第五节 金属切削过程
金属切削加工是指用刀具从工件上切削多余的材料，从而使工件的形状、尺寸、位置和表面质量均符合技术要求。金属切削过程实质上就是形成切屑和已加工表面的过程。在切削过程中要发生诸多物理现象，如切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等，了解和掌握这些现象的成因、作用及其变化规律，对于保证加工质量，提高生产率，降低成本，以及正确设计机械零件和合理使用金属切削刀具、机床、夹具等，都具有十分重要的意义。
一、金属切削过程
（一） 切屑的形成
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。图10-32所示的金属切削过程中的滑移线和流线示意图，流线表示被切金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。由图可见，大致划分为三个变形区。
⒈ 第一变形区
从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成。这一区域称为第一变形区（Ⅰ）。
⒉ 第二变形区
切屑沿前刀面排除时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处金属纤维化，基本上和前刀面相平行。这部分叫第二变形区（Ⅱ）。
⒊ 第三变形区
已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。这部分的变形也是较密集的，称为第三变形区（Ⅲ）。
图10-32金属切削过程中的滑移线示意线 图10-33 第一变形区金属的滑移
这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件本体分离，大部分变为切屑，很小一部分流在已加工表面上。
图10-32中的虚线OA、OM实际上就是等切应力曲线。如图10-33中所示，当切削层中金属某点P向切削刃逼近，到达点1的位置时，此时金属切应力达到材料的屈服点τs，点1在向前移动的同时，也沿OA滑移，其合成运动就使点1流动到点2。2’—2就是它的滑移量。随着滑移的产生，切应力将逐渐增加，也就是当P点向1、2、3…各点流动时，它的切应力不断增加，直到点4位置，其流动方向与前刀面平行，不在沿OM，所以OM叫终滑移线，OA叫始滑移线，在OA到OM之间整个第一变形区内，其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。
（三） 切屑种类
由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而所产生的切屑种类也就多种多样。归纳起来，可分为四种类型，如图10-34所示。图中（a）、（b）、（c）为切削塑性材料的切屑，（d）为脆性材料的切屑。
图10-34 切屑类型
(a)带状切屑 (b)节状切屑 (c)粒状切屑 (d) 崩碎切屑
⒈ 带状切屑
这是最常见的一种切屑，他的内侧面是光滑的，外侧面是毛茸的，加工塑性金属材料时，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角大时，一般常常得到这类切屑。产生带状切屑时的切削过程较平稳，已加工表面粗
糙度较小。
⒉ 节状切屑
这类切屑的外形与带状切屑不同之处在外侧面呈锯齿形，内侧面有时有裂纹。这种切屑大都在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。形成节状切屑时，切削力波动较大，工件表面质量较差。
⒊ 粒状切屑
如果在节状切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑。在切削铅或用很低的速度切削钢可得到此类切屑，这类切屑在生产中比较少见。
⒋ 崩碎切屑
在切削铸铁、铸黄铜等脆性材料时，切削层的金属在产生少量弹性变形后，几乎不发生塑性变形，而瞬间发生崩裂，此时形成崩碎切屑。形成这种切屑时刀尖受到的冲击力较大，切削热多集中在刀尖附近，刀具容易磨损。零件的表面加工质量较差。
二、积屑瘤
图10-35 积屑瘤
在切削钢、铝合金等塑性材料时，在一定温度范围内（即切削区的温度达300~380℃时），常有一些金属冷焊（粘结）并层积在刀具表面上，并代替刀具进行切削，这一小硬块称为积屑瘤（如图10-35所示）。
1．积屑瘤的成因
