第二章 金属切削过程中的物理现象工业工程系一、概述金属切削过程是刀具在工件上切除多余的金属，产生切屑和形成已加工表面的整个过程。这一过程中，会出现一些物理现象，如切削变形、
切削力、切削热,刀具磨损等。研究这些物理现象，掌握其变化规律，
就可以分析和解决切削加工中的实际问题，以提高切削效率、加工质量和降低生产成本。
二、切屑的形成切削加工时，工件上的切削层受刀具的偏挤压，切削层产生弹性变形而至塑性变形。
第一讲三、切屑的形态切削金属时，由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程中变形的程度也就不同，所形成的切屑形态多种多样。 归纳起来，可分为下列四种类型 。
四、积屑瘤现象及产生的原因
1、产生原因在一定的条件下切削钢、黄铜、铝合金等塑性金属时，由于前刀面挤压及磨擦的作用，使切屑底层中的一部分金属停滞和堆积在切削刃口附近，形成硬块，
能代替切削刃进行切削，这个硬块称为切屑瘤。一般说来，温度与压力太低，不会发生粘结；而温度太高，也不会产生积屑瘤。因此，切削温度是积屑瘤产生的决定因素。如图 2-8所示。
2、影响积屑瘤有利的一面是它包覆在切削刃上代替切削刃工作，起到保护切削刃作用，
同时还使刀具实际前角增大，切削变形程度降低，切削力减小；但也有不利的一面，由于它的前端伸出切削刃之外，影响尺寸精度，同时其形状也不规则，在切削表面上刻出深浅不一的沟纹，影响表面质量。此外，它也不稳定，成长、脱落交替进行，切削力易波动，破碎脱落时会划伤刀面，若留在已加工表面上，
会形成毛剌等，增加表面粗糙度值。因此在粗加工时，允许有积屑瘤存在，但在精加工时，一定要设法避免。
3,积屑瘤的控制
（ 1）控制切屑瘤的方法主要有以下几种：
（ 2）提高工件材料的硬度，减少塑性和加工硬化倾向。
（ 3）控制切削速度，以控制切削温度。
（ 4）采用润滑性能良好的切削液，减小摩擦。
（ 5）增大前角，减小切削厚度，都可使刀具切屑接触长度减小，积屑瘤高度减小。
五、表面加工硬化现象
1、表面加工硬化现象加工后已加工表面层硬度提高的现象称为加工硬化。切削时在形成已加工表面过程中，由于表层金属经过多次复杂的塑性变形，硬度显著提高；另一方面，
切削温度又使加工硬化减弱 —— 弱化；更高的切削温度将引起相变。已加工表面的加工硬化就是这种强化、弱化、相变作用的综合结果。加工中变形程度愈大，
则硬化程度愈高，硬化层深度也愈深。
工件表面的加工硬化将给后续工序切削加工增加困难。如切削力增大，刀具磨损加快，影响了表面质量。加工硬化在提高工件耐磨性的同时，也增加了表面的脆性，从而降低了工件的抗冲击能力。
2、残余应力残余应力是指在没有外力作用的情况下，物体内存在的应力。
由于切削力、切削变形、切削热及相变的作用，已加工表面常存在残余应力，有残余拉应力和残余压应力之别。残余应力会使已加工表面产生裂纹，降低零件的疲劳强度，工件表面残余应力分布不均匀也会使工件产生变形，影响工件的形状和尺寸。对精密零件的加工是极为不利的。
六,切削力及其主要影响因素切削力是金属切削过程中的基本物理现象之一，是分析机制工艺、设计机床、刀具、夹具时的主要技术参数。
1、来源总切削力 F可沿 x,y,z方向分解为三个互相垂直的分力 Fc,Fp,Ff，如图 2-
16所示。 主切削力 Fc 总切削力 F在主运动方向上的分力；背向力 Fp 总切削力 F
在垂直于假定工作平面方向上的分力；进给力 Ff 总切削力在进给运动方向上的分力。
2.影响切削力的主要因素
1.工件材料的影响工件材料的物理机械性能、加工硬化能力、化学成分和热处理状态，都对切削力产生影响。
2.切削用量的影响背吃刀量 a p和进给量 f是通过对切削面积和单位切削力的变化而影响切削力的。背吃刀量 a p增大，切削宽度 b d也增大，剪切面积 As和切屑与前刀面的接触面积按比例增大。进给量增大，平均变形变小，单位切削力降低，因此，进给量 f增大一倍，
