金属切削加工的基础知识.doc

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1、金属切削加工的基础知识 导读：就爱阅读网友为您分享以下“金属切削加工的基础知识”资讯，希望对您有所帮助，感谢您对的支持!241 第7章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的方法很多，尽管它们的形式有所不同，但是却有着许多共同的规律和现象。掌握这些规律和现象，对正确应用各种金属切削加工方法有着重要的意义。本章主要介绍切削加工过程的切削运动、切削刀具以及其过程的基本规律等金属切削加工基础知识。 金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量零件的过程。由此可见，理解零件加工质量的概念；掌握切削运动和金属切削刀具的基本知识；认识

2、金属切削过程的基本规律是学习金属切削加工的基本内容。7.1加工质量为了保证机电产品的质量，设计时应对零件提出加工质量的要求，机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两方面，它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、外观质量、生产率和经济性。 7.1.1加工精度经机械加工后，零件的尺寸、形状、位置等参数的实际数值与设计理想值的符合程度称为机械加工精度，简称加工精度。实际值与理想值相符合的程度越高，即偏差（加工误差）越小，加工精度越高。加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。零件图上，对被加工件的加工精度要求常用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。1. 尺寸精度是指加工表面本身的尺寸(如圆柱

3、面的直径) 和表面间的尺寸(如孔间距离等) 的精确程度。尺寸精度的高低，用尺寸公差的大小来表示。尺寸公差是尺寸允许的变动量，国家标准GB/T1800. 3-1998极限与配合中规定，尺寸公差分20个等级，即IT01、IT0、IT1、IT2IT18。IT 后面的数字代表公差等级，数字愈大，公差等级越低，公差值越大，尺寸精度越低。不同公差等级的加工方法和应用见表7.1.1。 加工过程中影响尺寸精度的因素很多，表7.1.1中表示的某种加工方法所对应达到的加工精度，是指在正常产生条件下保证一定生产率所能达到的加工精度，称为经济精度。 242表7.1.1各种加工方法所能达到的公差等级和表面粗糙度 243

4、 2. 形状精度是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度。如直线度、圆度、圆柱度、平面度等。3. 位置精度是指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理想位置接近的程度。如平行度、垂直度、同轴度、对称度等。国家标准GB/T1182-1996形状和位置公差中规定，形状和位置公差共有14个项目，其公差特征项目的名称及符号见表7.1.2。表7.1.2 形状和位置公差特征项目的名称及符号在零件图上，通常只规定尺寸公差，对要求较高的零件，除了规定尺寸公差外, 还要规定形状和位置公差。一般机械加工精度越高，加工的成本也越高，所以在设计零件时，应在满足零件使用要求的前提下，选用经济精度。

5、7.1.2表面质量机械零件的表面质量，主要是指零件加工后的表面粗糙度以及表面层材质的变化。1. 表面粗糙度 244 图7.2.1 车削运动和工件上的表面 图7.2.2 刨削运动和工件上的表面在切削加工中，由于刀痕、塑性变形、振动和摩擦等原因，会使加工表面产生微小的峰谷。这些微小峰谷的高低程度和间距状况称为表面粗糙度。表面粗糙度对零件的耐磨性、抗腐蚀性和配合性质等有很大影响。它直接影响机器的使用性能和寿命。国家标准GB/T1031-1995规定了表面粗糙度的评定参数及其数值。常用的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差Ra 值，常见加工方法一般能达到的表面粗糙度值见表7.1.1。一般来说，零件的

6、表面粗糙度越小，零件的使用性能越好，寿命也越长，但零件的制造成本也会相应增加。2. 表面层材质的变化零件加工后表面层的力学、物理及化学等性能会于基体材料不同，表现为加工硬化、残余应力产生、疲劳强度变化及耐腐蚀性下降等，这些将直接影响零件的使用性能。零件加工质量与加工成本有着密切的关系。加工精度要求高，将会使加工过程复杂化，导致成本上升，所以在确定零件加工精度和表面粗糙度时，总的原则是，在满足零件使用性能要求和后续工序要求的前提下，尽可能选用较低的精度等级和较大的表面粗糙度值。 7.2切削运动7.2.1切削运动切削加工时, 为了获得各种形状的零件, 刀具与工件必须具有一定的相对运动, 即切削运动

