831.221.000.730.37表1.4前角改變時(shí)切削力的修正系數(shù)Kγ0F主偏角kr改變使切削面積的形狀和切削分力Fxy的作用方向改變，因而使切削力也隨之變化。由實(shí)驗(yàn)得到的圖3.22中表明：主偏角kr在30°～60°范圍內(nèi)增大，由切削厚度hD的影響起主要作用，促使主切削Fz減??；主偏角約在60°~90°范圍內(nèi)增大，刀尖處圓弧和副前角的影響更為突出，故主切削力Fz增大。圖3.22主偏角kr對(duì)切削力影響②主偏角表1.5主偏角kr對(duì)切削力的修正系數(shù)KkrF工件材料主偏角kr修正系數(shù)30°45°60°75°90°45號(hào)鋼Kγ0Fz1.101.051.001.001.05Kγ0Fy2.001.601.251.000.85Kγ0Fx0.650.800.901.001.15灰鑄鐵HT20－40Kγ0Fz1.101.001.001.001.00Kγ0Fy2.801.801.171.000.70Kγ0Fx2.801.801.171.000.70表1.5為主偏角kr對(duì)切削力的修正系數(shù)③刃傾角λs由實(shí)驗(yàn)可知，刃傾角λs對(duì)主切削力Fz影響很小，但對(duì)切深抗力Fy、進(jìn)給抗力Fx影響較顯著。刃傾角λs的絕對(duì)值增大時(shí)，使主切削刃參加工作長度增加，摩擦加?。坏诜ㄆ拭嬷腥锌趫A弧半徑rβ減小，刀刃鋒利，切削變形減小。上述作用的結(jié)果是使Fz變化很小。刃傾角λs對(duì)Fy、Fx的作用如圖2.23所示，當(dāng)刃傾角λs由正值向負(fù)值變化時(shí)，使正壓力Fn傾斜了刃傾角λs，從而改變了合力Fr及其分力Fxy的作用方向，F(xiàn)xy的切深分力Fy增大、進(jìn)給分力Fx減小。通常刃傾角λs每增減l°，使切深分力Fy增減，2％～3％。圖3.23刃傾角λs對(duì)切削力Fy、Fx影響由此可見，從切削力觀點(diǎn)分析，切削時(shí)不宜選用過大的負(fù)刃傾角。尤其在加工的工藝系統(tǒng)剛性較差情況下，往往因－λs增大Fy的作用而產(chǎn)生振動(dòng)。表1.6車削45號(hào)鋼時(shí)刃傾角λs對(duì)切削力修正系數(shù)KλsF車刀系數(shù)

刃傾角λs修正系數(shù)+10°+5°0°－5°－10°－30°－45°焊接車刀（平前面）KλsFzKλsFyKλsFx1.00.81.61.00.91.31.01.01.01.01.10.951.01.20.91.01.70.71.02.00.5(4)其它因素的影響刀具的棱面,刀尖圓弧半徑,刀具磨損的影響。1.3切削熱與切削溫度1.3.2切削熱的來源與傳導(dǎo)1.3.2切削溫度1.3.3影響切削溫度的因素1.3.1切削熱的來源與傳導(dǎo)切削是由切削功轉(zhuǎn)變而來的。如圖3.25所示，其中包括：剪切區(qū)變形功形成的熱Qp、切屑與前刀面摩擦功形成的熱Qγf、已加工表面與后刀面摩擦功形成的熱Qαf。產(chǎn)生總的切削熱Q，分別傳人切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周圍介質(zhì)Qf。切削熱的形成及傳導(dǎo)關(guān)系為：

Qp+Qγf+Qαf＝Qch+Qw+Qc+Qf(3.20)1.3.2切削溫度通過切削區(qū)域產(chǎn)生的變形功、摩擦功和熱傳導(dǎo)，可以近似推算出切削溫度值。以計(jì)算切削區(qū)域平均溫度為例：切削溫度是由切削時(shí)消耗總功形成的熱量引起的。單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱q等于消耗的切削功率Pm，即：

q=Fzvc/60W式中Fz－主切削力（N）;

vc－切削速度（m/min）。

(1)切削溫度計(jì)算由熱量q引起的溫度升高量△θ與材料的密度ρ、比熱容c有關(guān)，其關(guān)系式：

式中p——單位主切削力(N/

)；

c——比熱容(J／kg·K)