积屑瘤是由于切屑与前刀面剧烈的摩擦而形成的。切屑沿着前刀面流出时，在一定的温度与压力的作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这层金属的流动速度降低。当切屑底层材料中剪应力超过材料的剪切屈服强度时，切削层被剪切断裂粘结在前刀面上，粘结金属层经过剧烈塑性变形硬度很高（积屑瘤的硬度高于工件材料的2~3倍），它代替切削刃继续剪切较软的金属层，依次层层堆积，高度逐渐增大而形成了积屑瘤。
由于切削过程中的冲击、振动、切削力负荷不均等原因，会出现整个积屑瘤或部分积屑瘤的剥离、脱落以及再生，所以积屑瘤时大、时小、时有、时无。
2．积屑瘤的影响
积屑瘤包围切削刃，可以代替刀具进行切削，减少了刀具的磨损；积屑瘤的存在增大了刀具的实际工作前角，使刀具更加锋利；积屑瘤的不稳定性，对加工精度和表面质量的影响较显著。所以，在粗加工时可以利用它，在精加工时要避开它。
3．影响积屑瘤的因素及控制
⑴ 切削速度
切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的。以45钢为例，在切削速度小于3m/min和大于60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤。在切削速度为20m/min左右时，切削温度约300℃，产生的积屑瘤高度达到最大值。
⑵ 进给量 进给量增大，增加了刀具与切屑的接触长度，从而形成积屑瘤的生成基础。若适当降低进给量的值，则可削弱积屑瘤的生成基础。
⑶ 刀具前角 前角增大，切削力减少，切削温度下降，减少了积屑瘤生成基础。实践表明，前角大到35°时，一般不产生积屑瘤。
提高刀具刃磨质量和合理选用切削液，使摩擦系数减少，均可达到抑制积屑瘤的作用。⑷ 切削液 采用润滑良好的切削液可减少或降低积屑瘤的生成。
三．切削力
⒈ 切削力的来源
切削力是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力。为了切除毛坯上的多余金属，刀具必须克服金属材料各种变形抗力和摩擦阻力。这些分别作用于刀具和工件上的大小相等、方向相反的力的总和称为切削力。切削力来源于三个方面（图10-36）。
图10-36 切削力的来源 图10-37 切削合力和分解
⑴ 克服被加工材料对弹性变形的抗力；
⑵ 克服被加工材料对塑性变形的抗力；
⑶ 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。
⒉ 切削力的分解
上述各力的合力为总切削力Fr。总切削力是切削过程中的一个主要的物理因素，是计算切削功率，设计和选择机床、夹具、刀具的必要依据。
图10-37为外圆车削时，刀具作用在工件上的总切削力的分解示意图。随着加工条件的不同，总切削力（Fr）的方向和数值是变化的。为了应用和测量的方便，常将总切削力分解在与机床主运动和进给运动方向相一致的三个相互垂直的
方向上，形成三个分力。
F
=F
+F
+F
（10-3）
主切削力FZ——总切削力在切削速度方向上的分力称为主切削力。该力是计算工艺装备（刀具、机床和夹具）的强度、刚度以及效验机床功率的主要原始数据之一。
切深抗力Fy——总切削力在切削深度方向上的分力。由于Fy指向工件径向，又称为径向力。它能使工件产生切削振动，故对加工精度及表面质量影响较大。
进给抗力Fx——总切削力在进给方向上的分力。该力是计算工艺装备（刀具、机床和夹具）的强度、刚度以及效验机床进给功率的主要原始数据之一。
⒊ 影响切削力的因素
凡是影响切削变形抗力和摩擦阻力的因素，都会影响总切削力。
⑴ 工件材料 工件材料的硬度或强度愈高，其变形抗力也愈大，切削力也愈大。例如，高碳钢的切削力大于中碳钢。在切削强度和硬度相近的材料时，塑性和韧性越大的材料，切削力也越大。这是因为材料的塑性越大，切削时的塑性变形和加工硬化也就越显著，切屑与刀具间的摩擦也就越大，所以切削力也就越大。
⑵ 刀具角度 在切削同一种金属材料时，增大刀具前角可以使切削轻快，切削力小。为了防止工件的弯曲和振动，在切削细长轴类零件时，刀具常选用较大的主偏角。
⑶ 切削用量 切削用量中对切削力影响较大的是切削深度ap与进给量f，ap和f增大都会使切削层面积增大，从而使变形抗力和摩擦力增大。但ap和f对切削力的影响程度不相同，ap增加一倍、Fr也增大一倍，而f增大一倍，Fr只能增大68%～80%。故在切除相同余量的条件下，增大f比增大ap更为有利。
此外，切削液、刀具磨损等因素对切削力也有不同程度的影响。
四．切削热和切削温度
⒈ 切削热的产生与传出
在切削过程的剪切变形、刀具前刀面与切屑底面之间的摩擦、刀具后刀面与已加工表面时之间的摩擦所作的功，最终都转化为热能，这就是切削热的来源。分析图10-38可知，切削区域的热量是由切屑、工件、刀具和周围介质传出的。
图10-38切削热的来源