7、，切削运动按其所起的作用可分为主运动和进给运动 。1. 主运动由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动。主运动的特点是 245 图7.2.3合成速度 速度最高，消耗功率最大。车削时，主运动是工件的回转运动，如图7.2.1所示；牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动，如图7.2.2所示。2. 进给运动由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。车削外圆时，进给运动是刀具的纵向运动；车削端面时，进给运动是刀具的横向运动。牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。主运动的运动形式可以是旋

8、转运动，也可以是直线运动；主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。 3. 主运动和进给运动的合成当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量v e 来表示，如图7.2.3所示。 7.2.2工件表面切削加工过程中，在切削运动的作用下，工件表面一层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化着的表面，它们分别是待加工表面，切削表面和已加工表面，如图7.2.1和图7.2.2所示。其涵义是：1. 待加工表面

9、即将被切去金属层的表面；2. 切削表面切削刃正在切削而形成的表面, 切削表面又称加工表面或过渡表面；3. 已加工表面已经切去多余金属层而形成的新表面。 7.2.3切削用量切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量三个要素。1. 切削速度v c246 在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离, 单位为m/min或m/s。主运动为旋转运动时, 切削速度v c 计算公式为:式中d 工件直径（mm ）n工件或刀具每分(秒) 钟转数(r/min或r/s)。主运动为往复运动时

10、, 平均切削速度为：式中L 一往复运动行程长度(mm)nr 一主运动每分钟的往复次数(往复次数/min)。2. 进给量f进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。车削时进给量的单位是mm/r，即工件每转一圈, 刀具沿进给运动方向移动的距离。刨削等主运动为往复直线运动, 其间歇进给的进给量为mm/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度v f 计算公式为: 铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用a z 表示，单位是(mm/z)，v f 、f 、a

11、 z 三者之间的关系为：z 为多齿刀具的齿数。3. 背吃刀量（切削深度）a p背吃刀量a p 是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进给运动方向上的投影值。对于外圆车削，背吃刀量a p 等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离(见图7.3.12), 单位为mm 。即 式中 d w 待加工表面直径dm 已加工表面直径) /min /(1000s m m n d v c 或=) /min /(10002s m m n L v r c 或=) /min /(s mm mm f n vf 或=z a n f n vf f =2m w p d d a -= 247图7.3.1各种刀具切削部分的

12、形状7.3刀具切削部分的几何角度切削刀具种类很多, 如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。它们几何形状各异, 复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度都具有许多共同的特征，其中车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，因而最具有代表性。其他刀具都可以看作是车刀的组合或变形(图7.3.1) 。因此, 研究金属切削工具时，通常以车刀为例进行研究和分析。 7.3.1车刀的组成车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削加工任务，刀柄用以装夹在机床刀架上。切削部分是由一些面、切削刃组成。我们常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的，见图7.3.2所示。1. 刀面（l ）前刀面A 刀具上切屑流

13、过的表面；（2）后刀面A 与工件上切削表面相对的刀面；（3）副后刀面A 与已加工表面相对的刀面。 248 图7.3.3刀尖形状 图7.3.2 车刀的组成 2. 切削刃（1）主切削刃S 前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作；（2）副切削刃S 前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作。（3）刀尖是主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成，微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径, 用r 表示, 如图7.3.3所示。 7.3.2刀具几何角度参考系为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方

14、位。刀具几何角度参考系有两类，刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。1. 刀具标注角度参考系（1）假设条件 刀具标注角度参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量角度的基准，在此基准下定义的刀具角度称刀具标注角度。为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特别规定了如下假设条件。假设运动条件 用主运动向量v c 近似地代替相对运动合成速度向量v e (即v f =0)。假设安装条件 规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与工件中心等高。（2）刀具标注角度参考系种类 根据ISO3002/1-1997标准推荐，刀具标注角度参考系有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系三种。 249图7.

