金属切削中的物理现象探究

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。

工件上的切削层材料经过切削，被切离工件基体，形成切屑。由于被加工工件的材料性质不同，所选的刀具几何角度参数和切削用量不同，因而切削过程中产生的变形程度也就不同，会出现四种不同形态的切屑，如图7-8所示。

图7-8 切屑的形态

（1）带状切屑

带状切屑是指当加工塑性金属，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，切削形成的切屑。切屑连续不断呈带状，靠近刀具前刀面的底面光滑，背面呈毛茸状。形成带状切屑时，切削力波动小，切削过程比较平稳，加工表面质量高。

（2）挤裂切屑

挤裂切屑又称节状切屑，是当加工塑性金属，在切削厚度较大、切削速度较低、刀具前角较小时，切削形成的切屑。切屑外表面呈锯齿状，底面光滑但有明显的裂纹。形成挤裂切屑时，由于切屑局部断裂，切削力波动较大，切削过程不太平稳，加工表面质量较差。

（3）单元切屑

单元切屑又称粒状切屑，是当加工塑性较大的金属时，若整个剪切面上的剪应力超过了材料的断裂强度，产生的裂纹贯穿切屑断面，切屑以单元形式脱离零件基体而形成的切屑。当切削零件硬度较高而韧性较低（如淬火钢），在切削速度很低、进给速度较大、刀具前角（或负前角）较小时，易出现这种切屑。形成单元切屑时，切削力波动很大，切削过程不平稳，加工表面质量也很差，故在生产中应避免出现这种切屑。

（4）崩碎切屑

崩碎切屑是指当加工脆性金属（铸铁、青铜）时，在刀具前角较小，切削厚度较大时，由于材料的塑性很小且抗拉强度低，切削层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经塑性变形就被挤裂或在拉应力下脆断，形成形状不规则的碎块状的切屑。形成崩碎切屑时，切削过程有冲击，波动较大，切削力和切削热集中在刀尖刃口上，使刀具磨损加快；切屑是以块状脱离零件基体，使已加工表面凹凸不平，表面粗糙度值增大。

加工塑性金属时，易形成带状切屑，切屑连绵不断缠绕在工件或刀具上，使工件已加工表面拉伤，甚至危及操作者的安全；加工脆性金属时，易形成崩碎切屑，碎块四处飞溅，污染周围环境，也会危及操作者的安全。因此，在切削加工中，控制切屑的形状、流向、卷曲和折断，对于保证正常生产秩序和操作者的人身安全有着重要意义。

在刀具上磨制出断屑槽和选择合理的卷屑槽斜角，是控制切屑折断及流向的有力措施。

（1）断屑槽的型式

断屑槽的型式有折线型、直线圆弧型和全圆弧型三种，如图7-9所示。

1）折线型断屑槽 其前面为直线形，反屑面也为直线形，用小圆弧连接，见图7-9（a）。

2）直线圆弧型断屑槽 其前面为直线形，反屑面是一段圆弧形，见图7-9（b）。

3）全圆弧型断屑槽 其前面和反屑面是由同一半径的圆弧面组成，见图7-9（c）。

折线型、直线圆弧型断屑槽适用于加工碳钢、合金钢和工具钢等；全圆弧型断屑槽适用于加工塑性较高的金属材料。

图7-9 断屑槽的型式

（2）卷屑槽斜角ρ_Bn

卷屑槽斜角ρ_Bn是卷屑槽的侧边与主切削刃之间的夹角，影响着切屑的流向和屑形。常见的有外斜式、平行式和内斜式三种，如图7-10所示。

外斜式[如图7-10（a）所示]的主要特点是卷屑槽的宽度外宽内窄，深度是外深内浅。因此槽A点处的切削速度高，槽宽窄，切削时，切屑顺前刀面流出先碰反屑面，并以较小的弯曲半径卷曲；槽B点处的切削速度低，槽宽深，切屑后碰反屑面，并以较大的弯曲半径卷曲。当槽底制有-λ_s角时，F力使得切屑流向工件表面，与工件表面相碰后形成C形切屑。

平行式[如图7-10（b）所示]的特点是卷屑槽的宽度、深度前后均相等，其断屑效果与外斜式相近。

内斜式[如图7-10（c）所示]的主要特点是卷屑槽的宽度外窄内宽，深度是外浅内深。因此槽B点处的切屑先碰反屑面，并以较小的卷曲半径卷曲，当槽底制有+λ_s角时，F力使得切屑往往成螺卷形背离工件流出，卷曲到一定长度后靠自身质量甩断形成螺旋形切屑。内斜式一般用于半精车或精车的场合。