切削温度是指刀具与切屑接触区、刀具与工件接触区形成的中心区的平均温度。切削温度的高低，除与切削热的产生直接有关外，还与切削热的传散有关。
金属切削过程虽然是属于冷加工范畴，但热源区域的温度并不低，在使用普通高速钢刀具加工时，切削温度可达300～600℃，对于硬质合金刀具，切削温度可达800～1000℃。
在一般情况下，切屑带走的热量最多，其余依次是工件、刀具和周围介质。在不施加切削液的情况下，传入周围介质（例如空气）的切削热只占很小的比例，车削约为1%，钻削约为5%。
⒉ 影响切削温度的因素
⑴ 工件材料 工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单位时间内产生的热量越多，切削温度也越高。如果工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削热相应增多，切削区的平均温度将降低。反之，切削导热性差的工件材料，切削区的平均温度就增高。
⑵ 切削用量 在切削用量中，切削速度对切削温度的影响最大。随着切削速度的提高，材料切除率随之成正比的增加。但随着切削速度的提高，切屑变形相应减少，所以，切削热虽然有所增加，但不是成倍增加。进给量对切削温度的影响程度不及切削速度显著，但比切削深度要大些。
⑶ 刀具角度 增大前角，切屑变形及摩擦减少，由变形和摩擦产生的热量减少，切削温度随之降低。主偏角增大，切削刃长度缩短，使散热条件变差，切削温度升高。
影响切削温度的其它因素还有切削液、刀具磨损、刀具材料等。
五、切削液
合理使用切削液能有效地减少切削力、降低切削温度，从而能延长刀具寿命，防止工件热变形和改善已加工表面质量。
⒈ 切削液的作用
切削液浇注在切削区域内，利用热传导、对流和汽化等方式，降低切削温度和减少工艺系统热变形。切削液渗透到刀具、切屑与工件表面之间起润滑
作用，从而减少切屑、工件与刀面间的摩擦，减少粘结和刀具磨损，提高已加工表面质量。此外切削液还具有排屑、防锈等作用。
⒉ 切削液的种类
生产中常用的切削液有：以冷却为主的水溶性切削液和以润滑为主的油溶性切削液。
⑴ 水溶性切削液 水溶性切削液主要分为：水溶液、乳化液和合成切削液。这类切削液比热大，流动性好，可吸收大量的热。使用这类切削液的目的主要是冷却刀具、提高刀具耐用度或提高切削速度。
水溶液是以软水为主加入防锈剂、防霉剂。有的还加入油性添加剂、表面活性剂以增加润滑性。水溶液常用于粗加工和普通磨削加工中。
乳化剂是水和乳化油经搅拌后形成的乳白色液体。含有较少乳化油的低浓度乳化液起冷却作用为主，用于粗加工和普通磨削加工中；高浓度乳化液起润滑作用为主，用于精加工。
合成切削液是国内外推广使用的高性能切削液。它是由水、各种表面活性剂和化学添加剂组成的。它具有冷却、润滑、清洗和防锈性能，使用周期长等特点。合成液中不含油，可节省能源，有利于环保，国外利用率达到60%，我国工厂使用也日益增多。
⑵ 油溶性切削液 油溶性切削液主要有切削油和极压切削油。这一类切削液比热小，流动性差，冷却作用较小，主要起润滑作用，多用于提高表面加工质量。
切削油中有矿物油、动植物油和复合油，其中常用的是矿物油。矿物油包括机械油、轻柴油、煤油等。它们的特点是，热稳定性好，资源丰富，价格便宜，但润滑性差，它主要用于切削速度较低的精加工、有色金属加工和易切钢加工。机械油的润滑作用较好，故在普通精车、螺纹精加工中使用甚广。
极压切削油是矿物油中添加氯、硫、磷等极压添加剂配制而成。它在高温下不破坏润滑膜，具有良好润滑效果，故被广泛使用。
六、刀具磨损与刀具寿命
（一）刀具磨损
在切削过程中，刀具在切除金属时，受到切削力、切削热、摩擦的综合影响，致使刀具使用一段时间刃口变钝，以致无法继续进行切削，需经过重新刃磨以后，使切削刃恢复锋利，才可继续切削。这样经过使用、变钝、刃磨几个循环之后，刀具的切削部分便无法使用而完全报废。
刀具磨损形式可分为正常磨损和非正常磨损两大类。正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。刀具的磨损形态如图10-39所示。非正常磨损亦称破损，如切削刃崩刃、刀刃与刀面出现大面积脱落、塑性变形、热裂等。
图10-39 刀具的磨损形态 图10-40 刀具磨损
1． 刀具的正常磨损形式
⑴ 后刀面磨损 指磨损的部分主要发生在后刀面，一般在切削脆性材料或用较低的切削速度、切削厚度较小时易出现后刀面磨损。用磨损带宽度VB来表示磨损量。如图10-40（a）所示。
⑵ 前刀面磨损（月牙洼磨损） 在切削塑性材料时，如切削速度较高、切削厚度较大，易于产生前刀面磨损。其磨损量可用月牙洼的深度KT和月牙洼的宽度KB来度量。如图10-40 (b)所示。
