1、第第 1 1 章章 金属切削原理金属切削原理1-1 基本定义基本定义1.1.金属切削过程金属切削过程 刀具从工件上切除多余的金属的过程，并使工件得到符刀具从工件上切除多余的金属的过程，并使工件得到符合图纸要求的合图纸要求的尺寸、形状尺寸、形状和和表面质量表面质量。必须具备以下三个条件：必须具备以下三个条件：1.1.工件和刀具之间要有相对运动及，即切削运动；工件和刀具之间要有相对运动及，即切削运动；2.2.刀具材料必须具备一定的切削性能；刀具材料必须具备一定的切削性能；3.3.刀具必须有合理的几何参数，即切削角度等。刀具必须有合理的几何参数，即切削角度等。一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削
2、用量1.1.工件加工表面工件加工表面 待加工表面待加工表面已加工表面已加工表面过渡表面过渡表面（切削表面）（切削表面）在切削过程中，工件上存在三个不断变化的表面：在切削过程中，工件上存在三个不断变化的表面：一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量2.2.切削运动切削运动通常，切削运动通常，切削运动按其作用可分为按其作用可分为主运主运动动和和进给运动进给运动，这两，这两个运动的向量和，称个运动的向量和，称为为合成切削运动合成切削运动。工件和刀具之间的相对运动。工件和刀具之间的相对运动。一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量2.2.切削运动切削运动主运动主运动 是实现切除工件或毛坯上多余
3、金属，形成工件新是实现切除工件或毛坯上多余金属，形成工件新表面所必须的基本运动。表面所必须的基本运动。方向：方向：在不考虑在不考虑进给运动的条件下，进给运动的条件下，切削刃上选定点切削刃上选定点相对相对于工件的瞬时运动方于工件的瞬时运动方向。向。特点：特点：速度高、消耗功率最大；速度高、消耗功率最大；主运动只有且必须有一个主运动只有且必须有一个。一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量2.2.切削运动切削运动进给运动进给运动 是实现依次地或连续不断地切除金属是实现依次地或连续不断地切除金属,形成已加形成已加工表面的附加运动。工表面的附加运动。方向：方向：在不考虑主运在不考虑主运动的条件下，
4、动的条件下，切削刃上选切削刃上选定点定点相对于工件的瞬时运相对于工件的瞬时运动方向（进给方向）。动方向（进给方向）。特点：特点：速度低、消耗功率小；速度低、消耗功率小；进给运动可以是一个或多个进给运动可以是一个或多个运动的合成运动运动的合成运动。一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量2.2.切削运动切削运动不同切削加工的切削运动不同切削加工的切削运动 一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量2.2.切削运动切削运动方向方向：切削刃上选：切削刃上选定点相对于工件的瞬时定点相对于工件的瞬时合成运动方向。合成运动方向。合成切削运动合成切削运动是同时存在的主运动和进给运动合成的运动。是同时存
5、在的主运动和进给运动合成的运动。V Ve e=V=Vc c+V+Vf f一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量2.2.切削运动切削运动进给运动角进给运动角瞬时主运动方向与进给瞬时主运动方向与进给运动方向之间的夹角。运动方向之间的夹角。合成切削速度角合成切削速度角瞬时主运动方向与瞬时主运动方向与合成切削运动方向之间合成切削运动方向之间的夹角。的夹角。一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量2.2.切削运动切削运动一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量3.3.切削用量切削用量 切削用量三要素切削用量三要素：切削速度切削速度 进给速度（进给量）进给速度（进给量）背吃刀量背吃刀量 一、
6、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量3.3.切削用量切削用量 1 1）切削速度）切削速度 VcVc 切削刃上选定点相对于工件切削刃上选定点相对于工件沿主运动方向沿主运动方向的瞬时速度。的瞬时速度。单位：单位：m/sm/s或或m/minm/min（r/sr/s或或r/min)r/min)一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量3.3.切削用量切削用量 2 2）进给速度）进给速度 V Vf f 切削切削刃上选定点相对于工件沿进给运动方向的瞬时切削切削刃上选定点相对于工件沿进给运动方向的瞬时速度。速度。单位：单位：mm/smm/s或或m/minm/min一、切削运动与切削用量一、切削运动与切