此外，增大进给量f和刀具主偏角κ_r、采用合适的刃倾角λ_s等措施，都能较好的控制切屑的流向和折断。

图7-10 断屑槽斜角

加工一般钢料或其他塑性材料，在切削速度不高而又能形成连续切屑时，常发现在刀具前刀面靠近切削刃的部位黏附着一块剖面呈三角状的硬块，其硬度高于零件材料的2～3倍，其形状好像在刀具上长了一个瘤，所以称为积屑瘤。

（1）积屑瘤对切削过程的影响

1）保护刀具 积屑瘤包裹着切削刃和部分刀具前刀面，由于其硬度比零件材料硬，故可代替切削刃进行切削，减少刀具的磨损，提高了刀具寿命。但对于硬质合金刀具而言，因积屑瘤的形成过程是不稳定的，积屑瘤的频繁脱落，导致硬质合金刀具颗粒剥落，反而使刀具磨损加剧（见图7-11）。

图7-11 积屑瘤对切削过程的影响

2）增大刀具前角 当积屑瘤黏附在刀具的前刀面时，使其具有30°左右的前角，因而可以减小切削变形，降低切削力。

3）增大切削厚度 积屑瘤的前端伸出切削刃之外一个H_b，因而使切削厚度也增大了一个Δh_D，从而影响了零件的尺寸精度。

4）增大已加工表面粗糙度 积屑瘤脱落时，一部分被切屑带走，也有一部分嵌入到已加工表面，当它代替切削刃进行切削时，便增大了已加工表面的表面粗糙度。

所以，在粗加工时，对已加工表面质量和加工精度要求不高，可利用积屑瘤；而在精加工时一定要避免积屑瘤的产生。

（2）控制积屑瘤的措施

1）控制切削速度 应使用低速或高速切削，从而避开产生积屑瘤的速度范围。

2）增大刀具前角。

3）降低材料的塑性。

4）合理使用切削液。

鳞刺就是在已加工表面上出现的一种鳞片状有裂口的毛刺。

鳞刺的产生影响了零件加工表面质量，必须通过采取热处理工艺（正火或调质）适当提高零件材料的硬度、降低材料塑性、增大刀具前角等措施来控制鳞刺的产生。

切削力是金属切削过程中的基本物理现象之一，是分析工艺和设计机床、刀具、夹具的重要依据。

切削力是指切削时，刀具作用在工件上使工件材料发生变形，并使多余材料变为切屑所需要的力。切削力的来源有以下两个方面。

（1）变形抗力

变形抗力是指在切削过程中，由于刀具的切削与推挤作用，工件材料产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力。

（2）摩擦阻力

摩擦阻力是指刀具前刀面与切屑之间以及刀具后刀面与工件之间的摩擦阻力。

由变形抗力和摩擦阻力形成作用在刀具上的切削合力F，切削合力也称为总切削力，如图7-12所示。

图7-12 切削合力与分力

因合力F的大小和方向都不易测量，为了便于测量和应用，通常将合力F分解为三个互相垂直的分力，如图7-12所示。

（1）主切削力F_c

F _c是指切削合力F在主运动方向上的分力。F_c是计算机床主运动机构强度、刀杆和刀片强度以及设计机床夹具、选择切削用量等的主要依据，是消耗机床功率最多的切削力。

（2）背向力F_p

F _p是指切削合力F在垂直于进给运动方向上的分力。纵车外圆时，因该方向无相对运动，F_p不消耗机床功率，但它作用在机床工艺系统刚性最差的方向上，使零件在水平面内弯曲，影响加工精度，并且容易引起振动。

（3）进给力F_f

F _f是指切削合力F在进给运动方向上的分力。F_f作用在进给机构上，是设计进给机构的主要依据。由图7-12可知，切削合力与三个分力之间的关系为：

切削功率是指在切削过程中消耗的总功率，用P（kW）表示，因背向力F_P不消耗机床功率，所以它是主切削力F_c与进给力F_f消耗的功率之和。由于进给力F_f消耗的功率约占总消耗功率的1%～5%，可忽略不计，故一般只计算切削功率P_c（kW），即

式中 F_c——主切削力（N）；

v_c——切削速度（m/min）。

切削热与切削温度是金属切削过程中的又一基本物理现象。切削热和由它产生的切削温度直接影响刀具的磨损和使用寿命，最终影响工件的加工精度和表面质量。

（1）切削热的产生(www.xing528.com)

