切削过程与物理现象解析

金属在切削过程中产生的积屑瘤、切削力、切削热和刀具磨损等物理现象，主要是切削过程中的变形和摩擦引起的。下面分别对这些物理现象进行分析。

1.切屑类型

当工件材料的性能、切削条件不同时，会产生不同类型的切屑，并对切削加工产生不同的影响。

①带状切屑。使用较大前角的刀具并选用较高切削速度、较小的进给量和背吃刀量，切削塑性材料时，会形成连绵不断的带状切屑，如图5-10（a）所示。形成带状切屑的切削过程比较平稳，切削力波动也较小，加工表面质量好。但切屑连续不断，会缠绕在刀具或工件上，会损坏刀刃、刮伤工件，且清除和运输也不方便，成为影响正常切削的关键。为此，常在刀具前面磨出不同形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽，用以断屑。

图5-10　切屑类型

（a）带状切屑；（b）节状切屑；（c）单元状切屑；（d）崩碎切屑

②节状切屑。采用较小的前角、较低的切削速度和较大进给量粗加工中等硬度的塑性材料时，容易得到这类切屑，如图5-10（b）所示。由于变形较大，切削力大且有波动，加工后工件表面较粗糙。

③单元状切屑。切削铅、紫铜等塑性很好的材料时，切屑易在前面上形成黏结，不易流出，产生很大变形，使材料达到断裂极限，形成很大的变形单元，而成为此类切屑，如图5-10（c）所示。形成单元状切屑时的切削力变化较大，加工表面的表面粗糙度也较差。

④崩碎切屑。在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属会形成不规则的碎块屑片，即为崩碎切屑，如图5-10（d）所示。工件越是硬脆，越容易产生这类切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖容易磨损，并产生振动，从而影响加工件的表面结构。

同一加工件，切屑的类型可以随切削条件的不同而改变，在生产中，常根据具体情况采取不同的措施来得到需要的切屑，以保证切削加工的顺利进行。

2.积屑瘤

在一定范围的切削速度下切削塑性金属时，在刀具前面靠近切削刃的部位黏附着一小块很硬的金属，这就是切削过程中产生的积屑瘤或称刀瘤，如图5-11所示。

图5-11　积屑瘤

（a）车刀前形成的切削积屑瘤；（b）刨刀前形成的积屑瘤

（1）积屑瘤的形成

积屑瘤是在一定的切削条件下，随着切屑和刀具前面剧烈的摩擦、黏结而形成的。当切屑沿前面流出时，在高温和高压的作用下，切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流动速度降低，形成“滞流层”。当滞流层金属与前面之间的摩擦力超过切屑本身分子间的结合力时，就会有一部分金属黏结在刀刃附近形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断长大，达到一定高度后又会破裂，而被切屑带下或嵌附在工件表面上，影响表面结构。上述过程是重复进行的。积屑瘤的形成主要取决于切削温度，如在300～380℃切削碳钢时易产生积屑瘤。

（2）积屑瘤对切削加工的影响

由于积屑瘤在形成过程中经过剧烈变形而被强化，其硬度远高于被切金属。因此可以代替刀刃进行切削，起到保护刀刃、减小刀具磨损的作用。另外，积屑瘤的存在增大了刀具的工作前角，使切削轻快。但由于积屑瘤不断地产生和脱落，会在已加工表面上留下不均匀的沟痕，并有一些黏附在工件表面上，从而影响尺寸精度和表面结构。由此可知，粗加工时产生积屑瘤有好处，但精加工时必须避免积屑瘤的产生。

（3）影响积屑瘤的因素

工件材料和切削速度是影响积屑瘤的主要因素。塑性好的材料，切削时的塑性变形较大，容易产生积屑瘤；塑性差、硬度较高的材料，产生积屑瘤的可能性相对较小。切削脆性材料时，形成的崩碎切屑与前面无摩擦，一般无积屑瘤产生。

切削速度较低（vc＜5 m/min）时，切削温度低，积屑瘤不易形成。切削速度在5～50 m/min范围内时，切削温度高，容易产生积屑瘤。当切削速度很大（vc＞100 m/min）时，由于切削温度很高，切屑底面呈微熔状态，摩擦系数明显降低，亦不会产生积屑瘤。

此外，增大前角以减小切屑变形或用油石仔细打磨刀具前面以减小摩擦，或选用合适的冷却润滑液以降低切削温度和减小摩擦，都有助于防止积屑瘤的产生。

3.切削力

切削力是工件材料抵抗刀具切削产生的阻力。如图5-12中的F即为总切削力。

（1）切削力的分解

总切削力F是一个空间力。为了便于测量和计算，以适应机床、刀具设计和工艺分析的需要，常将F分解为三个互相垂直的切削分力，如图5-12所示。

①切削力Fc：主切削力是总切削力F在主运动方向上的分力，也称为切向力。主切削力是三个分力中最大的，消耗的机床功率也最多（90%以上）。

②进给力Ff：进给力是总切削力F在进给运动方向上的分力，车削外圆时与主轴轴线方向一致，又称轴向力。进给力一般只消耗总功率的1%～5%。

③背向力FP：背向力是总切削力F在垂直于进给运动方向上的分力，也称为径向力或吃刀抗力。因为切削时在此方向上的运动速度为零，所以背向力不做功，但会使工件弯曲变形，还会引起工件振动，对表面结构产生不利影响。