切削力约增加 70～ 80％。随着速度的增加，积屑瘤由小变大又变小，切削力则随之由大变小又变大。
3、刀具几何参数的影响
（ 1）前角的影响在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大。前角愈大，切屑易于从前刀面流出，切削变形小，从而使切削力下降，但前角 γ0对三个切削分力的影响是不同的。同时，工件材料不同，前角的影响也不同，对塑性较大的材料，如紫铜、
铝合金等，切削时塑性变形大，前角的影响较显著；而对脆性材料，如铸铁、脆黄铜等，前角的影响就较小。
（ 2）主偏角对 Fp,Ff 的影响较大。随着主偏角的增加，进给力 Ff增加，而背向力 Fp减小。当 κr =900，理论上背向力 Fp=0，实际上由于有刀尖圆弧半径
rε和副切削刃参与切削，即使 κr =900,Fp还是存在的。在车削刚性较差的细长轴时，应选用较大的主偏角，就是为了减小 Fp的影响。
（ 3）刃倾角 λs 对主切削力 Fc 的影响很小，但对进给力 Ff 和背向力 Fp 的影响较大。当 λs 从正值变为负值,Fp 将增加,Ff 将减小。所以车削刚性较差的工件时，一般不取负的刃倾角。
七、切削温度及其主要影响因素
1,切削热的产生与传出切削区域产生的热能通过切屑、工件、刀具和周围介质传出。切削热传出时由于切削方式的不同，工件和刀具热传导系数的不同等，各传导媒体传出的比例也不同。
2,切削温度的分布切削温度一般指切削区域的平均温度。切削温度的分布指切削区域各点温度的分布（即温度场）。
（ 1 ）前刀面上的最高温度不在切削刃上，而距离切削刃有一段距离；
（ 2 ）温度分布不均匀，温度梯度大。工件材料塑性大，分布较均匀，反之，
工件材料脆性大，分布不均匀。
八,切削温度的主要影响因素
1、工件材料的影响工件材料的强度、硬度高，导热率低，高温下的强度、硬度高，
都会使变形功增加，使切削温度升高。切削脆性材料，因变形小，
摩擦小，故其切削温度较低。
2,切削用量的影响
（ 1 ）背吃刀量 a p a p 对切削温度的影响很小。背吃刀量 a p 增加，产生的热量按比例增加。 a p 增大一倍，切削宽度 b D 也增加一倍，刀具的传热面积也增大一倍，改善了刀头的散热条件，切削温度只是略有提高。
（ 2 ）进给量 f f 对切削温度的影响比 a p 大。进给量 f 增加，产生的热量增加。虽然 f 增加使 切削厚度 h D 增加，切屑的热容量增大，切屑能带走较多的热量，但由于切削宽度 b D 不变，刀具散热面积未按比例增加，刀具的散热条件未得到改善，所以切削温度会升高。
（ 3 ）切削速度 v c v c 对切削温度的影响最大。切削速度增加，
变形功与摩擦转变的热量急剧增多，虽然切屑带走的热量也相应增多，然而刀具传热的能力无什么变化，切削温度显著提高。
九、刀具磨损、刀具耐用度及主要影响因素切削时在高温高压下，切削刃和前后刀面将逐步出现磨损，或在机械的、热的冲击下突然破损，乃至丧失切削能力而必须更换。因此刀具磨损及其规律直接影响切削生产率和加工质量，是切削加工中的重要物理现象。
1,刀具磨损形式
（ 1） 前刀面磨损；（ 2）后刀面磨损； （ 3） 前、后刀面同时磨损十、刀具的耐用度刀具耐用度是指一把新刃磨的刀具，从开始切削至达到磨损限度所经过的切削时间，用 T来表示。 刀具寿命则是一把新刀具从使用到报废为止的切削时间。
刀具耐用度除了用切削时间表示外，有时亦可用加工同样零件的数量或切削路程长度等来表示。
显然凡是影响刀具磨损的因素，也都同样地影响刀具耐用度。影响刀具磨损的主要因素是切削温度，而切削速度对切削温度影响最大，因此切削速度对刀具耐用度的影响最大。 V c愈高，切削温度愈高，磨损加快，刀具耐用度愈小。
能保持生产率最高或成本最低的耐用度，称为合理耐用度。即合理耐用度有最高生产率耐用度和最低成本耐用度（经济耐用度）。
目前大多数采用最低成本耐用度，即经济耐用度。其数值一般是：在通用机床上，硬质合金车刀耐用度大致为 60～ 90min；钻头耐用度大致为 80～ 120min；硬质合金端面铣刀耐用度大致为 90～