15、3.4正交平面参考系 图7.3.5 法平面参考系 图7.3.6 假定工作平面参考系正交平面参考系 如图7.3.4所示, 正交平面参考系由以下三个平面组成： 基面p r 是过切削刃上某选定点平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。车刀的基面都平行于它的底面。主切削平面p s 是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。正交平面p o 是过切削刃某选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。过主、副切削刃某选定点都可以建立正交平面参考系。基面p r 、主切削平面p s 、正 交平面p o 三个平面在空间相互垂直。法平面参考系

16、 如图7.3.5所示, 法平面参考系由p r 、p s 和法平面p n 组成。其中法平面p n 是过切削刃某选定点垂直于切削刃的平面。 假定工作平面参考系 如图7.3.6所示, 假定工作平面参考系由p r 、p f 和p p 组成。假定工作平面p f 是过切削刃某选定点平行于假定进给运动并垂直于基面的平面。背平面 250 图7.3.7 车刀的几何角度 p p 是过切削刃某选定点既垂直于假定进给运动又垂直于基面的平面。刀具设计时标注、刃磨、测量角度最常用的是正交平面参考系。3. 刀具工作角度参考系刀具工作角度参考系是刀具切削工作时角度的基准（不考虑假设条件），在此基准下定义的刀具角度称刀具工作角

17、度。它同样有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系。 7.3.3刀具标注角度定义如图7.3.7所示。1.在基面内测量的角度（1）主偏角r 主切削刃与进给运动方向之间的夹角。（2）副偏角r 副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。（3）刀尖角r 主切削平面与副切削平面间的夹角。刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和传热性能。它与主偏角和副偏角的关系如下: 251图7.3.8 s 的正负规定 图7.3.9 直角切削与斜角切削 2. 在主切削刃正交平面内(O-O)测量的角度 （1）前角o 前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为

18、正。（2）后角o 后刀面与切削平面间的夹角。（3）楔角o 前刀面与后刀面间的夹角。楔角的大小将影响切削部分截面的大小，决定着切削部分的强度，它与前角o 和后角o 的关系如下 3. 在切削平面内(S向) 测量的角度刃倾角s 主切削刃与基面间的夹角。刃倾角正负的规定如图7.3.8所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。 s =0的切削称为直角切削，此时主切削刃与切削速度方向垂直，切屑沿切削刃法向流出。s 0的切削称为斜角切削，此时主切削刃与切削速度方向不垂直，切屑的流向与切削刃法 252 图7.3.10刀柄中心线不垂直进给方向 图7.3.1

19、1车刀安装高低对前角、后角的影响向倾斜了一个角度，如图7.3.9所示。4.在副切削刃正交平面内（O -O ）测量的角度副后角o 副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。上述的几何角度中，最常用的是前角（o ）、后角（o ）、主偏角（r ）、刃倾角（s ）、副偏角（r ）和副后角（o ），通常称之为基本角度，在刀具切削部分的几何角度中，上述基本角度能完整地表达出车刀切削部分的几何形状，反映出刀具的切削特点。r 、o 为派生角度。 7.3.4刀具工作角度切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具于工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这些角度为工作角度。现在仅就刀具安装位置对角

20、度的影响叙述如下。1. 刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响当车刀刀柄与进给方向不垂直时，主偏角和副偏角将发生变化。如图7.3.10所示。 2. 切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响切削刃安装高于或低于工件中心时，按辅助平面定义，通过切削刃作出的切削平面、基面将发生变化，所以使刀具角度也随着发生变化，如图7.3.11所示。 r e = +Gr r e = - G r e 253图7.3.12切削层参数切削刃安装高于工件中心时： 切削刃安装低于工件中心时 7.3.5切削层参数切削层是刀具切削部分切过工件的一个单程所切除的工件材料层。切削层参数就是指这个切削层的截面尺寸。为