7、削用量3.3.切削用量切削用量 2 2）进给速度）进给速度 V Vf f进给量进给量 f f：工件或刀具每回转一周或往返一个行程时，两者沿：工件或刀具每回转一周或往返一个行程时，两者沿进给运动方向的相对位移。进给运动方向的相对位移。单位：单位：mm/rmm/r或或mm/dstrmm/dstr（double double strokestroke双行程）双行程）例如，车削时进给速度例如，车削时进给速度 V Vf f=fn=fn 每齿进给量每齿进给量 fzfz：在用多刃刀具进行切削时，后一个刀齿相对：在用多刃刀具进行切削时，后一个刀齿相对前一个刀齿的进给量。前一个刀齿的进给量。f=zfz f=zf
8、z，单位：单位：mm/mm/齿齿 例如，铣削时进给速度为例如，铣削时进给速度为 V Vf f=fn=zfzn=fn=zfzn一、切削运动与切削用量一、切削运动与切削用量3.3.切削用量切削用量 3 3）背吃刀量）背吃刀量 a ap p（在基面上）垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸。（在基面上）垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸。单位：单位：mm mm 例如，外圆车削例如，外圆车削:a:ap p(d(dw w-d-dm m)/2)/2 二、刀具几何参数二、刀具几何参数1.1.刀具切削部分的组成要素刀具切削部分的组成要素 刀具由刀具由工作部分工作部分和和非工作部分非工作部分构成。构成。以外
9、圆车刀为例来介绍其几何参数。以外圆车刀为例来介绍其几何参数。“三面三面”“两刃两刃”“一尖一尖”二、刀具几何参数二、刀具几何参数1.1.刀具切削部分的组成要素刀具切削部分的组成要素 刀具由刀具由工作部分工作部分和和非工作部分非工作部分构成。构成。（1 1）前刀面）前刀面 A A 切屑流过的刀面。切屑流过的刀面。（2 2）主后刀面）主后刀面 AA 与工件正在被切削加工的表面与工件正在被切削加工的表面 （过渡（过渡表面）相对的刀面。表面）相对的刀面。（3 3）副后刀面）副后刀面 A A 与工件已切削加工的表面相对的刀面。与工件已切削加工的表面相对的刀面。二、刀具几何参数二、刀具几何参数1.1.刀具
10、切削部分的组成要素刀具切削部分的组成要素 刀具由刀具由工作部分工作部分和和非工作部分非工作部分构成。构成。（4 4）主切削刃）主切削刃SS 前面与主后面在空间的交线。前面与主后面在空间的交线。（5 5）副切削刃）副切削刃SS 前面与副后面在空间的交线。前面与副后面在空间的交线。二、刀具几何参数二、刀具几何参数2.2.定义刀具角度的参考系定义刀具角度的参考系 用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系。用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系。参考系可分为：参考系可分为：刀具静止参考系刀具静止参考系：在设计、制造、刃磨和测量时，用于定：在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的
11、参考系称为刀具静止参考系或标注角度参义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。在该参考系中定义的角度称为考系。在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度刀具的标注角度。刀具工作参考系刀具工作参考系：在考虑进给运动在内的合成切削运动和：在考虑进给运动在内的合成切削运动和刀具实际安装情况下的参考系称为刀具工作参考系。在该参刀具实际安装情况下的参考系称为刀具工作参考系。在该参考系中的角度称为考系中的角度称为刀具的工作角度刀具的工作角度。二、刀具几何参数二、刀具几何参数2.2.定义刀具角度的参考系定义刀具角度的参考系 最常用的刀具标注角度参考系最常用的刀具标注角度参考系正交平面参考系正交
12、平面参考系法平面参考系法平面参考系假定工作平面与背平假定工作平面与背平面参考系面参考系二、刀具几何参数二、刀具几何参数2.2.定义刀具角度的参考系定义刀具角度的参考系 1）正交平面参考系）正交平面参考系 组成：组成：基面基面PrPr 通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。切削平面切削平面PsPs 通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。削刃相切的平面。正交平面正交平面PoPo 通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平通过