ρ——密度(kg／

)℃(1.22)測量切削溫度的方法有：熱電偶法、熱輻射法、涂色法和紅外線法等。其中熱電偶法測溫雖較近似，但裝置簡單、測量方便，是較為常用的測溫方法。①自然熱電偶法②人工熱電偶法1.3.3影響切削溫度的因素切削溫度與變形功、摩擦功和熱傳導(dǎo)有關(guān)。也就是說，切削溫度的高低是由產(chǎn)生的熱和傳走的熱兩方面綜合影響的結(jié)果。做功越多、生熱越多、散熱越少時(shí)，切削溫度越高。影響生熱和散熱的因素有：切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材料和切削液等；(2)切削溫度的測定1.4刀具磨損與刀具耐用度1.4.1刀具磨損形式1.4.2磨損過程和磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1.4.3刀具磨損原因1.4.4刀具耐用度1.4.5影響刀具耐用度的因素1.4.1刀具磨損形式刀具磨損形式分為正常磨損和非正常磨損兩大類。正常磨損是指在刀具設(shè)計(jì)與使用合理、制造與刃磨質(zhì)量符合要求的情況下，刀具在切削過程中逐漸的磨損。(1)正常磨損①后刀面磨損②前刀面磨損③前后刀面同時(shí)磨損非正常磨損是指刀具在切削過程中突然或過早產(chǎn)生損壞現(xiàn)象。其中有：①破損在切削刃或刀面上產(chǎn)生裂紋、崩刃或碎裂。②卷刃切削時(shí)在高溫作用下，使切削刃或刀面產(chǎn)生塌陷或隆起的塑性變形現(xiàn)象。（2）非正常磨損1.4.2磨損過程和磨鈍標(biāo)準(zhǔn)正常磨損情況下，刀具磨損量隨切削時(shí)間增加而逐漸擴(kuò)大。若以后刀面磨損為例，它的典型磨損過程如圖3.20所示，圖中大致分三個(gè)階段。初期磨損階段(Ⅰ段)、正常磨損階段(Ⅱ段)、急劇磨損階段(Ⅲ段)。圖3.20刀具磨損過程曲線在后刀面月區(qū)內(nèi)均勻磨損VB＝0．3mm；在后刀面月區(qū)內(nèi)非均勻磨損VBmax＝0．6mm；月牙洼深度標(biāo)準(zhǔn)KT＝0.06十0.3f(f—進(jìn)給量mm／r)。精加工根據(jù)達(dá)到表面粗糙度等級(jí)要求確定。表1.8磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB值（mm）加工條件加工方式剛性差鋼件鑄鐵件鋼、鑄鐵大件精車0.1～0.3粗車0.4～0.50.6～0.80.8～1.21.0～1.5在ISO標(biāo)準(zhǔn)中，供作研究用推薦的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為：表2.8為車刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，供選用時(shí)參考1.4.3刀具磨損原因切削時(shí)刀具的磨損是在高溫高壓條件下產(chǎn)生的。因此，形成刀具磨損的原因就非常復(fù)雜，它涉及到機(jī)械、物理、化學(xué)和相變等的作用?，F(xiàn)將其中主要的原因簡述如下：（1)磨粒磨損(2)粘結(jié)磨損(3)擴(kuò)散磨損(4)相變磨損(5)氧化磨損1.4.4刀具耐用度(1)刀具耐用度概念

刀具耐用度是指刃磨后的刀具從開始切削到磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止所用的切削時(shí)間，用T分鐘表示。刀具耐用度還可以用達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)過的切削路程lm或加工出的零件N來表示。

刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好壞的重要標(biāo)志。利用刀具耐用度來控制磨損量VB值，比用測量VB來判別是否達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)要簡便。

（2）刀具耐用度試驗(yàn)圖3.21刀具耐用度試驗(yàn)(a)刀具磨損曲線（b）刀具耐用度曲線通過試驗(yàn)先確定5種以上不同切削速度的刀具磨損過程曲線，如圖3.21（a）所示。曲線磨損量VB可利用讀數(shù)顯微鏡測得。然后在磨損曲線上取出達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的各速度vc與耐用度T對(duì)應(yīng)值，并將它們表示在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，可得圖3.21（b）所示的刀具耐磨度曲線。

vc＝

（3.24）vc－T之間呈下列線性關(guān)系：式中A－與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的系數(shù)，是曲線中截距。它相當(dāng)