21、了简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具的基面中度量，切削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小。如图7.3.12所示，车外圆时，当主、副切削刃为直线，且s =0，切削层就是车刀由位置移动到位置即一个f 距离，刀具正在切削的那层金属层，可见，切削层的形状是平行四边形。 1. 切削层公称厚度h D简称切削厚度，是垂直于切削表面度量的切削层尺寸。h D f sinr2. 切削层公称宽度b D简称切削宽度，是沿切削表面度量的切削层尺寸。 oe = o - Noe = o + N oe = o - N oe = o + N254 b D ap /sinr 3. 切削层公称横截面

22、积A DA D hD . bD f. ap 7.4刀具材料7.4.1刀具材料应当具备的性能在切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受了很大的压力和强烈的摩擦，刀具在高温下进行切削的同时，还承受着切削力、冲击和振动，因此要求刀具切削部分的材料应具备以下基本条件：1. 高硬度刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度应在HRC60以上。2. 耐磨性耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，通常刀具材料硬度越高，耐磨性越好，材料中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越好。3. 强度和韧性为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具有足够的强度和韧性。一般用抗弯强度（b ）冲击

23、韧性（k ）值表示。4. 耐热性刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性和强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力。这就是刀具材料的耐热性。它是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。5. 工艺性为了便于刀具制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊接、切削加工、可磨削性和热处理特性等。此外，在选用刀具材料时，还要考虑经济性。经济性差的刀具材料难以推广使用。 刀具材料种类很多，常用的有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢（如Tl0A 、T12A ）和合金工具钢（9SiCr 、CrWMn ），因其耐热性较差，仅用于手工工具。陶瓷、金

24、刚石和立方氮化硼则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，目前只在较小的范围内使用。当今，用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金。7.4.2、高速钢255 高速钢是一种加入了钨（W ）、钼（Mo ）、铬（Cr ）、钒（V ）等合金元素的高合金工具钢。它的耐热性较碳素工具钢和一般合金工具钢显著提高，允许的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢高两倍以上。高速钢具有较高的强度、韧性和耐磨性，耐热性为540C 600C 。虽然高速钢的硬度和耐热性不如硬质合金，但由于用这种材料制作的刀具的刃口强度和韧性比硬质合金高，能承受较大的冲击载荷，能用于刚性较差的机床，而且这种刀具材料的工艺性能较好，容易磨出锋利的刃口，

25、因此到目前为止，高速钢仍是应用较广泛的刀具材料，尤其是结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢，高性能高速钢两类；。1. 通用高速钢通用高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。按其化学成分有钨系高速钢和钼系高速钢。W18Cr4V 属于钨系高速钢，其淬火后的硬度为6366HRC ，耐热性可达620C ，抗弯强度b =3430MPa。磨削性能好，热处理工艺控制方便，是我国高速钢中用得比较多的一个牌号。W6Mo5Cr4V2属于钼系高速钢，与W18Cr4V 相比，它的抗弯强度、冲击韧度和高温塑性较高，故可制造热轧刀具，如麻花钻等。2.

26、 高性能高速钢高性能高速钢是在通用高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性和耐磨性。这种高速钢的切削速度可达50100m min ，具有比通用高速钢更高的生产率与刀具使用寿命；同时还能切削不锈钢。耐热钢、高强度钢等难加工的材料。高钒高速钢（W12Cr4V4Mo ）这种高速钢由于含钒（V ）、碳（C ）量的增加，提高了耐磨性，刀具寿命比通用高速钢可提高24倍，但是，随着钒质量分数的提高，使磨削性能变差，刃磨困难。高钴高速钢和高铝高速钢是近年来为了加工高温合金、钛合金、难熔合金、超高强度钢、奥氏体不锈钢等难加工材料而发展起来的。它们的常温硬度、高温硬度、耐热性和耐磨性都比通用高速钢W18