13、切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。面垂直的平面。二、刀具几何参数二、刀具几何参数2.2.定义刀具角度的参考系定义刀具角度的参考系 2）法平面参考系）法平面参考系 组成：组成：基面基面Pr Pr 切削平面切削平面PsPs 法平面法平面PnPn 通过切削刃上选定点，垂直于主切削刃或其切线通过切削刃上选定点，垂直于主切削刃或其切线的平面。的平面。2.2.定义刀具角度的参考系定义刀具角度的参考系 3）假定工作平面与背平面参考系）假定工作平面与背平面参考系 组成：组成：基面基面PrPr 假定工作平面假定工作平面P Pf f 通过切削刃上选定点，垂直于该点基面且通过切削刃上选定点，垂直于该点
14、基面且平平行于假定进给运动方向行于假定进给运动方向的平面。的平面。背平面背平面P Pp p 通过切削刃上选定点，垂直于该点基面且通过切削刃上选定点，垂直于该点基面且垂直于假垂直于假定进给运动方向定进给运动方向的平面。的平面。二、刀具几何参数二、刀具几何参数3.3.刀具的标注角度刀具的标注角度以以外圆车刀外圆车刀在在正交平面参考系正交平面参考系中的角度为例中的角度为例（1 1）主偏角）主偏角rr 主切削刃在基面上的投影与进给运动主切削刃在基面上的投影与进给运动速度速度V Vf f方向之间的夹角。方向之间的夹角。（2 2）副偏角）副偏角rr副切削刃在基面上的投影与进给运动速副切削刃在基面上的投影与
15、进给运动速度度vfvf反方向之间的夹角。反方向之间的夹角。（3 3）刀尖角）刀尖角rr 主、副切削刃在基面上的投影之间的主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。夹角，它是派生角度。r=180r=180-(r-(r r)r)。rr是是标注角度是否正确的验证公式之一。标注角度是否正确的验证公式之一。1 1）基面中测量的刀具角度）基面中测量的刀具角度 二、刀具几何参数二、刀具几何参数3.3.刀具的标注角度刀具的标注角度二、刀具几何参数二、刀具几何参数3.3.刀具的标注角度刀具的标注角度 2 2）切削平面中测量的刀具角度）切削平面中测量的刀具角度（1 1）刃倾角）刃倾角ss 主切削刃与基面
16、之间的夹角。主切削刃与基面之间的夹角。在切削平面内标注或测量，但有正、负之分。在切削平面内标注或测量，但有正、负之分。当主切削刃与基面平行时当主切削刃与基面平行时s=0s=0；当刀尖点相对基面处当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时于主切削刃上的最高点时ss0 0；反之，；反之，s0s0。二、刀具几何参数二、刀具几何参数3.3.刀具的标注角度刀具的标注角度二、刀具几何参数二、刀具几何参数3.3.刀具的标注角度刀具的标注角度 3 3）正交平面中测量的刀具角度）正交平面中测量的刀具角度 (1)(1)前角前角o o 前刀面与基面之间的夹角。前刀面与基面之间的夹角。(2)(2)后角后角o o 后刀面
17、与切削平面之间的夹角。后刀面与切削平面之间的夹角。(3)(3)楔角楔角o o 前刀面与后刀面之间的夹角。前刀面与后刀面之间的夹角。楔角楔角是个派生角。它与是个派生角。它与前角、后角有如下的关系：前角、后角有如下的关系：oo9090(o(oo)o)，oo也是判断标注是否正确也是判断标注是否正确的验证式之一。的验证式之一。二、刀具几何参数二、刀具几何参数3.3.刀具的标注角度刀具的标注角度二、刀具几何参数二、刀具几何参数3.3.刀具的标注角度刀具的标注角度 4 4）其它角度）其它角度 （1 1）副后角）副后角oo在通过副切削刃上选定点的正交平面在通过副切削刃上选定点的正交平面popo内的副后刀面与
18、副切削平面之间的夹角。内的副后刀面与副切削平面之间的夹角。（2 2）余偏角）余偏角rr 主切削刃在基面上的投影与进给方向垂线主切削刃在基面上的投影与进给方向垂线之间的夹角，之间的夹角，r=90r=90-r-r。二、刀具几何参数二、刀具几何参数4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 刀具在工作状态下的切削角度（即工作角度），应刀具在工作状态下的切削角度（即工作角度），应该该考虑包括进给运动在内的合成切削运动和刀具的实际安考虑包括进给运动在内的合成切削运动和刀具的实际安装情况装情况，因而它的参考系也就不同于标注角度参考系，各，因而它的参考系也就不同于标注角度参考系，各参考平面的空间位置也相应的有所改
19、变。参考平面的空间位置也相应的有所改变。二、刀具几何参数二、刀具几何参数4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 基面基面PrePre 通过切削刃上选定通过切削刃上选定点，垂直于该点点，垂直于该点合成切削速合成切削速度度方向的平面。方向的平面。基面基面PrPr 通过切削刃上选定点，通过切削刃上选定点，垂直于该点垂直于该点切削速度切削速度方向的方向的平面。通常平行于车刀的安平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。装面（底面）。合成切削速度角合成切削速度角二、刀具几何参数二、刀具几何参数4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 1 1）横向进给运动对刀具工作角度的影响）横向进给运动对刀具工作角度的影响 二、
