第三章 金属切削过程的基本规律

金属刀具切学原理

第三章 金属切削过程 的基本规律

金属刀具切学原理

金属切削过程是刀具从工件表面上切除金属余量， 获得符合要求的已加工表面的过程。在这个过程中将产 生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损等，这 些均以切削过程中金属的弹、塑性变形为基础。而生产 实践中出现的积屑瘤、鳞刺、振动等问题，又都同切削 过程中的变形规律有关。因此，研究和掌握切削过程中 的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，对合理选 择切削用量，提高生产效率，工件的加工质量和降低生 产成本都有重要的意义。

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1898年Taylor和White发明高速 钢。1930 年前后人们又发明了硬质合金。 新的刀具材 料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应 用范围越来越广。以高速 钢的应用为例， Trent在他的名著《Metal Cutting》中写到 “高速钢刀具的出现引起了 金属切削实践的 革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并 要求完全改变机床的结构 ，据估计，在最初 几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二 千万美元的高速钢而 增加了八十亿美元的产 值。” 与此同时，生产实际也给金属切削研 究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具 的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。

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1907年Taylor在整整工作了26年切除了3 万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基 础上，在他经典的论文“On the Art of Cutting Metal”中提出了著名的刀具耐用度公 式， 第一个研究了切削速度和刀具耐用度之 间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍 有 重要的指导意义。有些学者认为金属切削 理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但 Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重 要的里程碑。 传统意义上的金属切削理论研究在二十世 纪六七十年代达 到高峰

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第三章 金属切削过程的基本规律第一节第二节 第三节

切削变形与切屑的形成过程切削力 切削热与切削温度

第四节

刀具磨损与寿命

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第三章 金属切削过程的基本规律

第一节

切削变形与切屑的形成过程

塑性金属受挤压， 随外力F的增加，金属内部应力增加， 先产生弹性变形继而产生塑性变形，使金属的晶格沿晶面发 生滑移，最后产生破裂。 研究条件：直角自由切削 切削变形的力学本质： 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。

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塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金 属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金 属晶格产生滑移，而后断裂

以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、 温度、和应变速度的影响，金属切削过程 如同压缩过程，切削

层受刀具挤压后也产 生塑性变形。

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 致成45°方向的斜截面内，产生最 大切应力，在切应力达到屈服强度 时将在此方向剪切滑移。

刀具切削时相当于局部挤压， 使金属沿最大剪应力方向产 生滑移。CB线以下金属由于母体阻碍，不能沿BC线滑移，而只 能沿DA线滑移。

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一、切削变形区

该区域对工件表面的残余应力以 及后刀面的磨损有很大的影响。 第一变形区

第一变形区：(基本变形区) OA~OM之间的区域，是切削 第三变形区： 第二变形区： 过程中的主要变形区，是切削 工件已加工表面与刀具后刀面之 切屑底层与前刀面之间的摩擦 力和切削热的主要来源。 间的挤压、摩擦变形区域。 变形区。主要影响切屑的变形 主要特征： 造成工件表面的纤维化与加工硬 和积屑瘤的产生。 化。 剪切面的滑移变形第二变形区 第三变形区

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1. 第Ⅰ变形区 :塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。 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)。

第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。

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第一变形区内金属的剪切变形ψ hch 刀具 M

A

一般速度范围内Ⅰ区宽度为0.02~.2mm,速 度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面或称滑 移面

hD

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剪切角υ : 剪切面和切削速度方向的夹角。 υ值小，反映剪切变 形的程度大 实验证明，对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的 切削层，当切削速度高时，剪切角ф较大，剪切面积变小切削比 较省力，说明切屑变形较小。相反，当剪切角ф较小，则说明切 屑变形较大

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滑移面与作用力方向夹角为45 滑移面与晶格变形伸长方向夹角为ψ

°

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2. 第Ⅱ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，其方向基本上和前面相平行。这部分区域称为第二 变形区(Ⅱ)。

纤维化金属粘附在前刀面上，使其流动速度非常低，这种切屑底层流 动速度较其它部分缓慢的现象称为滞流现象，该金属层叫滞流层。刀 屑这种摩擦实质上是切屑底层内的剪切滑移。变形性质为塑性变形。 造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。