27、Cr4V 高，虽然它的抗弯强度和冲击韧度比较低，但仍是一种综合性能较好的材料，可以制作各种刀具。其牌号有W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al 等。7.4.3硬质合金硬质合金是用粉未冶金法制造的合金材料，它是由硬度和熔点很高的碳化物（称为硬质相）和金属（称粘结相）组成。硬质合金的硬度较高，常温下可达7481HRC ，它的耐磨性较好，耐热性较高，能耐8001000C 的高温，因此能采用比高速钢高几倍甚至十几倍的切削速度；它的不足之处是抗弯强度和冲击韧度较高速钢低，刃口不能磨得象高速钢刀具那样锋利。常用硬质合金按其化学成分和使用特性可分为四类：钨钴类（YG ），钨钛钴类（YT ）；钨2

28、56 钛钽钴类（YW ）和碳化钛基类（YN ）。1. 钨钴类硬质合金（GB2075-87标准中K 类）它是由硬质相碳化钨WC 和粘结剂钴CO 组成的，其韧性、磨削性能和导热性好。主要适用于与加工脆性材料如铸铁、有色金属及非金属材料。这类硬质合金常用牌号和应用范围见表7.4.1，代号YG 后的数值表示钴CO 的含量，合金中含钴量越高，其韧性越好，适用于粗加工；含钴量少的，用于精加工。2. 钨钛钴类硬质合金（GB2075-87标准中P 类）它是由硬质相WC 、碳化钛TiC 和粘结剂Co 组成的，由于在合金中加入了碳化钛（TiC ），从而提高了合金的硬度和耐磨性，但是抗弯强度、耐磨削性能和热导率有所

29、下降；低温脆性较大，不耐冲击，因此，这类合金适用于高速切削一般钢材。钨钛钴类硬质合金常用牌号和应用范围见表7.4.1。代号YT 后的数值表示碳化钛TiC 的含量，当刀具在切削过程中承受冲击、振动而容易引起崩刃时，有应选用TiC 含量少的牌号，而当切削条件比较平稳，要求强度和耐磨性高时，应选用TiC 含量多的刀具牌号。3. 钨钛钽钴类硬质合金（GB2075-87标准中M 类）在钨钛钴类硬质合金中加入适量的碳化钽（TaC ）或碳化妮（NbC ）稀有难熔金属碳化物，可提高合金的高温硬度、强度、耐磨性、粘结温度和抗氧化性，同时，韧性也有所增加，具有较好的综合切削性能，所以人们常称它为“万能合金”。但是

30、，这类合金的价格比较贵，主要用于加工难切削材料。4. 碳化钛基类硬质合金（GB2075-87标准中P01类）它是由碳化钛作为硬质相，镍、钼作为粘结剂而组成的，所以硬度高达9095HRA 。有高的耐磨性，在1000C 以上的高温下，它仍能进行切削加工，适合对较高硬度的合金钢、工具钢、淬硬钢等进行切削加工。随着科学技术的发展，新的工程材料不断出现，对刀具材料的要求也不断提高，在进行切削加工时，我们必须根据具体情况综合考虑，合理的选择刀具材料，既要充分发挥刀具材料的特性，又要较经济地满足切削加工的要求。值得一提的是，在加工一般材料时，仍以使用通用高速钢与硬质合金为宜，当加工难切削材料时，才有必要选用

31、新牌号硬质合金或高性能高速钢。 257 表7.4.1 硬质合金常用牌号和应用范围258 图7.5.2 金属切削过程中的滑移线和流线及三个变形区 7.5金属切削过程金属切削过程是指工件上一层多余的金属被刀具切除的过程和已加工表面的形成的过程。在这个过程中始终存在着刀具与工件（金属材料）之间切削和抗切削的矛盾，并产生一系列重要现象。如形成切屑、切削力、切削热与切削温度及刀具的磨损等。研究金属切削过程中这些现象的基本理论，基本规律对提高金属切削加工的生产率和工件表面的加工质量，减少刀具的损耗关系极大。在对金属切削过程进行实验研究时，常用的切削模型是直角自由切削，所谓自由切削就是只有一个直线切削刃参加