20、刀具几何参数二、刀具几何参数4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 1 1）横向进给运动对刀具工作角度的影响）横向进给运动对刀具工作角度的影响 当横向进给量当横向进给量f f一定一定时，切削刃愈接近工件中心，时，切削刃愈接近工件中心，值值愈小愈小，值急剧增大，值急剧增大，工作后角工作后角oeoe将变为负值。因此，将变为负值。因此，对于横向切削不宜选用过大的进给量对于横向切削不宜选用过大的进给量f f，并应适当加大刀，并应适当加大刀具标注后角具标注后角oo。二、刀具几何参数二、刀具几何参数4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 2 2）纵向进给运动对刀具工作角度的影响）纵向进给运动对刀具工作角度的影
21、响 二、刀具几何参数二、刀具几何参数4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 3 3）刀具安装高度工作角度的影响）刀具安装高度工作角度的影响 二、刀具几何参数二、刀具几何参数4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 3 3）刀具安装高度工作角度的影响）刀具安装高度工作角度的影响 二、刀具几何参数二、刀具几何参数4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 4 4）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响 三、切削层参数三、切削层参数 切削层是指在切削过程中，由切削层是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个刀具在切削部分的一个单一动作单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只
22、产（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层所切除的工件材料层。三、切削层参数三、切削层参数切削层厚度切削层厚度h hD D 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。的切削层参数。h hD Dfsinr fsinr 切削层宽度切削层宽度b bD D 平行于正在加工的表面（过渡表面）度平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。量的切削层参数。b bD Da ap psinr sinr 切削层横截面积切削层横截面积A AD D 在切削层参数平面内度量的横截面在切削层参数平面内度量的横
23、截面积。积。A AD Dh hD DbbD D=a=ap pf f 上述公式中可看出上述公式中可看出 h hD D、b bD D均与主偏角有关，但切削层均与主偏角有关，但切削层横截面积横截面积 A AD D 只与只与 h hD D、b bD D 或或 f f、a ap p有关。有关。三、切削层参数三、切削层参数切削层厚度切削层厚度h hD D 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。的切削层参数。h hD Dfsinr fsinr 切削层宽度切削层宽度b bD D 平行于正在加工的表面（过渡表面）度平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。
24、量的切削层参数。b bD Da ap psinr sinr 切削层横截面积切削层横截面积A AD D 在切削层参数平面内度量的横截面在切削层参数平面内度量的横截面积。积。A AD Dh hD DbbD D=a=ap pf f 上述公式中可看出上述公式中可看出 h hD D、b bD D均与主偏角有关，但切削层均与主偏角有关，但切削层横截面积横截面积 A AD D 只与只与 h hD D、b bD D 或或 f f、a ap p有关。有关。三、切削层参数三、切削层参数切削层厚度切削层厚度h hD D 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。的切削层参
25、数。h hD Dfsinr fsinr 切削层宽度切削层宽度b bD D 平行于正在加工的表面（过渡表面）度平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。量的切削层参数。b bD Da ap psinr sinr 切削层横截面积切削层横截面积A AD D 在切削层参数平面内度量的横截面在切削层参数平面内度量的横截面积。积。A AD Dh hD DbbD D=a=ap pf f 上述公式中可看出上述公式中可看出 h hD D、b bD D均与主偏角有关，但切削层均与主偏角有关，但切削层横截面积横截面积 A AD D 只与只与 h hD D、b bD D 或或 f f、a ap p有关。有关。