切削热主要来源于三个方面：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。如图7-13所示。

图7-13 切削热的产生与传导

（2）切削热的传导

切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。

（3）切削温度的概念

切削温度一般是指切屑与刀具前刀面接触区域的平均温度。

（4）切削温度的分布规律

实际上，切屑、工件和刀具上各点的温度是不相同的。如图7-14所示为某切削条件下各点的切削温度分布情况。

图7-14 切屑、工件和刀具上各点的温度（℃）分布

从图中可以看出，前刀面上最高温度不在切削刃上，而是在距离切削刃有一小段距离的地方。切削不同的金属材料，温度最高区的分布是不相同的。

1）切削塑性金属。切削塑性金属时，最高温度区一般在距离切削刃有一小段距离的地方。切屑上的最高温度区在切屑刚离开前刀面的底层处；工件的最高温度区在接近刀刃处。

2）切削脆性金属。切削脆性金属时，最高温度区在接近刀刃的后刀面上，其次在接近刀刃的前刀面上，这是因为切屑呈崩碎状，切屑与前刀面之间的摩擦很小。

切削加工过程中，刀具在切下切屑的同时本身也要发生磨损或局部破损。

刀具磨损的形式分为正常磨损和非正常磨损两种。刀具的正常磨损是指刀具在切削过程中，由于刀具材料的微粒被切屑或工件带走，使刀具逐渐磨损的现象。而刀具的非正常磨损是指刀具由于冲击、振动、热效应等原因而出现崩刃或碎断的现象。

切削时，刀具的前刀面与切屑，后刀面与工件之间发生剧烈摩擦，同时承受着很高的温度和压力，因此，刀具的前刀面和后刀面都会发生磨损，如图7-15所示。

图7-15 刀具磨损形式

（1）前刀面磨损

切削塑性材料时，如果用较高的切削速度和较大的切削厚度进行切削，刀具后刀面还未出现明显的磨损痕迹，却在前刀面上距切削刃一定距离处会磨出一个月牙洼，如图7-15（a）所示。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边，随着切削的继续进行，月牙洼的宽度、深度增大，当月牙洼扩展到使棱边很窄时，削弱了刀具强度，极易导致崩刃，降低加工质量。

（2）后刀面磨损

用较低的切削速度和较小的切削厚度切削塑性金属材料，或切削脆性金属时，刀具的磨损主要发生在后刀面。后刀面磨损往往是不均匀的，如图7-15（b）所示，在刀尖部位，因强度较低，散热条件又差，所以磨损较大；在切削刃靠近工件表面处，因毛坯的硬皮或上道工序的加工硬化等原因的影响，磨损也较大；只有在后刀面中间区域，磨损比较均匀。其平均磨损宽度以VB表示。

（3）前、后刀面同时磨损

当切削塑性金属材料时，若采用中等切削速度和中等切削厚度，则经常会发生前、后刀面同时磨损的磨损形式，如图7-15（c）所示。

（1）磨粒磨损

磨粒磨损是指切削时，在切屑、工件材料中含有一些比刀具材料硬度更高的碳化物、氧化物、氮化物和脱落的积屑瘤碎片等硬质点，可在刀具表面刻划出沟纹而使刀具磨损。

（2）氧化磨损

氧化磨损是指在切削温度较高时，切屑、工件和刀具极易与周围某些介质起氧化反应，生成一层氧化膜，若刀具表面上的氧化膜硬度较低，会被切屑和工件抹拭掉而形成的磨损。

（3）扩散磨损

扩散磨损是指高温切削时，刀具与工件、切屑的新鲜切削表面相接触，造成刀具材料和工件材料中的化学元素互相扩散到对方去，改变了原来材料的成分与结构，使刀具表面材料性能下降而形成的磨损，其实质是一种化学性质磨损。

（4）黏结磨损

黏结磨损是指在一定的温度（300～400℃）和压力作用下，刀具与工件、切屑之间易产生黏结，因接触面间的相对运动，黏结处产生撕裂，使刀具表面的微粒被对方带走而造成的刀具磨损，又称冷焊磨损。在中等偏低的切削速度下黏结磨损是刀具磨损的主要形式。