32、切削，如图7.5.1所示。 7.5.1切屑的形成过程实验研究表明，金属切削与非金属切削不同，金属切削的特点是被切金属层在刀具的挤压、摩擦作用下产生变形以后转变为切屑和形成已加工表面。图7.5.2是根据金属切削实验绘制的金属切削过程中的变形滑移线和流线，由图可见，工件上的被切削层在刀具的挤压作用下，沿切削刃附近的金属首先产生弹 图7.5.1直角自由切削切削模型259图7.5.3剪切角 带状切屑 挤裂切屑 粒状切屑 崩碎切屑图7.5.4切屑的种类 性变形，接着由剪应力引起的应力达到金属材料的屈服极限以后，切削层金属便沿倾斜的剪切面变形区示意图滑移，产生塑性变形，然后在沿前刀面流出去的过程中，受摩擦

33、力作用再次发生滑移变形，最后形成切屑。为了进一步分析切削层变形的规律，通常把被切削刃作用的金属层划分为三个变形区。第I 变形区位于切削刃和前刀面的前方，面积是三个变形区中最大的，为主变形区；第II 变形区是与前刀面相接触的附近区域，切屑沿前刀面流出时，受到前刀面的挤压和摩擦，靠近前刀面的切屑底层会进一步发生变形；第III 变形区是已加工表面靠近切削刃处的区域，这一区域金属受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，发生变形造成加工硬化。这三个变形区各具有特点，又存在着相互联系、相互影响。同时，这三个变形区都在切削刃的直接作用下，是应力集中，变形比较复杂的区域。下面分别讨论。 7.5.2第I

34、变形区这一区域是由靠近切削刃的OA 线处开始发生塑性变形，到OM 线处剪切滑移变形基本完成，是形成切屑的主要变形区。OM 称之为终剪切线或终滑移线，而OA 称之为始剪切线或始滑移线，从OA 到OM 之间整个第一变形区内，其变形的主要特征就是被切金属层在刀具前刀面和切削刃的作用下，沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。在一般的切削速度范围内，第一变形区的宽度大约为0.02 - 0.2mm，速度越高，宽度越小，所以可以把第一变形区近似看作一个剪切面，用OM 表示，将剪切面与切削速度之间的夹角定义为剪切角，以表示，见图7.5.3。 由于工件材料和切削条件的不同，切屑过程中的变形情况也不同，因而

35、产生的切屑形状也不同，从变形的观点来看，可将切屑的形状分为四种类型如图7.5.4所示。 260 1. 切屑的类型（1）带状切屑 在切削过程中，切削层变形终了时，如其金属的内应力还没有达到强度极限时，就会形成连绵不断的切屑，在切屑靠近前刀面的一面很光滑，另一面略呈毛茸状，这就是带状切屑。当切削塑性较大的金属材料如碳素钢、合金钢、铜和铝合金或刀具前角较大，切削速度较高时，经常出现这类切屑。（2）挤裂切屑（又称节状切屑） 在切屑形成过程中，如变形较大其剪切面上局部所受到的剪应力达到材料的强度极限时，则剪切面上的局部材料就会破裂成节伏，但与前刀面接触的一面常互相连接因而未被折断，这就是挤裂切屑。工件材

36、料塑性越差或用较大进给量低速切削钢材时，较容易得到这类切屑。（3）粒状切屑（又称单元切屑） 在切屑形成过程中，如其整个剪切面上所受到的剪应力均超过材料的破裂强度时，则切屑就成为粒状切屑，形状似梯形。（4）崩碎切屑 切削铸铁、黄铜等脆性材料时，切削层几乎不经过塑性变形阶段就产生崩裂，得到的切屑呈现不规则的粒状，工件加工后的表面也极为粗糙。前三种切屑是切削塑性金属时得到的，形成带状切屑时切削过程最平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小，但带状切屑不易折断，常缠在工件上，损坏已加工表面，影响生产，甚至伤人。因此要采取断屑措施，例如在前刀面上磨出卷屑槽等。形成粒状切屑时，切削力波动最大。在生产中一

