第四讲 金属切削过程的基本规律
一、切屑的形成过程
1．变形区的划分
切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。
图2-10是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图。流线表明被切削金属中的某一点在切削过程中流动的轨迹。切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：
（1）第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。OA线和OM线之间的区域（图中Ⅰ区）称为第一变形区。
（2）第二变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，基本上和前刀面平行。这一区域（图中Ⅱ区）称为第二变形区。
（3）第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成表层金属纤维化与加工硬化。这一区（图中Ⅲ区）称为第三变形区。
在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。OA称作始滑移线，OM称作终滑移线。
当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。晶粒伸长的方向与滑移方向（即剪切面方向）是不重合的，它们成一夹角ψ。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0．02－0．2mm，所以可以用一剪切面来表示（图2－12）。剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角，以φ表示。
2．切屑的受力分析
在直角自由切削的情况下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上的正压力Fns和剪切力Fs；这两对力的合力互相平衡，如图2－14所示。
如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力Fc和Fp，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角β，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数μ。
二、切削变形程度
切削变形程度有三种不同的表示方法，分述如下。
1．变形系数
在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都大于工件切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削层长度lc。切屑厚度hch与切削层厚度hD之比称为厚度变形系数
；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数
。
由于切削层变成切屑后，宽度变化很小，根据体积不变原理，可求得
＝=
2．相对滑移。
既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移（剪应变）。来衡量切削过程的变形程度。图2-l7中，平行四边形OllNM发生剪切变形后，变为平行四边形OCPM，其相对滑移
3．剪切角φ
在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。图2-15为直角自由切削状态下的作用力分析，在垂直于切削合力F方向的平面内剪应力为零，切削合力F的方向就是主应力的方向。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45，即Fs与F的夹角应为45，故有
分析上式可知：
1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。
2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性
能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。
三、前刀面上的摩擦
经测定，切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正应力σ和切向应力τ。在切屑与刀具前刀面接触的OB长度内存在两种不同的接触状态。在靠近切削刃的OA区，由于正应力值大，切屑在前刀面上形成粘结接触，在此区域内，各点的切应力τ基本相同，它等于被切材料的剪切屈服强度τs；在AB区，由于正应力小，切屑在前刀面上形成滑动接触，切屑相对于前刀面的摩擦特性服从古典摩擦法则，各点的摩擦系数μ相同，切应力τ=μσ。
粘结接触区上各点的摩擦系数
由于σ(x)随x变化，故在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦系数是一个变值，离切削刃越远，摩擦系数越大，其平均摩擦系数
四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
1．积屑瘤的形成及其影响
在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块（图2－19），它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2－3倍，这块粘附在前刀面上的金属称为积屑瘤。
切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦，当接触面达到一定温度，同时又存在较高压力时，被切材料会粘结（冷焊）在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上流过时，如果温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊”在前刀面上的金属层上，粘成一体，使粘结层逐步长大，形成积屑瘤。积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；切削区的温度和压力很低时，不会产生积屑瘤；温度太高时，由于材料变软，也不易产生积屑瘤。对碳钢来说，切削区温度处于300－350℃时积屑瘤的高度最大，切削区温度超过500℃积屑瘤便自行消失。在背吃刀量ap和进给量f保持一定时，积屑瘤高度Hb与切削速度vc有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。图2－20中，Ⅰ区为低速区，不产生积屑瘤；Ⅱ区积屑瘤高度随vc的增大而增高；Ⅲ区积屑瘤高度随vc的增大而减小；Ⅳ区不产生积屑瘤。
2．积屑瘤对切削过程的影响
（1）使刀具前角变大
（2）使切削厚度变化
（3）使加工表面粗糙度增大
（4）对刀具寿命的影响
积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：
l）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。
2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。
3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。
4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
五、影响切屑变形的因素
1．工件材料
工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和钢刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力σav增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角β减小，剪切角φ增大，变形系数Λh将随之减小。
2．刀具前角
增大刀具前角γo，剪切角φ将随之增大，变形系数Λh将随之减小；但γo增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力σav减小，使摩擦角β和摩擦系数μ增大而导致φ减小。由于后一方面影响较小，Λh还是随的γo增加而减小。
3．切削速度vc
在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度vc越大，变形系数Λh越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度越高，切削变形越不充分，导致变形系数下降。此外，提高切削速度还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度τs因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数μ减小，使变形系数Λh下降。
4．切削层公称厚度hD
在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度hD越大，变形系数Λh越小。
屑的类型及控制
一、切屑的类型
由于工件材料不同，切削条件各异，切削过程中生成的切屑形状是多种多样的。切屑的形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎四种类型，如图所示。
（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。
（3）粒状切屑又称单元切屑。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。
（4）崩碎切屑加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。
前三种切屑是加工塑性金属时常见的切屑类型。形成带状切屑时，切削过程最平稳，切削力波动小，已加工表面粗糙度较小；形成粒状切屑时切削过程中的切削力波动最大。前三种切屑类型可以随切削条件变化而相互转化，例如，在形成节状切屑工况条件下，如进一步减小前角、降低切削速度或加大切削厚度，就有可能得到粒状切屑；反之，加大前角、提高切削速度或减小切削厚度，就可得到带状切屑。