180min；齿轮刀具耐用度大致为 200～ 300min。
十一,金属切削基本规律的应用
1、材料切削加工性工件材料切削加工性是指对某一种材料进行加工的难易程度。 某种材料切削加工性的好坏，是相对于另一种材料而言的。因此切削加工性具有相对性。
2、改善切削加工性的途径
（ 1）调整材料的化学成分
（ 2）进行适当的热处理
（ 3）选择良好的材料状态
3、刀具材料的合理选择
（ 1）刀具材料应具备高的硬度、高的耐磨性、足够的强度的韧性、
高的耐热性、良好的工艺性。
（ 2）刀具常用材料，高速钢、硬质合金、陶瓷,金刚石,立方氮化硼十二、切削液的合理选择
（一）切削液的作用
1,冷却作用
2,润滑作用
3.清洗和防锈
（二）切削液的种类
1,水溶液 水溶液是以水为主要成分的切削液。
2,切削油 切削油的主要成分是矿物油。可在其中加入油性添加剂和极压添加剂，以改善其油性及极压性。
3,乳化液 乳化液是通过乳化添加剂形成的切削油和水溶液的混和液。其性能介于水溶液和切削油之间。也可在其中加入油性添加剂或极压添加剂，以改善其油性或极压性。
(三 )切削液的合理选用切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和技术要求等具体情况进行选用。下述几条仅供参考：
1,高速钢刀具红硬性差，需采用切削液。硬质合金刀具红硬性好，一般不加切削液；
若硬质合金刀具使用切削液，必须连续、充分的浇注，不能间断。
2,切削铸铁或铝合金时，一般不用切削液。如要使用切削液，选用煤油为宜。
3,切削铜合金和有色金属时，一般不宜选用含有极压添加剂的切削液。
4,切削镁合金时，严禁使用乳化液作为切削液，以防燃烧引起事故。
5,粗加工时，主要以冷却为主，可选用水溶液或低浓度的乳化液；精加工时，主要以润滑为主，可选用切削油或浓度较高的乳化液。
6,低速精加工时，可选用油性较好的切削油；重切削时，可选用极压切削液。
7,粗磨时，可选用水溶液；精磨时，可选用乳化液或极压切削液。
切削力、切削热,刀具磨损等。研究这些物理现象，掌握其变化规律，
就可以分析和解决切削加工中的实际问题，以提高切削效率、加工质量和降低生产成本。
二、切屑的形成切削加工时，工件上的切削层受刀具的偏挤压，切削层产生弹性变形而至塑性变形。
第一讲三、切屑的形态切削金属时，由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程中变形的程度也就不同，所形成的切屑形态多种多样。 归纳起来，可分为下列四种类型 。
四、积屑瘤现象及产生的原因
1、产生原因在一定的条件下切削钢、黄铜、铝合金等塑性金属时，由于前刀面挤压及磨擦的作用，使切屑底层中的一部分金属停滞和堆积在切削刃口附近，形成硬块，
能代替切削刃进行切削，这个硬块称为切屑瘤。一般说来，温度与压力太低，不会发生粘结；而温度太高，也不会产生积屑瘤。因此，切削温度是积屑瘤产生的决定因素。如图 2-8所示。
2、影响积屑瘤有利的一面是它包覆在切削刃上代替切削刃工作，起到保护切削刃作用，
同时还使刀具实际前角增大，切削变形程度降低，切削力减小；但也有不利的一面，由于它的前端伸出切削刃之外，影响尺寸精度，同时其形状也不规则，在切削表面上刻出深浅不一的沟纹，影响表面质量。此外，它也不稳定，成长、脱落交替进行，切削力易波动，破碎脱落时会划伤刀面，若留在已加工表面上，
会形成毛剌等，增加表面粗糙度值。因此在粗加工时，允许有积屑瘤存在，但在精加工时，一定要设法避免。
3,积屑瘤的控制
（ 1）控制切屑瘤的方法主要有以下几种：
（ 2）提高工件材料的硬度，减少塑性和加工硬化倾向。
（ 3）控制切削速度，以控制切削温度。
（ 4）采用润滑性能良好的切削液，减小摩擦。
（ 5）增大前角，减小切削厚度，都可使刀具切屑接触长度减小，积屑瘤高度减小。
五、表面加工硬化现象