26、1-2 刀具材料刀具材料刀具材料通常是指刀具刀具材料通常是指刀具切削部分的材料切削部分的材料。加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。因此，刀具材料的合理选择。因此，材料、结构材料、结构和和几何形状几何形状是决是决定定刀具切削性能刀具切削性能的主要因素。的主要因素。金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料具备一定性能。要求刀具材料具备一定性能。硬度硬度：必须高于工件的硬度，一般常温硬度不低于：必须高于工件的硬度，一般常温硬度不低于HRC62HRC62；
27、强度和韧性强度和韧性：能够承受切削中的压力、冲击和振动，避：能够承受切削中的压力、冲击和振动，避免崩刃和折断。免崩刃和折断。耐磨性耐磨性：通常硬度高则耐磨；：通常硬度高则耐磨；耐热性耐热性（热硬性）：在高温下保持较高硬度、耐磨性、（热硬性）：在高温下保持较高硬度、耐磨性、硬度和冲击韧性；硬度和冲击韧性；化学稳定性化学稳定性：高温下抗氧化、抗黏结和扩散；：高温下抗氧化、抗黏结和扩散；一、刀具材料应具备的性能一、刀具材料应具备的性能 导热性导热性：导热系数大、散热性好，可降低切削区温度，：导热系数大、散热性好，可降低切削区温度，延长刀具寿命；延长刀具寿命；热变形热变形：热膨胀系数小、热变形小，有利
28、于工件尺寸精：热膨胀系数小、热变形小，有利于工件尺寸精度的稳定；度的稳定；工艺性工艺性：加工性好，如锻、焊接、热处理、机加工；：加工性好，如锻、焊接、热处理、机加工；经济性经济性：资源丰富，价格低廉。：资源丰富，价格低廉。一、刀具材料应具备的性能一、刀具材料应具备的性能 早期的刀具材料早期的刀具材料 主要是高碳钢，现在仍用于低速刀具，如主要是高碳钢，现在仍用于低速刀具，如锉刀、手锯条（渗碳钢）等，其切削速度只有锉刀、手锯条（渗碳钢）等，其切削速度只有5m/min5m/min左右；左右；19101910年年 出现了高速钢，切削速度提高到出现了高速钢，切削速度提高到30m/min30m/min；1
29、9301930年年 出现了硬质合金，切削速度提高到出现了硬质合金，切削速度提高到100m/min100m/min以上；以上；现在现在 刀具技术仍在不断进步，涂层刀具（在韧性基体上用刀具技术仍在不断进步，涂层刀具（在韧性基体上用物理气相沉积法物理气相沉积法PVDPVD或化学气相沉积法或化学气相沉积法CVDCVD涂上硬度很高涂上硬度很高的薄膜）、采用超硬刀具材料，进一步提高了切削性能。的薄膜）、采用超硬刀具材料，进一步提高了切削性能。常用刀具材料有常用刀具材料有碳素工具钢碳素工具钢(如如T10AT10A、T12A)T12A)、合金工具钢合金工具钢（如（如9SiCr9SiCr、CrWMnCrWMn）
30、、）、高速钢高速钢、硬质合金硬质合金、陶瓷陶瓷、金刚石金刚石、立方炭化硼立方炭化硼等。等。二、常用刀具材料二、常用刀具材料常用刀具材料的种类及其特性常用刀具材料的种类及其特性 碳素工具钢碳素工具钢 高速钢高速钢 硬质合金硬质合金 其它刀具材料其它刀具材料（涂层刀具、陶瓷、金刚石、立方氮（涂层刀具、陶瓷、金刚石、立方氮化硼化硼 ）优点、缺点、种类、常用牌号、应用等优点、缺点、种类、常用牌号、应用等二、常用刀具材料二、常用刀具材料1-3 金属切削过程金属切削过程 金属切削过程金属切削过程：是刀具从工件表面切除多余金属，从切：是刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程
31、。屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程。在切削过程中，产生了在切削过程中，产生了切削变形切削变形、切削力切削力、切削热与切切削热与切削温度削温度、刀具磨损刀具磨损等各种现象，分析产生诸现象的原因及对等各种现象，分析产生诸现象的原因及对切削过程的影响规律，以解决生产上出现的各种问题，如改切削过程的影响规律，以解决生产上出现的各种问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀具善工件材料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀具几何参数与切削用量等。对提高生产率，保证加工质量，降几何参数与切削用量等。对提高生产率，保证加工质量，降低生产成本起着重要的作用。低生产成本起着重要的作用