37、般常见的是带状切屑，当进给量增大，切削速度降低，则可由带状切屑转化为挤裂切屑。在形成挤裂切屑的情况下，如果进一步减小前角，或加大进给量降低切削速度，就可以得到粒状切屑，反之，如果加大前角，减小进给量，提高切削速度，变形较小则可得到带状切屑，这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。2变形系数切削过程中，变形量的大小计算很复杂，所以在研究切削变形规律时，通常用剪应变r 或变形系数h 来衡量切削变形的程度，剪应变是指切削层在剪切面上的滑移量；变形系数h 是根据在金属切削中，刀具切下的切屑厚度（h Dh ）通常大于工件切削层的厚度(hD ) ，而切屑长度(LDh ) 却小于切削层长度(lD ) (宽

38、度基本不变) 这一事实来衡量切削变形程度，如图7.5.5所示。由于工件上切削层变成切屑后宽度的变化很小，根据体积不变原理，变形系数h 可用下式表示： 式中 LD 切削层的长度LDh 切屑的长度D Dh Dh D h h h L L =261 hDh 切屑的厚度hD 切削层的厚度 在一定条件下，变形系数h 值的大小能直观地反映切屑的变形程度，且测量方便，h 值越大，表示切屑越厚而短，切屑变形就越大，否则反之。参照图7.5.6，可以推导出变形系数的计算公式： 由此可见，影响切削变形的主要因素是前角o 和剪切角。剪切角减小，切屑就变厚、变短，变形系数h 增大。剪切角增大，变形系数h 减小。根据纯剪切

39、理论，可以推导出剪切角的计算公式： 式中为前刀面与切屑底层的摩擦角。由计算公式可知，当前角增大时，随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下增大刀具前角对改善切削过程有利；当摩擦角增加时，随之减小，变形增大。所以采用优质切削液减小前刀图面上的摩擦系数是很重要的。 7.5.3第II 变形区被切削层金属经过终滑移线OM 形成切屑沿前刀面流出时，切屑底层仍受到刀具的挤压和接触面之间强烈的摩擦，继续以剪切滑移为主的方式变形，其切屑底层的变形程度比切屑上层剧烈，从而使切屑底层晶粒弯曲拉长，在摩擦阻力的作用下，这部分切屑流动速度减慢，sin ) cos(o h -=o+-=4图7.5.5切削变形程度

40、 图7.5.6切削变形程度的表示 262 图7.5.7前刀面上的摩擦情况称为滞流层。1. 摩擦系数在金属切屑过程中，刀具前刀面和切屑底层之间存在着很大的压力，可达23GPa，切削液不易流入接触界面，再加几百度的高温，切屑底层又总是以新生表面与前刀面接触，而使刀具和切屑接触面间产生粘结，使该处的摩擦情况与一般的滑动摩擦不同。如图7.5.7所示, 在刀具和切屑接触面上正应力的的分布是不均匀的, 切削刃处的最大，随着切屑沿前刀面的流出正应力逐渐减小，在刀具和切屑分离处正应力为零。切应力在l f1内保持为一定值，等于工件材料的剪切屈服强度，在l f2内逐渐减小，至刀具和切屑分离时为零。在正应力较大的一

41、段长度l f1上，切屑底部与前刀面发生粘结现象，在粘结情况下，切屑与前刀面之间的摩擦已不是一般的外摩擦，而是切屑和刀具粘结层与其上层金属之间的内摩擦。这种内摩擦实际就是金属内部的剪切滑移，它与材料的剪切屈服强度和接触面的大小有关。此后切屑沿前刀面继续流出时，离切削刃越远，正应力就越小，切削温度也随之降低, 使切削层金属的塑性变形减小，刀具和切屑间实际接触面积减小，直到进入l f2内，摩擦性质转变为滑动摩擦。2. 积屑瘤在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在刀具前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块见图7.5.8，这块冷焊在前刀面上的金属就称为积屑瘤。积

