切削过程中的物理现象

17.4.1 金属的切削过程与三个变形区

金属的切削过程是刀具在切削运动中，从工件表面切下多余的金属、而形成已加工表面的过程。揭示切削过程的变化规律，是研究切削力、切削热、刀具磨损及加工表面质量的基础，对合理使用与设计刀具、保证加工质量、提高生产效率、降低生产成本等，都具有十分重要的意义。

下面以切削塑性金属材料的切屑形成过程为例，分析金属切削层的变形及其规律。在刀具切削刃附近的切削层，传统上将其分为三个变形区域，如图17－12所示。

图17－12 三个变形区

1.第一变形区Ⅰ

从OA开始到OM线之间是切削层的塑性变形区，是切削变形的主要区域，又称基本变形区。该区的变形量最大，消耗大部分切削功率，并产生大量的切削热。常用它来说明切削过程的变化情况。

2.第二变形区Ⅱ

切屑沿前刀面排出时受到前刀面推挤与摩擦，进一步产生塑性变形，使得靠近前刀面处的金属纤维化，纤维化的方向基本与前刀面平行。切屑与前刀面相接触的靠近刀面的极薄的一层区域称为第二变形区，或称为前刀面上内摩擦变形区。

3.第三变形区Ⅲ

刀具与已加工表面的表层金属在主切削刃及后刀面的挤压、摩擦作用下，与后刀面接触的区域将产生塑性变形，造成纤维化和加工硬化，与切削刃钝圆部分和后刀面相接触的已加工表面区域称为第三变形区，或称为已加工表面变形区。

综上所述，金属切削过程的实质就是被切金属连续受刀具的挤压和摩擦，产生弹性变形、塑性变形，最终使被切金属与母体分离形成切屑的过程。

17.4.2 切屑的形态

由于工件材料、切削条件的不同，因此产生的切屑种类也不一样。按其机理可分为四大类，如图17－13所示。

图17－13 切屑种类

1.带状切屑

带状切屑是底面光滑，上表面呈毛茸状的连续状切屑。通常，用较大前角刀具高速、小切削厚度切削塑性材料时易产生带状切屑。形成带状切屑时，切削过程平稳，波动小，已加工表面粗糙度值小，但切屑连续不断，会缠绕在刀具或工件上，不够安全，故需采取断屑措施。

2.挤裂切屑

挤裂切屑又称节状切屑，是底面光滑，有时出现裂纹，上表面呈锯齿状的连续带状切屑。这种切削过程有轻微的振动，已加工表面粗糙度值较前者大。其产生条件与前者相比切削速度、刀具前角均有减小，切削厚度有所增加。

3.单元切屑

单元切屑又称粒状切屑，其形状呈粒状，裂纹贯穿切屑。这种切削过程不平稳，产生较大振动，使已加工表面粗糙度值增大，切削力波动大。其产生条件与前者相比切削速度、前角进一步减小，切削厚度进一步增加，是在加工塑性材料时较少见的一种切屑形态。

4.崩碎切屑

在加工铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属未经明显的塑性就突然崩碎，而形成崩碎屑、粉状屑、片状屑、针状屑等。其切削过程振动较大，切削力集中作用在刀刃处，已加工表面粗糙度值较大。

切屑的形状、断屑和卷屑的难易，主要受工件材料性能的影响，通过认识各类切屑形成的规律，适当改变切削条件，就可以使切屑的变形到控制，得到预期的切屑形状。

17.4.3 积屑瘤

在一定的切削的切削速度下加工塑性材料时，在刀具的前刀面上靠近刀刃的部位，常发现黏附着一小块很硬的金属，它包围切削刃，覆盖刀具的部分前面，这块金属称为积屑瘤，如图17－14所示。其组织和性质既不同于工件材料，又不同于刀具材料，硬度很高，处于稳定状态时，能代替切削刃进行切削。

图17－14 积屑瘤对刀具前角的影响

1.积屑瘤的形成

切削加工时，在切屑流经前刀面过程中，由于极大的变形产生的高温和极大的压力使切屑在前刀面上流动速度变慢而导致“滞流”，当滞流层冷作硬化后，形成了能抵抗切削力作用而不从刀面上脱落的刀瘤核，滞流层在刀瘤核上不断地堆积，形成了刀瘤。当刀瘤长到一定的程度时，不再继续生长，便形成了一个完整的积屑瘤。