32、。1-3 金属切削过程金属切削过程待加工表面、待加工表面、已加工表面、已加工表面、过渡表面过渡表面（切削表（切削表面）。面）。在切削过程中，工件上存在三个不断变化的表面：在切削过程中，工件上存在三个不断变化的表面：1-3 金属切削过程金属切削过程一、切削层的变形一、切削层的变形 以塑性材料的切屑形成为例，说明金属切削层的变形。以塑性材料的切屑形成为例，说明金属切削层的变形。切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材料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受挤压作用用，产生，产生塑性变形塑性变形进而产生进而产生剪切滑移剪切滑移的变形过程。的变形过程。一、切削层的变形一、切削层的变形 通
33、常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变形区。通常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变形区。第第变形区变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；第第变形区变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；第第变形区变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。近切削刃处已加工表层内产生的变形区。一、切削层的变形一、切削层的变形1.1.第一变形区第一变形区 塑性变形从塑性变形从始滑移面始滑移面OAOA开始至开始至终滑移面终滑移面OMOM终了，之间形成终了，之间形成AOMAOM塑性变形区。塑性变形区。主要特征主要特征是金属沿滑移面的是
34、金属沿滑移面的剪切变形剪切变形，随之产生的，随之产生的加工加工硬化硬化现象。现象。一、切削层的变形一、切削层的变形1.1.第一变形区第一变形区 1)1)剪切面剪切面:OA:OA与与OMOM非常接近，通常用非常接近，通常用OOOO面面来表示该剪切来表示该剪切区。区。一、切削层的变形一、切削层的变形1.1.第一变形区第一变形区 2)2)剪切角剪切角:剪切面与切削速度剪切面与切削速度(主运动主运动)方向之间的夹角方向之间的夹角称为剪切角。称为剪切角。剪切角反映了切削变形的程度，剪切角反映了切削变形的程度，剪切角小则变形大剪切角小则变形大。一、切削层的变形一、切削层的变形2.2.第二变形区第二变形区
35、当切屑沿前刀面流动时，会进一步受到前刀面的强烈挤压当切屑沿前刀面流动时，会进一步受到前刀面的强烈挤压和摩擦，进一步发生变形，变形主要集中在与前刀面摩擦的切和摩擦，进一步发生变形，变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属区域（第屑底面一薄层金属区域（第变形区）。变形区）。主要特征主要特征是是“纤维化纤维化”塑性变形塑性变形，晶粒纤维化的方向和前，晶粒纤维化的方向和前刀面平行。切屑底面光滑、外侧呈毛茸状。刀面平行。切屑底面光滑、外侧呈毛茸状。一、切削层的变形一、切削层的变形 2.2.第二变形区第二变形区 1 1）刀）刀屑接触区的挤压与摩擦屑接触区的挤压与摩擦 接触界面处压强大（达接触界面处压
36、强大（达2 23GPa3GPa）、温度高，新鲜的切屑底）、温度高，新鲜的切屑底面。面。在在粘结区粘结区，切屑底层与前刀面呈现，切屑底层与前刀面呈现冷焊状态冷焊状态，切屑底层的，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流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层滞流层。一、切削层的变形一、切削层的变形 2.2.第二变形区第二变形区 1 1）刀）刀屑接触区的挤压与摩擦屑接触区的挤压与摩擦 “内摩擦内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，也就是金属也就是金属内部的剪切滑移内部的剪切滑移。切屑离开粘结区后进入切屑离开粘结区后进入滑动区
37、滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅。在该区域内刀屑间的摩擦仅为为外摩擦外摩擦。一、切削层的变形一、切削层的变形 2.2.第二变形区第二变形区 2 2）积屑瘤）积屑瘤 在中低速切削在中低速切削塑性金属材料塑性金属材料时时,常在刀具常在刀具前面刃口处前面刃口处形成形成一块硬度很高的楔块，称之为一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤积屑瘤。一、切削层的变形一、切削层的变形 2.2.第二变形区第二变形区 2 2）积屑瘤）积屑瘤 特点：特点：硬度高，比工件基体硬度高硬度高，比工件基体硬度高2 23 3倍；以一定的频率反复生长和脱倍；以一定的频率反复生长和脱落。落。形成原因：形成原因：滞流层金属不断堆积的结滞流层