42、屑瘤的硬度很高，通常是工件材料的23倍，当它处于比较稳定的状态时，能够代替切削刃进行切削起到了保护刀具的作用，而且增大了实际前角，可减少切屑变形和切削力，但是会引起过量切削（图中的h D ），降低了加工精度，当积屑瘤脱落时，其残片会粘附在已加工表面上恶化表面粗糙度，如果残片粘附在切屑底层会划伤刀具表面，因此在粗加工时可以利用积屑瘤的有利之处，精加工时应避免产生积屑瘤。积屑瘤形成的原因是在温度达到一定时，刀-屑接触长度l f 的l f1接触区间上，当切屑底层材料中剪应力超过材料的剪切屈服强度，滞流层中流动速度为零的切削层就被剪切断裂粘结在前刀面上，由于粘结作用，使得切屑底层的晶粒纤维化程度很高，

43、几乎和前刀面平行，由于这层金属因经受了强烈的剪切滑移作用，产生加工硬化，所以它能代替切削刃继续剪切263 Hb图7.5.8 积屑瘤 图7.5.9切削速度v 与积屑瘤高度Hb 的关系h D h D oe Hb 较软的金属层，这样依次逐层堆积，高度逐渐增大就形成了积屑瘤。长高的积屑瘤在外力或振动作用下会发生局部的破裂和脱落，继而重复生长与脱落。影响积屑瘤产生的主要因素是工件材料和切削速度。工件材料塑性越好，越易生成积屑瘤；实践证明，切削速度很高或很底时，很少生成积屑瘤，在某一速度范围内，积屑瘤容 易生成，图7.5.9是切削速度与积屑瘤高度H b 的关系曲线。此外增大刀具前角、改善前刀面的表面粗糙度

44、、使用合适的切削液，都可减少或避免积屑瘤生成。 7.5.4第变形区第 变形区在刀具后刀面和已加工表面接触的区域上。 oe o o h D h D h r n 图7.5.10已加工表面的形成 v c264 前面在分析第、第两个变形区的情况时，假设刀具的切削刃是绝对锋利的，实际上任何刀具的切削刃口都很难磨得绝对锋利，可认为切削刃具有一个钝圆半径r n ，刀具磨损时，钝圆半径 r n 还将增大，而且刀具开始切削不久，后刀面就会产生磨损，形成一段oe=0。的棱带VB ，因此研究已加工表面的形成过程时，必须考虑切削刃钝圆半径r n 及后刀面磨损棱带VB 的作用。已加工表面的形成过程如图7.5.11所示。

45、当切削层金属以速度V 逐渐接近切削刃时，便发生压缩与剪切变形, 切削刃附近的切削层晶粒更为伸长，成为包围在切削刃周围的纤维层，最后在O 点断裂，O 点以上部分金属成为切屑沿前刀面流出，O 点以下部分金属经过切削刃留在已加工表面上，该部分金属经过切削刃钝圆部分的作用，又受到后刀面磨损棱带VB 的挤压和摩擦后沿刀具后面流出，这样己加工表面会产生变形，金属晶粒被拉伸得更长更细, 其纤维方向平行于已加工表面，使表层的金属具有和基本组织不同的性质，所以称之为加工变质层，其表面粗糙度及内部应力、金相组织决定了已加工表面质量。 265图7.6.1切削合力及其分力7.6切削力金属切削时，刀具切入工件使被切金属层发生变形成为切屑所需要的力称为切削力。研究切削力对刀具、机床、夹具的设计和使用都具有很重要的意义。 7.6.1切削力的来源、合力及其分力金属切削时，力来源于两个方面，其一是克服在切屑形成过程中工件材料对弹性变形和塑性变形的变形抗力，其二是克服切屑与前刀面和后刀面的摩擦阻力。变形力和摩擦力形成了作用在刀具上的合力F 。在切削时合力F 作用在切削刃空间某个方向，由于大小与方向都 不易确定，因此为了便于测量、计算和反映实际作用的需要，常将合力F 分解为互相垂直的F c 、F f 和F p 三个分力，如图7.6.1所示。切削力F