2.积屑瘤对切削加工的影响

（1）对刀具强度的影响。由于积屑瘤的硬度很高（约为工件硬度的2～3.5倍），附着在切削刃及前刀面上，可代替切削刃进行切削，起到了保护刀面、减少刀具磨损、增强切削刃的作用。

（2）对切削力的影响。积屑瘤黏结在前刀面上，增大了刀具的实际前角，可使切削力减小，因此，在粗加工中，可利用它来保护切削刃。

（3）对已加工表面的影响。由于积屑瘤顶部的不稳定性，时生时灭，会造成切削厚度的波动，这将影响工件的尺寸精度，而且其碎片随机性散落，可能会黏附在已加工表面上，从而会使已加工表面变得粗糙。因此，在精加工时应避免形成积屑瘤。

3.避免产生积屑瘤的措施

当工件材料一定时，影响积屑瘤形成的主要因素有切削速度、进给量、刀具材料、前角及切削液等，可以采用以下措施避免产生积屑瘤。

（1）降低工件材料的塑性，提高硬度，以减少滞流层的形成。

（2）采用低速或高速切削、减小进给量、增大刀具前角可减少积屑瘤的形成。

（3）适当地使用切削液，以降低切削温度，也有利于防止积屑瘤的产生。

17.4.4 切削力

1.切削力的来源

切削力是切削过程中重要的物理现象，它直接影响工件质量、刀具寿命和机床动力消耗等。切削过程中的能量主要消耗在克服切削变形时产生的抗力、克服刀具前刀面和切屑之间，以及刀具后刀面和工件之间的摩擦阻力。这些抗力和阻力构成了切削过程中的总切削力，用F表示。

图17－15 切削合力与分力

2.切削力的分解

为了便于分析，可以把作用在刀具上的总切削力F分解成三个相互垂直的切削分力，如图17－15所示。

（1）主切削力Fc。垂直于基面且与切削主运动速度方向一致，是计算机床动力的主要依据，消耗功率95％以上。

（2）背向力Fp。在基面内，与切削进给速度方向垂直。其反作用于工件上，容易使工件变形，同时还会引起振动，使工件的表面粗糙度值增大。

（3）进给力Ff。在基面内，与进给速度方向平行。它作用于机床进给机构上，是验证进给系统零件强度和刚度的依据。由图17－15可知

F2=F2c+F2p+F2f　（17－8）

3.切削功率

切削功率是指同一瞬间切削刃基点的工作力与合成切削速度的乘积，用Pc表示。因背向力Fp不消耗机床功率，所以切削功率是切削力Fc与进给力Ff消耗的功率之和。由于进给力Ff消耗的功率仅占总消耗功率的1％～5％，可忽略不计，所以切削功率Pc（kw）的计算公式为

式中：Fc——主切削力，N；

vc——切削速度，m／min。

根据切削功率Pc可以计算机床主电机的功率PE（kw），计算公式为

式中：ηm——机床传动效率，一般取0.75～0.85。

4.影响切削力的大小的因素

（1）工件材料的影响。一般来说，工件材料的强度、硬度愈高，韧度、塑性愈好，愈难切削，切削力也愈大。

（2）切削用量的影响。当背吃刀量ap和进给量f增加时，切削力也将增大。在车削加工时，当ap加大一倍，Fc也增大一倍；而f加大一倍，Fc只增大68％～86％，因此，从切削力角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。而切削速度对切削力的影响不显著。

（3）刀具几何参数的影响。前角和后角对切削力的影响最大，前角愈大，切屑变形小，切削力也小，后角愈大，刀具后刀面与工件加工表面间的摩擦也就愈小。改变主偏角的大小，可以改变轴向力与径向力的比例。特别是加工细长工件时，经常采用较大的主偏角以使径向力减小。

17.4.5 切削热与切削温度

切削热和由它产生的切削温度是切削过程中的另一重要物理现象。切削时所消耗的功约有98％～99％转换为切削热。当切削温度过高时，会使刀头软化，磨损加剧，寿命下降；最终影响零件的加工精度及表面粗糙度。特别是在加工细长轴、薄壁套时，更应注意热变形的影响。

1.切削热的产生与传导

切削热主要来源于三方面：一是正在加工的工件表面和已加工表面发生的弹性变形和塑性变形会产生大量的热，是切削热的主要来源；二是切屑与刀具前刀面之间的摩擦产生的热；三是工件与刀具后刀面之间的摩擦产生的热。