38、金属不断堆积的结果。果。影响因素：影响因素：积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬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。化程度有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。一、切削层的变形一、切削层的变形 2.2.第二变形区第二变形区 2 2）积屑瘤）积屑瘤 对切削过程的影响：对切削过程的影响：优点：优点：稳定的积屑瘤代替刀刃进行切削，延长刀具寿命；稳定的积屑瘤代替刀刃进行切削，延长刀具寿命；加大刀具的工作前角，使变形下降，切削容易。加大刀具的工作前角，使变形下降，切削容易。缺点：缺点：形状极不规则，影响加工精度和表面粗糙度；形状极不规则，影响加
39、工精度和表面粗糙度；不稳定积屑瘤的频繁脱落，加速刀具的磨损，产生振动。不稳定积屑瘤的频繁脱落，加速刀具的磨损，产生振动。在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，但在粗加工时，有时但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。可充分利用积屑瘤。一、切削层的变形一、切削层的变形 2.2.第二变形区第二变形区 2 2）积屑瘤）积屑瘤 抑制或消除积屑瘤的措施抑制或消除积屑瘤的措施采用低速或高速切削，以切削采用低速或高速切削，以切削4545钢为例，在低速钢为例，在低速vcvc3m/min3m/min和和较高速度较高速度vc60m/minvc60m/min范围内不易形成积屑瘤；范围内
40、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；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；适当减少进给量、增大刀具前角；适当提高工件材料的硬度；适当提高工件材料的硬度；提高刀具的刃磨质量；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。合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。一、切削层的变形一、切削层的变形 3.3.第三变形区第三变形区 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（第三变形区（）。）。由于刀具刃口不可能绝对锋利由于刀具刃口不可能绝对锋利,钝圆半径钝
41、圆半径的存在使切削层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很小一部分被挤压到已加工表面到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量性变形，从而影响已加工表面质量。主要特征：主要特征：已加工表面已加工表面的的纤维化纤维化，形成，形成加工变质加工变质层层。一、切削层的变形一、切削层的变形 3.3.第三变形区第三变形区 刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已加工已加工表面产生剧烈的塑性变形表面产生
42、剧烈的塑性变形。塑性变形造成已加工表面塑性变形造成已加工表面加工硬化加工硬化及表面层的及表面层的残余应力残余应力。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。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。素。已加工表面已加工表面的形成过程的形成过程 1-3 金属切削过程金属切削过程 由于工件材料、刀具角度和切削用量的不同，切削过由于工件材料、刀具角度和切削用量的不同，切削
43、过程中变形情况也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多程中变形情况也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样。样。从变形观点出发，可将切屑归为以下四种状态。从变形观点出发，可将切屑归为以下四种状态。二、切屑的类型二、切屑的类型1.1.带状切屑带状切屑 2.2.挤裂切屑挤裂切屑3.3.单元切屑单元切屑4.4.崩碎切屑崩碎切屑 二、切屑的类型二、切屑的类型1.1.带状切屑带状切屑外形特征外形特征：内表面光滑，外表面毛茸。：内表面光滑，外表面毛茸。形成条件形成条件：加工：加工塑性材料塑性材料、高切削速度、小切削厚度、大的、高切削速度、小切削厚度、大的刀具前角。刀具前角。特特 点点：切削过程平稳，切削力波