二、切屑的控制
切屑经第1、第11变形区的剧烈变形后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中，当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部位的应变超过了切屑材料的断裂应变值，切屑就会折断。图2－22所示为切屑碰到工件或刀具后刀面折断的情况。
研究表明，工件材料脆性越大（断裂应变值小）、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断。可采取以下措施对切屑实施控制。
（1）采用断屑槽通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。
（2）改变刀具角度增大刀具主偏角
，切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角
可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角
可以控制切屑的流向，为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑。为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。
（3）调整切削用量提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。
2切削力
3切削热与切削温度
4刀具磨损与刀具耐用度
5材料的切削加工性
6切削液
金属切削层的变形
一、切屑形成过程及变形区的划分
1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。
2、变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）
3、切屑的形成及变形特点
1）第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形
切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。
在下图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第—变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第—变形区，AB面亦称为剪切面。
剪切面AB与切削速度Vc之间的夹角称为剪切角。作用力Fr与切削速度Vc之间的夹角ω称为作用角。
第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。
2）第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形
经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。
应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。
3）第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。
二、切削变形程度的度量方法
1、相对滑移ε
相对滑移ε是用来量度第1变形区滑移变形的程度。如右图，设切削层中A'B'线沿剪切面滑移至A"B"时的距离为△y，事实上△y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为△s。则相对滑移ε表示为：
1、变形系数∧h
变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。
变形系数∧h表示切屑收缩的程度，即
从上图可知，剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减短，切屑厚度hch减小，故∧h变小。它们之间的关系如下
从上面两个公式可知，剪切角与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。
注意：由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而ε值主要从剪切变形考虑；而∧h主要从塑性压缩方面分析。所以，ε与∧h都只能近似地表示切削变形程度。
三、剪切角的确定
剪切角是影响切削变形的一个重要因素。若能预测剪切角的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角的计算式。
其中，按最少能量原则来确定剪切角的计算式为：
按最大剪应力的理论，求出剪切角计算式为：
从上面公式可看出：与γ0、β有关。增大前角γ0、减小摩擦角β，使剪切角增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。
从上面公式也可看出：第2变形区产生的摩擦对第1变形区剪切变形的影响规律。
四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。
1、积屑瘤是如何形成的?
1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。
2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。
3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。
4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。
2、形成积屑瘤的条件：
主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。
1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；
2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。
3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。
3、积屑瘤对切削过程的影响
实际前角增大
它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。
2）使加工表面粗糙度增大
积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。
3）对刀具寿命的影响
积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。
4、防止积屑瘤的主要方法
1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；
2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；
3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；
4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；
5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。
五、切削变形变化规律
从相对滑移ε、变形系数∧h计算式中可知，剪切角与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。
1、前角：增大前角γ0，使剪切角增大，变形系数∧h减小，因此，切削变形减小。
生产实践表明：采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力。
2、切削速度：切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。
3、进给量：进给量f增大，使变形系数∧h减小。
4、工件材料：工件材料硬度、强度提高，切削变形减少。
2.2切屑的类型及控制
一、切屑的类型及其分类(见P20)
由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样，如下图示。图中从左至右前三者为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。切屑的类型是由应力-应变特性和塑性变形程度决定的。
1、带状切屑
它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。
2、挤裂切屑
这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这种切屑大多在切削黄铜或切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。
2、单元切屑
如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。
以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。
假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。
这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。
如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。
以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。
假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。
这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。
4.崩碎切屑
这是属于脆性材料（如铸铁、黄铜等）的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。