切削热主要来源于三个变形区，约75％的切削热通过切屑传出；20％通过刀具传出；4％通过工件传出，余下的1％由空气传出。

2.影响切削温度的因素与控制措施

切削速度对切削温度的影响最明显，因此，在选择切削用量时，一般选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度更有利于降低切削温度。合理选择刀具材料及几何参数，可以减少切削热的产生和加快热量的导出。在生产实践中，为了有效地降低切削温度，经常使用切削液，切削液能带走大量的热，对降低切削温度的效果显著，同时，还能起到润滑、清洗和防锈的作用。常见的切削液如下。

（1）切削油。切削油主要是指各种矿物油、动植物油和加入油性、极压添加剂的混合油。其润滑性能好，但冷却性能较差，主要用来减少磨损和降低工件的表面粗糙度，一般用于低速精加工，如铣削加工和齿轮加工等。

（2）水溶液。水溶液主要成分是水，加入防锈剂、表面活性剂或油性添加剂。其热导率高、流动性好，主要起冷却作用，同时还具有防锈、清洗等作用。

（3）乳化液。由乳化油加水稀释而成，液体呈乳白色或半透明状，有良好的流动性和冷却作用，也有一定的润滑性能，是应用最广泛的切削液。低浓度的乳化液用于粗车、磨削；高浓度乳化液用于精车、钻孔和铣削等。在乳化液中加入硫、磷等有机化合物，可提高润滑性。适用于螺纹、齿轮等精加工。

但应当注意如下几点。

①在加工铸铁时一般不用切削液，因为铸铁中所含的石墨成分，可以起到润滑作用。

②当采用硬质合金刀具加工工件时，一般不用切削液，因硬质合金的热硬性好，能耐高温，用切削液时却可能使它产生裂纹，导致刀具失效。

③在切削铜料时不宜用含硫的切削液，因硫能腐蚀铜。

17.4.6 刀具磨损和寿命

在切削过程中，一方面，刀具从工件上切下金属，另一方面，刀具本身也逐渐被工件和切屑磨损。磨损在加工中的表现为：一把新刃磨的刀具，经过一段时间的切削后，工件的已加工表面粗糙度值增大，尺寸超差，切削温度升高，切削力增大，并伴有振动，此时，刀具已磨损。

1.刀具磨损的形态

刀具失效有正常磨损和非正常磨损两类。

（1）正常磨损。分前刀面磨损（月牙洼磨损）和后刀面磨损（图17－16为车刀磨损示意图。图中KT表示前刀面被磨损的月牙洼深度，VB表示后刀面被磨损的高度。）

图17－16 刀具的磨损

（2）非正常磨损。指生产中突然出现崩刃、卷刃或刀片破裂的现象。

2.刀具磨损的三个阶段

（1）初期磨损阶段。如图17－17所示，磨损过程较快，时间短，这是由于新刃磨的刀具表面有高低微观不平，造成尖峰很快被磨损。

图17－17 刀具磨损的三个阶段

（2）正常磨损阶段。刀具表面经过初期磨损，表面变得光洁，摩擦力减少，使磨损速度减慢，刀具的磨损量基本与时间成正比。

（3）剧烈磨损阶段。刀具经正常磨损后，切削刃已变钝，切削力、切削温度急剧升高，刀具性能急剧下降，加工质量显著恶化。

在生产中，为合理使用刀具，保证加工质量，刀具磨损应避免到达剧烈磨损阶段，在这个阶段到来之前，就应及时更换刀具（或切削刃）。一般规定，用便于测量的后刀面的磨损量（VB数值）作为刀具磨钝的标准。

3.刀具的寿命

刀具寿命是指新刃磨的刀具，从开始切削至达到刀具磨钝标准所经过总的净切削时间，以Tc（min）表示。影响刀具寿命的因素很多，主要有工件材料、刀具材料及几何角度、切削用量以及是否使用切削液等，而切削用量中以切削速度对刀具的寿命Tc影响最大。

在实际生产中，确定合理的刀具寿命的原则有两种：一种是使生产率达到最高的刀具寿命；一种是使生产成本降到最低的刀具寿命。一般情况下，都使用最低成本刀具寿命，即切削速度较低，生产率较低，刀具寿命延长。如果在产品供不应求或生产环节出现不平衡，或生产任务紧急时，才使用最高生产率刀具寿命，即提高切削速度，生产率提高，刀具寿命下降。