44、动较小，已加工表面粗糙切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙 度小。度小。不易断屑、影响加工过程和安全。不易断屑、影响加工过程和安全。二、切屑的类型二、切屑的类型1.1.带状切屑带状切屑二、切屑的类型二、切屑的类型2 2、挤裂切屑、挤裂切屑 外形特征外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形，如骨节状。：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形，如骨节状。形成条件形成条件：加：加工塑性材料工塑性材料、中等切削速度、切削厚度较大或、中等切削速度、切削厚度较大或刀具前角较小。刀具前角较小。特特 点点：切屑冷硬度高，脆且易断，已加工表面粗糙度小。切屑冷硬度高，脆且易断，已加工表面粗糙度小。切削力幅值大
45、，且波动明显，易产生振动。切削力幅值大，且波动明显，易产生振动。二、切屑的类型二、切屑的类型3 3、单元切屑、单元切屑 外形特征外形特征：刀屑沿挤裂面完全断开成单元状。：刀屑沿挤裂面完全断开成单元状。形成条件形成条件：加工：加工塑性较差的材料塑性较差的材料、切削速度很低、切削厚度、切削速度很低、切削厚度很大或刀具前角很小。很大或刀具前角很小。特特 点点：切削力波动大，振动明显，已加工表面非常粗糙、切削力波动大，振动明显，已加工表面非常粗糙、有振纹。有振纹。应尽量避免产生应尽量避免产生单元切屑。单元切屑。二、切屑的类型二、切屑的类型4 4、崩碎切屑、崩碎切屑 外形特征外形特征：刀屑呈不规则碎块状
46、。：刀屑呈不规则碎块状。形成条件形成条件：切削：切削脆性材料脆性材料，如铸铁、黄铜等。，如铸铁、黄铜等。特特 点点：切削力幅值较小但波动幅度大，易产生振动，已切削力幅值较小但波动幅度大，易产生振动，已加工表面粗糙度较大。加工表面粗糙度较大。1-4 切削力与切削热切削力与切削热切削力的分析及计算切削力的分析及计算 影响切削力的因素影响切削力的因素 切削热的产生与传导切削热的产生与传导 影响切削温度的因素影响切削温度的因素 一、切一、切 削削 力力 1.1.切削力的来源切削力的来源 变形区内产生的变形区内产生的弹性变弹性变形抗力形抗力和和塑性变形抗力塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间的切屑、工件与刀
47、具间的摩擦力摩擦力。切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需要的力称为屑所需要的力称为切削力切削力。一、切一、切 削削 力力 2.2.切削力的分解切削力的分解 切削力切削力F Fc c 切于过渡表面，切于过渡表面，并垂直于基面。并垂直于基面。进给力进给力F Ff f 处于基面内与进处于基面内与进给方向相反。给方向相反。背向力背向力F Fp p 处于基面内并垂处于基面内并垂直于进给方向。直于进给方向。为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小,通常将通常将合力合力F Fr r分解为
48、相互垂直的三个分力：分解为相互垂直的三个分力：切削力切削力F Fc c 、进给进给力力F Ff f 、背向力背向力F Fp p。一、切一、切 削削 力力 3.3.切削力计算的经验公式切削力计算的经验公式 一、切一、切 削削 力力 4.4.影响切削力的因素影响切削力的因素 材料的强度、硬度越高材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，则屈服强度越高，切削力越大切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大切削力也就越大。主要有四个方面：主要有四个方面：工件材料工件
49、材料、切削用量切削用量、刀具几何参刀具几何参数数及及其它方面的因素其它方面的因素。1 1）工件材料）工件材料 一、切一、切 削削 力力 4.4.影响切削力的因素影响切削力的因素 背吃刀量背吃刀量a ap p增大增大，切削力增大切削力增大。进给量进给量f f增大增大，切削力增大，但比切削力增大，但比a ap p影响小影响小。实际加工中，加大实际加工中，加大f f比加大比加大a ap p有利。有利。1 1）工件材料）工件材料 2 2）切削用量）切削用量 一、切一、切 削削 力力 4.4.影响切削力的因素影响切削力的因素 背吃刀量背吃刀量a ap p进给量进给量f f切削速度切削速度V VC C:1
50、 1）工件材料）工件材料 2 2）切削用量）切削用量 a.a.切削速度在切削速度在5 520m/min20m/min区域内增加时，积区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；b.b.切削速度在切削速度在202035m/min35m/min范围内增加，积范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；屑瘤逐渐消失，切削力增加；c.c.在切削速度大于在切削速度大于35m/min35m/min时，由于切削温时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。度上升，摩擦系数减小，切削力下降。d.d.一般切削速度超过一般切削速度超过90m/min90m/min时，切削力无时，切削