（2）影响切削力的因素

影响切削力的因素主要包括：工件材料、切削用量和刀具几何参数等三个方面。

①工件材料。这是影响切削力的主要因素。工件材料的强度和硬度越高，变形抗力越大，切削力也越大。在强度、硬度相近的材料中，塑性大、韧性高的材料切削时产生的塑性变形大，切屑与刀具间摩擦增加，故切削力较大。

②切削用量。对切削力的影响较大的是背吃刀量和进给量。增大背吃刀量和进给量，被切削的金属增多，切削力明显增大，而切削速度对切削力的影响不大，一般可不予考虑。(www.xing528.com)

③刀具几何参数。对切削力影响最大的是前角，增大刀具的前角会使切削力减小。

4.切削热与切削温度

（1）切削热的来源与传散

图5-12　总切削力的分解

在切削过程中，由于切削层变形和摩擦而产生热量，称为切削热。切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介质（空气或切削液）中传散。加工方式不同，切削热的传散情况也不同。例如，在车削钢时，干切削，其传热比例为：切屑传热50%～86%，工件传热10%～40%，刀具传热3%～9%，周围介质传热1%。

（2）影响切削热的因素

切削区域（工件、切屑、刀具三者之间的接触区）的平均温度，称为切削温度。切削温度的高低取决于产生热量的多少和传散热量的快慢两方面因素。影响切削热的因素主要包括：切削用量、工件材料、刀具角度和切削液等。

①切削用量的影响。增大切削用量，单位时间内切除的金属量增多，产生的切削热也相应增多，致使切削温度上升。

②工件材料的影响。工件材料对切削温度的影响与材料的强度、硬度及导热性有关。材料的强度、硬度越高，切削时消耗的功率越多，切削温度也就越高。材料的导热性好，有利于降低切削温度。

③刀具角度的影响。前角和主偏角对切削温度影响较大。前角增大，切削变形和摩擦减少，因而切削热减少。但前角不能过大，否则刀头部分散热体积减小，不利于降低切削温度。主偏角减小，散热条件得到改善，有利于降低切削温度。

④切削液的影响。浇注切削液是降低切削温度的重要措施。

（3）切削热对切削加工的影响

传入切屑及介质中的热对加工没有影响；传入刀头的热量虽然不多，但由于刀头体积小，特别是高速切削时切屑与前面发生连续而强烈的摩擦，刀头上切削温度很高，会加速刀具磨损，降低刀具使用寿命；传入工件的切削热会引起工件变形，影响加工精度。所以，切削加工中应设法减少切削热的产生，改善散热条件。

5.刀具的磨损

切削时刀具在高温条件下，受到工件、切屑的摩擦作用，刀具材料逐渐被磨耗或出现其他形式的损坏，达到一定程度时工件表面结构值增大，切削温度升高，切屑颜色开始发生变化，甚至会产生振动或不正常的噪声。这说明刀具已严重磨损，必须重磨或换刀。

（1）刀具磨损的形式

刀具的正常磨损，按其发生的部位不同可分为三种形式。

①后面磨损，如图5-13（a）所示，在切削脆性金属或以较低的切削速度、较小的切削层厚度切削塑性金属时，前面上的压力和摩擦力不大，磨损主要发生在后面上。后面磨损后，在刀刃附近形成后角接近于0°的小棱面，用高度VB表示。

②前面磨损，如图5-13（b）所示，在以较高的切削速度和较大的切削厚度切削塑性金属时，切屑对前面的压力大，摩擦剧烈，温度高，磨损主要发生在前面上。磨损后在前面上切削刃附近出现月牙洼，用月牙洼的深度KT表示。

③前、后面同时磨损，如图5-13（c）所示，发生的条件介于上述两种磨损之间。

（2）刀具的磨损过程

刀具磨损的过程如图5-14所示，可分为三个阶段。

图5-13　刀具的磨损形式

（a）后面磨损；（b）前面磨损；（c）前、后面同时磨损

图5-14　刀具磨损过程

①初期磨损阶段。由于刃磨后的刀具表面微观形状高低不平，起初后面与加工表面的实际接触面积很小，故磨损较快。

②正常磨损阶段。由于刀具上微观不平的表层被迅速磨去，表面光洁，摩擦力减小，故磨损较慢。

③急剧磨损阶段。刀具经过正常磨损阶段后，即进入急剧磨损阶段，切削刃将急剧变钝。如继续使用，将使切削力骤然增大，切削温度急剧上升，加工质量显著恶化。

（3）刀具的耐用度和刀具寿命

刀具耐用度是指刀具由开始切削一直到磨钝标准为止的切削时间，又可称两次刃磨之间实际进行切削的时间，以T/min表示。通常，硬质合金车刀T=60～90 min；高速钢钻头T=80～120 min；齿轮滚刀T=200～300 min。影响刀具耐用度的因素主要有工件材料、刀具材料、刀具几何角度、切削用量以及是否使用切削液等。切削用量中切削速度的影响最大。所以为了保证各种刀具所规定的耐用度，必须合理地选择切削速度。

刀具寿命是指一把新刀具从开始切削到报废为止的总切削时间，它是刀具耐用度与刃磨次数的乘积。