（5）相变磨损

相变磨损是指切削温度升高，当刀具材料温度升高到其相变温度时，刀具材料的金相组织发生变化，使硬度明显下降而造成的刀具磨损。

由上可知，温度越高，刀具磨损越快，所以温度是刀具磨损的主要原因。

随着切削的不断进行，刀具后刀面的磨损量随之增加，如图7-16所示为刀具后刀面磨损过程曲线，实验证明，刀具磨损过程可分为三个阶段。

（1）初期磨损阶段（AB段）

在刀具开始切削的短时间内，磨损较快。这是因为新刃磨的刀具切削刃锋利，其主后刀面与过渡表面之间的实际接触面积很小，表面压强很大，加之新刃磨的刀具表面存在表面粗糙度值大和表层组织不耐磨等缺陷所造成的。

图7-16 刀具磨损过程

（2）正常磨损阶段（BC段）

经过初期磨损后，刀具磨损变慢，随着切削时间的增加，磨损量以较均匀的速度增加。刀具磨损进入正常磨损阶段，这是刀具工作的有效阶段。

（3）急剧磨损阶段（CD段）

刀具经过正常磨损阶段，后刀面磨损量已达较大数值后，切削刃变钝，切削力增大、切削温度迅速升高，使磨损速度急剧增加，以致刀具损坏而失去切削能力。生产中为合理使用刀具，以保证加工质量，应当在这个阶段到来之前及时重磨或换刀。

为了保证刀具使用时间较长和保证零件加工质量，刀具磨损到一定限度就不能再继续使用，因此对刀具规定了一个允许磨损量的最大值，这个值称为刀具磨钝标准或磨损限度。

刀具磨钝标准一般规定在刀具的后刀面上，以后刀面磨损带中间部分（B区）磨损量的平均值VB表示。表7-3为国标中规定的高速钢刀具、硬质合金刀具的磨钝标准。

根据加工条件的不同，磨钝标准应有所变化。粗加工应取大值，工件刚性较好或加工大件时应取大值，反之则应取小值。

工件材料与加工条件不同，磨钝标准VB值也不同。

（1）经济磨钝标准

经济磨钝标准是根据能使刀具切削时间与可磨或可用次数的乘积最长为原则所制定的磨损限度。从磨损过程曲线可以看出，该磨损限度取在急剧磨损阶段的起始点。

（2）工艺磨钝标准

工艺磨钝标准是在保证工件加工精度和表面粗糙度的条件下所制定的磨损限度。当工件已加工表面的表面粗糙度开始不符合技术要求时，刀具后刀面的磨损尺寸就是工艺的磨损限度。

表7-3 高速钢刀具、硬质合金刀具的磨钝标准

（1）刀具耐用度

刀具耐用度是指一把新刃磨的刀具，从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所使用的切削时间，用T表示。还可用达到磨钝标准前所加工出的工件数量或切削路程长度表示。

刀具耐用度指的是净切削时间，不包括对刀、测量、快进、回程等非切削时间，用刀具耐用度比用刀具磨钝标准来控制换刀要方便的多，因为生产中采用不时停机来测量刀具磨损量是不现实的，所以生产中广泛采用刀具耐用度。常用车刀的耐用度如表7-4所示。

表7-4 车刀耐用度

（2）刀具寿命

刀具寿命是指一把新刀具从投入使用，经多次重磨直到报废为止的总切削时间。显然刀具寿命等于刀具耐用度乘以重磨次数。

（3）刀具耐用度的选择原则

切削速度v_c越高，则切削温度越高，单位时间内摩擦表面滑动速度增加，刀具磨损加快，所以刀具耐用度就越短。若刀具耐用度选得过高，则切削速度必须降低，虽然可以减少换刀及磨刀次数，减少刀具的消耗及其费用，但生产效率的降低，也会使生产成本增加；若刀具耐用度选得过低，虽然可以用提高切削速度来使生产率提高，但由于刀具磨损过快而使换刀、刃磨的时间和费用显著增加，经济效益同样也不好。

在实际生产中，合理的刀具耐用度应根据优化目标来确定，一般分如下两种。

1）最高生产率刀具耐用度 是指单件工时最少或单位时间内加工工件最多的刀具耐用度。用T_p表示。

2）最低成本刀具耐用度 是指单件或工序的成本最低时的耐用度。用T_c表示。若换刀时间较长，应确定较高的刀具耐用度，以确保高的生产效率；换刀时间长时，磨刀费用所占比重大时，T_c应取较大值。一般情况下采用T_c作为刀具耐用度的制定标准，但在生产任务紧急或生产线上出现不平衡环节时，也可以采用最高生产率耐用度。