从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。
由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。
以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。
二、切屑控制的措施
在现行切削加工中，切削速度与金属切除率达到了很高的水平，切削条件很恶劣，常常产生大量“不可接受”的切屑。
所谓切屑控制（又称切屑处理，工厂中一般简称为“断屑”），是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。
在实际加工中，应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。
2.3切削力
一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率(见P26）
(一）切削力的来源
研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：
1．克服被加工材料对弹性变形的抗力；
2．克服被加工材料对塑性变形的抗力；
3．克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。
（二）切削合力及其分解
上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr（国标为F）。为了实际应用，Fr可分解为相互垂直的Fx（国标为Ff）、Fy（国标为Fp）和Fz（国标为Fc）三个分力。在车削时：
Fz——主切削力或切向力。它切于过渡表面并与基面垂直。Fz是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。
Fx——进给抗力、轴向力或走刀力。它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。
Fx是设计进给（走刀）机构，计算车刀进给功率所必需的。
Fy——切深抗力、或背向力、径向力、吃刀力。它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度（详见第七章），计算机床零件和车刀强度。它与工件在切削过程中产生的振动有关。
（三）切削功率（见P29）
1、单位切削力
单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力，可用下式表示：
单位切削力p可查手册，利用单位切削力P来计算主切削力Fz较为简易直观。
2、切削功率Pm
消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm(国标为Po)。切削功率为力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。于是
Pm=(Fz*Vc+Fx*nw*f/1000)×10-3
其中：Pm—切削功率（KW）；
Fz—切削力（N）；
Vc—切削速度（m/s）；
Fx—进给力（N）；
nw—工件转速（r/s）；
f—进给量（mm/s）。
式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它相对于F所消耗的功率来说，一般很小（<1%～2%），可以略去不计，于是
Pm=FzV×10-3
按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。
PE≥Pm/ηm
式中：ηm—机床的传动效率，一般取为0.75～0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。
3、单位切削功率
单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率。
二、切削力的测定
在生产实际中，切削力的大小一般采用由实验结果建立起来的经验公式计算。在需要较为准确地知道某种切削条件下的切削力时，还需进行实际测量。随着测试手段的现代化，切削力的测量方法有了很大的发展，在很多场合下已经能很精确地测量切削力。切削力的测量成了研究切削力的行之有效的手段。目前采用的切削力测量手段主要有：
1．测定机床功率，计算切削力
用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率PE后，可按下式计算出切削功率Pm
Pm=Peηm
在切削速度Vc为已知的情况下，利用Pm即可求出切削力F。这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确。当要求精确知道切削力的大小时，通常采用测力仪直接测量。
2．用测力仪测量切削力(见P27）
测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出Fz、Fx、Fy的值。在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程。
按测力仪的工作原理可以分为机械、液压和电气测力仪。目前常用的是电阻应变片式测力仪。
三、切削力的经验公式和切削力估算(见P28）
目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。
测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法。即固定其它实验条件，在切削时分别改变背吃刀量ap和进给量f，并从测力仪上读出对应切削力数值，然后经过数据整理求出它们之间的函数关系式。
通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为：
注意：切削力实验公式是在特定的实验条件下求出来的。在计算切削力时，如果切削条件与实验条件不符，需乘一个修正系数KF，它是包括了许多因素的修正系数乘积。修正系数也是用实验方法求出。
四、切削力的变化规律(见P30）
实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。
1、工件材料
（1）硬度或强度提高，剪切屈服强度τs增大，切削力增大。
（2）塑性或韧性提高，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。
2、切削用量
（1）背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，切削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，切削力增大。
由于背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响大(通常XFz=1,YFz=0.75-0.9），所以在实践中，当需切除一定量的金属层时，为了提高生产率，采用大进给切削比大切深切削较省力又省功率。
（2）切削速度vc(见P31图2.20）
1）加工塑性金属时，切削速度Vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。（以车削45钢为例，见下图）
2）切削脆性金属时，因为变形和摩擦均较小，故切削速度Vc改变时切削力变化不大。
3、刀具几何角度(见P32）
（1）前角：前角增大，变形减小，切削力减小。
（2）主偏角：主偏角Kr在300-600范围内增大，由切削厚度hD的影响起主要作用，使主切削力Fz减小；主偏角Kr在600-900范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，
故主切削力Fz增大。
一般地，Kr=600-750,所以主偏角Kr增大，主切削力Fz增大。(见P33图2.22）
Kr增大，使Fy减小、Fx增大。
实践应用，在车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力Fy的作用，往往采用较大的主偏角κr>600的车刀切削。
(3)刃倾角λs：λs对Fz影响较小，但对Fx、Fy影响较大。
λs由正向负转变，则Fx减小、Fy增大。
实践应用，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角λs。特别是在工艺系统刚度较差的情况下，往往因负刃倾角λs增大了切深抗力Fy的作用而产生振动。
4、其它因素(见P34）
（1）刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。
（2）刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。
（3）刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。
2.4切削热和切削温度
切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重要物理现象。切削时做的功，可转化为等量的热。功削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件变形、加速刀具磨损。因此，研究切削热与切削温度具有重要的实用意义。
一、切削热的产生和传导(见P35）
切削热是由切削功转变而来的。如下图所示，其中包括：剪切区变形功形成的热QP、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qrf、已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qαf,因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与已加工表面接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。
产生总的切削热Q，分别传入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qr。切削热的形成及传导关系为：