1、表面加工硬化现象加工后已加工表面层硬度提高的现象称为加工硬化。切削时在形成已加工表面过程中，由于表层金属经过多次复杂的塑性变形，硬度显著提高；另一方面，
切削温度又使加工硬化减弱 —— 弱化；更高的切削温度将引起相变。已加工表面的加工硬化就是这种强化、弱化、相变作用的综合结果。加工中变形程度愈大，
则硬化程度愈高，硬化层深度也愈深。
工件表面的加工硬化将给后续工序切削加工增加困难。如切削力增大，刀具磨损加快，影响了表面质量。加工硬化在提高工件耐磨性的同时，也增加了表面的脆性，从而降低了工件的抗冲击能力。
2、残余应力残余应力是指在没有外力作用的情况下，物体内存在的应力。
由于切削力、切削变形、切削热及相变的作用，已加工表面常存在残余应力，有残余拉应力和残余压应力之别。残余应力会使已加工表面产生裂纹，降低零件的疲劳强度，工件表面残余应力分布不均匀也会使工件产生变形，影响工件的形状和尺寸。对精密零件的加工是极为不利的。
六,切削力及其主要影响因素切削力是金属切削过程中的基本物理现象之一，是分析机制工艺、设计机床、刀具、夹具时的主要技术参数。
1、来源总切削力 F可沿 x,y,z方向分解为三个互相垂直的分力 Fc,Fp,Ff，如图 2-
16所示。 主切削力 Fc 总切削力 F在主运动方向上的分力；背向力 Fp 总切削力 F
在垂直于假定工作平面方向上的分力；进给力 Ff 总切削力在进给运动方向上的分力。
2.影响切削力的主要因素
1.工件材料的影响工件材料的物理机械性能、加工硬化能力、化学成分和热处理状态，都对切削力产生影响。
2.切削用量的影响背吃刀量 a p和进给量 f是通过对切削面积和单位切削力的变化而影响切削力的。背吃刀量 a p增大，切削宽度 b d也增大，剪切面积 As和切屑与前刀面的接触面积按比例增大。进给量增大，平均变形变小，单位切削力降低，因此，进给量 f增大一倍，
切削力约增加 70～ 80％。随着速度的增加，积屑瘤由小变大又变小，切削力则随之由大变小又变大。
3、刀具几何参数的影响
（ 1）前角的影响在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大。前角愈大，切屑易于从前刀面流出，切削变形小，从而使切削力下降，但前角 γ0对三个切削分力的影响是不同的。同时，工件材料不同，前角的影响也不同，对塑性较大的材料，如紫铜、
铝合金等，切削时塑性变形大，前角的影响较显著；而对脆性材料，如铸铁、脆黄铜等，前角的影响就较小。
（ 2）主偏角对 Fp,Ff 的影响较大。随着主偏角的增加，进给力 Ff增加，而背向力 Fp减小。当 κr =900，理论上背向力 Fp=0，实际上由于有刀尖圆弧半径
rε和副切削刃参与切削，即使 κr =900,Fp还是存在的。在车削刚性较差的细长轴时，应选用较大的主偏角，就是为了减小 Fp的影响。
（ 3）刃倾角 λs 对主切削力 Fc 的影响很小，但对进给力 Ff 和背向力 Fp 的影响较大。当 λs 从正值变为负值,Fp 将增加,Ff 将减小。所以车削刚性较差的工件时，一般不取负的刃倾角。
七、切削温度及其主要影响因素
1,切削热的产生与传出切削区域产生的热能通过切屑、工件、刀具和周围介质传出。切削热传出时由于切削方式的不同，工件和刀具热传导系数的不同等，各传导媒体传出的比例也不同。
2,切削温度的分布切削温度一般指切削区域的平均温度。切削温度的分布指切削区域各点温度的分布（即温度场）。
（ 1 ）前刀面上的最高温度不在切削刃上，而距离切削刃有一段距离；
（ 2 ）温度分布不均匀，温度梯度大。工件材料塑性大，分布较均匀，反之，
工件材料脆性大，分布不均匀。
八,切削温度的主要影响因素
1、工件材料的影响工件材料的强度、硬度高，导热率低，高温下的强度、硬度高，
都会使变形功增加，使切削温度升高。切削脆性材料，因变形小，
摩擦小，故其切削温度较低。
2,切削用量的影响