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3. 第Ⅲ变形区第一变形区的塑性变形扩展到切削层的下方金属，在后 刀面的法向力和摩擦力的作用下，使工件继续产生径向的塑 性变形和弹性变形。该变形区的变形及应力状态对

已加工表 面的质量影响最大。会造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、 加工硬化和残余应力。 引起变形的主要因素： ⑴刀刃都有钝圆半径 刀刃不可能绝对锋利，不管采用何种方式刃磨，刀刃总 会有一钝圆半径rn。一般高速钢刃磨后rn为3~10μm,硬质 合金刀具磨后约18~32μm,如采用细粒金刚石砂轮磨削， rn最小可达到3~6μm。另外，刀刃切削后就会产生磨损， 增加刀刃钝圆。 被切金属与基体的分离点在该圆弧段上是随机的。使切 削层参数中公称切削厚度不可能完全切除(△a),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

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⑵刀具由于磨损，在后刀面上会产生一无后角的磨损平面 (BC)。 ⑶由于工件材料的弹性恢复(△ h),使已加工表面与后刀面接 触变长。

纵上所述，金属切削过程的本质就是：被切削金属层在刀具 的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形的过程。

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以上对金属切削层在切削过程中三个变形区域变形的 特点进行了介绍，如果将这三个区域综合起来，可以看作 如图所示过程。当金属切削层进入第一变形区时，金属发 生剪切滑移，并且金属纤维化，该切削层接近刀刃时，金 属纤维更长并包裹在切削刃周围，最后在O点断裂成两部分， 一部分沿前刀面流出成为切屑，另一部分受到刀刃钝圆部 分的挤压和摩擦成为已加工表面，表面金属纤维方向平行 已加工表面，这层金属具有与基体组织不同的性质。

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第Ⅰ变形区:

剪切滑移变形区 物理现象：产生切屑

第Ⅱ变形区: 前刀面挤压摩擦变形区

(与前刀面接触的切屑层内产生的变形区);物理现象：产生积屑瘤 第Ⅲ变形区: 后刀面挤压摩擦回弹区变形区 (近切削刃处已加工表层内产生的变形区。) 物理现象：产生加工硬化

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二、 切屑的基本类型 前三种切屑是切削塑性金属时得到的。最常 见到的是带状切屑，当切削厚度大时得到节 状切屑，单元切屑比较少见。在形成节状切 屑的情况下，进一步减小前角，或加大切削 厚度，就可以得到单元切屑。切屑的形态是 可以随切削条件而转化的。

带状切屑

节状切屑

粒状切屑

崩碎切屑

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一、切屑的类型

(1)带状切屑 它的内 表面是光滑的，外表面呈毛 茸状。加工塑性金属时，在 切削厚度较小、切削速度较 高、刀具前角较大的工况条 件下常形成此类切屑。(2)节状切屑 又称挤 裂切屑。它的外表面呈锯齿 形，内表面有时有裂纹。在 切削速度较低、切削厚度较 大、刀具前角较小时常产生 此类切屑。

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(3)粒状切屑 又称单元切屑。大小 较均匀的颗粒

状切屑.在切屑形成过程中， 如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂 强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成 粒状切屑。切削条件：一般采用小前角或负前角，以极低的切 削速度和大的切削厚度切削塑性金属时易产生此种 切屑。实际生产中很少见。

(4)崩碎切屑

切削脆性金属

时，金属层在弹性变形后一般不经过塑 性变形突然崩裂形成 不规则的碎块状切 屑切削厚度越大越易得到这类切屑。

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3.7切屑的类型与控制 3.7.1切屑的类型名称 带状切屑

(按切屑的形成机理 )挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑

带状切屑简图

节状切屑

形态 变形 形成条 件

带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度 切削塑性材料， 速度高，切削厚 度小 前角大 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑

节状，底面光滑有裂 粒状 纹，背面呈锯齿状 局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度 加工塑性材料， 工件材料硬度较 切削速度较低， 高，韧性较低， 进给量较大， 切削速度较低 刀具前角较小 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳

不规则块状颗粒 未经塑性变形即 被挤裂 加工硬脆材料， 刀具前角较小

影响

切削力波动较大， 切削力波动大，有 切削过程不平稳， 冲击，表面粗糙度 表面粗糙度不佳 恶劣，易崩刀

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