切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多。
二、切削温度的计算与测量(见P36）
尽管切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度，切削温度一般指切削区域的平均温度θ。
通过切削区域产生的变形功、摩擦功和热传导，可以近似推算出切削温区值。切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间内产生的热q等于消耗的切削功率Pm，即
切削温度的测量方法很多，见下图。
①自然热电偶法自然热电偶法主要是用于测定切削区域的平均温度。
②人工热电偶法人工热电偶法是用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，用它可求得温度分布场和最高温度的位置。
三、影响切削温度的主要因素(见P37）
根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。
分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。
1、切削用量的影响
切削用量是影响切削温度的主要因素。通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。通常在车床上利用测温装置求出切削用量对切削温度的影响关系，并可整理成下列一般公式：
切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。
2、刀具几何参数的影响
切削温度θ随前角γo的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。但前角大于18°～20°后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。（见P37图2.28）
主偏角Κr减小时，使切削宽度hD增大，切削厚度hD减小，因此，切削变形和摩擦增大，切削温度升高。但当切削宽度hD增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角kr减少，切削温度下降。
负倒棱bγ1在(0—2)f范围内变化，刀尖圆弧半径re在0—1.5mm范围内变化，基本上不影响切削温度。因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。
3、工件材料的影响
工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对切削温度的影响是很大的。由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。
4、刀具磨损的影响
在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。
5、切削液的影响
切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。
四、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响
切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高；切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷。
（1）切削温度对工件材料强度和切削力的影响
切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料硬度及强度的影响并不很大；剪切区域的应力影响不很明显。
（2）对刀具材料的影响
适当地提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。
（3）对工件尺寸精度的影响
（4）利用切削温度自动控制切削速度或进给量
（5）利用切削温度与切削力控制刀具磨损
2.5刀具的磨损与破损、刀具寿命及刀具状态监控
一、刀具磨损的形态及其原因
切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。
刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。
刀具正常磨损的形式有以下几种：
1.前刀面磨损2.后刀面磨损3.边界磨损(前、后刀面同时磨损)
从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结（刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象）、扩散（刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀)等引起的。
(1)磨粒磨损
在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。
(2)粘结磨损
刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。
(3)扩散磨损
切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。
(4)相变磨损
当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。
(5)氧化磨损
氧化磨损是一种化学性质的磨损。
刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。
1）在低、中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。通常拉削、铰孔和攻丝加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。
2）在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。
二、刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命
1、刀具磨损过程
随着切削时间的延长，刀具磨损增加。根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：
A.初期磨损阶段
B.正常磨损阶段
C.急剧磨损阶段
2、刀具磨钝标准
刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。规定后刀面上均匀磨损区的高度VB值作为刀具的磨钝标准。
3、刀具的耐用度（刀具寿命）
一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具的耐用度，用T分钟表示。又称为刀具寿命。
三、刀具的破损
刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式。刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力（切削力或热应力），就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损。刀具的破损有早期和后期（加工到一定的时间后的破损）两种。刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。硬质合金和陶瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发生脆性破损。脆性破损又分为：
1.崩刀
2.碎断
3.剥落
4.裂纹破损。
五、刀具寿命(刀具耐用度)的选择原则
切削用量与刀具寿命有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。
比较最高生产率耐用度Tp与最低生产成本耐用度Tc可知：Tc＞Tp。生产中常根据最低成本来确定耐用度，但有时需完成紧急任务或提高生产率且对成本影响不大的情况下，也选用最高生产率耐用度。刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。
选择刀具寿命时可考虑如下几点：
（1）根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。
（2）对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15～30min。
（3）对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。
（4）车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些；当某工序单位时间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。
（5）大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。
六、影响刀具耐用度T的因素
1、切削用量
切削用量对刀具耐用度Ｔ的影响规律如同对切削温度的影响。
切削速度vc、背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，使切削温度提高，刀具耐用度Ｔ下降。
Vc影响最大、进给量f其次，ap影响最小。
根据刀具耐用度合理数值T计算的切削速度称为刀具耐用度允许的切削速度，用VT表示
其计算式为：
显然低成本允许的切削速度低于高生产率允许的切削速度。
2、工件材料
（1）硬度或强度提高，使切削温度提高，刀具磨损加大，刀具耐用度Ｔ下降。
（2）工件材料的延伸率越大或导热系数越小，切削温度越高，刀具耐用度Ｔ下降。
3、刀具几何角度
（1）前角对刀具耐用度的影响呈“驼峰形”。
（2）主偏角Κr减小时，使切削宽度bD增大，散热条件改善，故切削温度下降，刀具耐用度Ｔ提高。
4、刀具材料
刀具材料的高温硬度越高、越耐磨，刀具耐用度Ｔ越高。
加工材料的延伸率越大或导热系数越小，均能使切削温度升高因而使刀具耐用度T降低。
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