由于切削条件不同，上述两种磨损形式可能在一把刀具上同时发生，也可能以其中的一种形式为主。
⑶ 边界磨损 切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹。特别是在加工锻件、铸件等外皮粗糙的工件时，更易发生边界磨损。
2．刀具的磨钝标准
刀具磨损值达到了规定的标准（磨钝标准）应该重磨或更换切削刃（可转位刀片），否则会影响加工质量、降低刀具的利用率。可以把后刀面磨损最大宽度（VBmax）或月牙洼磨损最大值（KTmax、KBmax）定义为磨钝标准。通常采用VBmax作为磨钝标准，但在高速连续切削情况下， 磨钝标准中还必须包括月牙洼磨损。
（二）刀具寿命
刃磨或换刃后的刀具，自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间，称为刀具寿命，符号T，单位为min或s。
例如生产中常采用达到正常磨损VB=0.3mm时的刀具寿命。有时也采用在规定加工条件下，按完成额定工作量的可靠寿命；在自动化生产中保持工件尺寸精度的尺寸寿命。
七、工件材料的切削加工性
切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度。可以用刀具寿命高低和加工材料的物理、化学、力学性能来衡量切削该材料的难以程度。通常认为：良好的切削加工性应该是刀具的耐用度高、加工质量易于保证、消耗功率低、断屑问题易于解决。
切削加工性是一相对的概念，所谓某材料切削加工性好坏，是相对于另一种材料而言的。一般在讨论钢的切削加工性时，以45钢为例，以Vt作为衡量材料加工性的标准。
Vt的含义是指当刀具寿命为t分钟时，切削某种材料所允许的切削速度。Vt值愈高，表示材料的切削加工性愈好。通常取t=60min，Vt写为V60，以45钢（170～229HBS，
σb=735MPa）的V60 为基准，记作V060，其它材料的V60 与V060之比Kr成为相对切削性。即：
Kr= V60 /V060 （10-4）
当Kr>1时，该材料比45钢易切削，例如Kr>3的有色金属（铝镁合金）；当Kr<1时，该材料比45钢难切削，例如Kr <0.5的高锰钢、钛合金等，这些材料称为难加工材料。
常用材料的相对切削加工性可分为八级，见表10-4。
影响工件材料切削加工性的主要因素是材料的硬度、强度、塑性与韧性、导热系数、化学成份、金相组织、热处理方法等。
改善材料切削加工性的途径有：控制材料中对切削加工性有影响的元素含量，例如在钢中添加硫、铅、钙等元素后的“易切削钢”，使切削加工性得到改善。用热处理改变金相组织，如高碳钢和工具钢可球化退化降低硬度；热轧中碳钢经过正火可使其组织与硬度均匀；低碳钢可通过正火提高硬度；马氏体不锈钢可进行调质降低硬度，以改善切削加工性。对于高强度钢等材料进行热处理，采用高温切削、低温切削、振动切削来改变切削条件，以改善材料切削加工性。
表10-4 材料的相对切削加工性
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加工性等级
|
名称及种类
|
相对加工性Kr
|
代表性材料
|
|
1
|
很容易切削的材料
|
一般有色金属材料
|
>3.0
|
5-5-5铜铅合金，9-4铝铜，铝镁合金
|
|
2
|
容易切削的材料
|
易切削钢
|
2.5～3.0
|
15Cr退火，σb=380～450MPa
|
|
自动机钢，σb=400～500MPa
|
|
3
|
较易切削钢
|
1.6～2.5
|
30钢正火，σb=450～560MPa
|
|
4
|
普通材料
|
一般钢及铸铁
|
1.0～1.6
|
45钢、灰铸铁
|
|
5
|
稍难切削材料
|
0.65～1.0
|
2Cr13调质，σb=850MPa
|
|
85钢，σb=900MPa
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|
6
|
难切削材料
|
较难切削材料
|
0.5～0.65
|
45Cr调质，σb=1050MPa
|
|
65Mn调质，σb=950～1000MPa
|
|
7
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难切削材料
|
0.15～0.5
|
50CrV调质，1Cr18Ni9Ti
|
|
某些钛合金
|
|
8
|
很难切削材料
|
<0.15
|
某些钛合金，铸造镍基高温合金
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