（ 1 ）背吃刀量 a p a p 对切削温度的影响很小。背吃刀量 a p 增加，产生的热量按比例增加。 a p 增大一倍，切削宽度 b D 也增加一倍，刀具的传热面积也增大一倍，改善了刀头的散热条件，切削温度只是略有提高。
（ 2 ）进给量 f f 对切削温度的影响比 a p 大。进给量 f 增加，产生的热量增加。虽然 f 增加使 切削厚度 h D 增加，切屑的热容量增大，切屑能带走较多的热量，但由于切削宽度 b D 不变，刀具散热面积未按比例增加，刀具的散热条件未得到改善，所以切削温度会升高。
（ 3 ）切削速度 v c v c 对切削温度的影响最大。切削速度增加，
变形功与摩擦转变的热量急剧增多，虽然切屑带走的热量也相应增多，然而刀具传热的能力无什么变化，切削温度显著提高。
九、刀具磨损、刀具耐用度及主要影响因素切削时在高温高压下，切削刃和前后刀面将逐步出现磨损，或在机械的、热的冲击下突然破损，乃至丧失切削能力而必须更换。因此刀具磨损及其规律直接影响切削生产率和加工质量，是切削加工中的重要物理现象。
1,刀具磨损形式
（ 1） 前刀面磨损；（ 2）后刀面磨损； （ 3） 前、后刀面同时磨损十、刀具的耐用度刀具耐用度是指一把新刃磨的刀具，从开始切削至达到磨损限度所经过的切削时间，用 T来表示。 刀具寿命则是一把新刀具从使用到报废为止的切削时间。
刀具耐用度除了用切削时间表示外，有时亦可用加工同样零件的数量或切削路程长度等来表示。
显然凡是影响刀具磨损的因素，也都同样地影响刀具耐用度。影响刀具磨损的主要因素是切削温度，而切削速度对切削温度影响最大，因此切削速度对刀具耐用度的影响最大。 V c愈高，切削温度愈高，磨损加快，刀具耐用度愈小。
能保持生产率最高或成本最低的耐用度，称为合理耐用度。即合理耐用度有最高生产率耐用度和最低成本耐用度（经济耐用度）。
目前大多数采用最低成本耐用度，即经济耐用度。其数值一般是：在通用机床上，硬质合金车刀耐用度大致为 60～ 90min；钻头耐用度大致为 80～ 120min；硬质合金端面铣刀耐用度大致为 90～
180min；齿轮刀具耐用度大致为 200～ 300min。
十一,金属切削基本规律的应用
1、材料切削加工性工件材料切削加工性是指对某一种材料进行加工的难易程度。 某种材料切削加工性的好坏，是相对于另一种材料而言的。因此切削加工性具有相对性。
2、改善切削加工性的途径
（ 1）调整材料的化学成分
（ 2）进行适当的热处理
（ 3）选择良好的材料状态
3、刀具材料的合理选择
（ 1）刀具材料应具备高的硬度、高的耐磨性、足够的强度的韧性、
高的耐热性、良好的工艺性。
（ 2）刀具常用材料，高速钢、硬质合金、陶瓷,金刚石,立方氮化硼十二、切削液的合理选择
（一）切削液的作用
1,冷却作用
2,润滑作用
3.清洗和防锈
（二）切削液的种类
1,水溶液 水溶液是以水为主要成分的切削液。
2,切削油 切削油的主要成分是矿物油。可在其中加入油性添加剂和极压添加剂，以改善其油性及极压性。
3,乳化液 乳化液是通过乳化添加剂形成的切削油和水溶液的混和液。其性能介于水溶液和切削油之间。也可在其中加入油性添加剂或极压添加剂，以改善其油性或极压性。
(三 )切削液的合理选用切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和技术要求等具体情况进行选用。下述几条仅供参考：
1,高速钢刀具红硬性差，需采用切削液。硬质合金刀具红硬性好，一般不加切削液；
若硬质合金刀具使用切削液，必须连续、充分的浇注，不能间断。
2,切削铸铁或铝合金时，一般不用切削液。如要使用切削液，选用煤油为宜。
3,切削铜合金和有色金属时，一般不宜选用含有极压添加剂的切削液。
4,切削镁合金时，严禁使用乳化液作为切削液，以防燃烧引起事故。
5,粗加工时，主要以冷却为主，可选用水溶液或低浓度的乳化液；精加工时，主要以润滑为主，可选用切削油或浓度较高的乳化液。
6,低速精加工时，可选用油性较好的切削油；重切削时，可选用极压切削液。
7,粗磨时，可选用水溶液；精磨时，可选用乳化液或极压切削液。
