1.3 金属切削过程中的物理现象

在切削加工的过程中，伴随着切削变形、切削力、切削热、刀具磨损等物理现象的发生。在掌握切削刀具基本知识的基础上，研究分析这些物理现象，对于保证零件的加工质量，降低加工成本和提高生产率具有十分重要的意义。下面以切削塑性材料为例，来说明金属切削的变形过程。

1.3.1 金属切削变形过程

刀具对工件的切削加工，实际上是切削层金属材料受到刀具的切削刃和前刀面强烈推挤作用，发生强烈的塑性变形，从工件母体上脱离下来，变成切屑。对切屑形成过程的研究是金属切削过程中的根本问题，是研究切削过程中其他各物理现象的基础。

1．积屑瘤

1）积屑瘤现象

切削钢、铝合金等塑性材料时，在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，有一些来自切屑底层的金属冷焊并层积在刀具前刀面上，形成硬度很高的三角形楔块（是工件硬度的2～3倍），它能够代替切削刃和前刀面进行切削，这一楔块称为积屑瘤，如图1-15所示。

图1-16所示为积屑瘤示意图。可见，积屑瘤黏结在刀具前刀面上并包络切削刃，其向前伸出的尺寸称为积屑瘤的高度Hb，向下伸出的尺寸称为过切量ΔhD。

2）积屑瘤的成因

由于刀—屑间的挤压和摩擦，使一部分切屑底层的金属冷焊在刀具前刀面上，形成滞留层，这是积屑瘤形成的基础。当切屑流经滞留层时（产生的摩擦相当于“内摩擦”），受滞留层的阻碍而黏结在滞留层上，切屑底层金属在滞留层上逐渐层积，最后形成积屑瘤。

除刀—屑摩擦外，积屑瘤的形成还与工件材料及温度有关。若工件材料的加工硬化倾向大，经塑性变形的滞留层因加工硬化而使其强度、硬度增加，耐磨性好，能够抵抗切屑的挤压和摩擦而在前刀面停留，产生积屑瘤。若温度过低，刀—屑之间不易发生冷焊，不能形成滞留层，不会产生积屑瘤；若温度过高，切屑底层的金属弱化，同样也不会产生积屑瘤。因此，积屑瘤只有在适当的温度下才会产生。

一般来说，切削速度越高，则切削温度也越高。因此，可利用切削速度代替切削温度来分析对积屑瘤的影响。

3）积屑瘤对切削过程的影响

（1）对刀具耐用度的影响。积屑瘤黏结在刀具前刀面上，在相对稳定时，可代替切削刃和前刀面进行切削，起到保护刀具的作用。若不稳定，则积屑瘤破裂而从前刀面脱落，可能会带走刀具表面的金属颗粒，造成刀具磨损加剧。

（3）增大切削厚度。由于有过切量ΔhD的存在，使实际切削厚度增大。（2）增大实际工作前角刀具的实际工作前角。产生积屑瘤后，实际起作用的前刀面是积屑瘤表面，刀具γoe增大，可降低切削力，这对切削过程是有利的。

（4）增大已加工表面粗糙度。积屑瘤在切削刃各点的过切量不同，在已加工表面上切出深浅和宽窄不同的“犁沟”，使粗糙度增大；积屑瘤的产生、成长与脱落是一个动态变化的过程，易引起切削振动，使粗糙度增大。因此，精加工时应设法避免或减小积屑瘤。

可见，积屑瘤的存在对切削过程的影响有利有弊。对于粗加工，积屑瘤的存在是有利的；对于精加工，则是不利的。

2．切削变形的影响因素

1）工件材料

工件材料的强度和硬度越高，切削力越集中，平均正应力增大，变形系数减小，变形程度减轻。

2）刀具前角

刀具前角增大使剪切角增大，变形程度减轻。

3）切削速度

切削塑性材料时，在无积屑瘤的速度区域，切削速度增大，使变形系数减小。在有积屑瘤的速度区域，切削速度增大，刀具的实际工作前角增大，变形系数减小。

切削脆性材料时，切削速度对切削变形的影响不显著。

4）切削厚度

切削厚度增大，前刀面所受法向力增大，摩擦系数减小，剪切角增大，变形系数减小。

3．切屑的种类

加工条件不同，切削变形程度也不同。变形程度对切屑的形状会有一定的影响。在生产实际中，切屑形状多种多样，如带状屑、C形屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑、崩碎屑等。归纳起来可分为四种类型：带状切屑、节状切屑、粒状切屑和崩碎切屑，如图1-17所示。

1）带状切屑

带状切屑的外表面呈毛绒状，内表面是光滑的。利用显微镜观察，在切屑的侧面上可以看到剪切面的条纹，但肉眼看来大体是平整的。一般情况下，在加工塑性金属材料时，切削速度较高，刀具前角较大，切削厚度较小，可形成带状切屑。其切削过程比较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。

2）节状切屑

节状切屑又称挤裂切屑，其外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在形成带状切屑的条件下，适当降低切削速度，增大切削厚度，减小刀具前角可形成此类切屑。

3）粒状切屑

在形成节状切屑的条件下，进一步降低切削速度，增大切削厚度，减小刀具前角，切屑沿着剪切面方向分离，形成一个个独立的梯形单元，这时节状切屑就变成粒状切屑（又称单元切屑）。

可见，上述三种切屑都是在切削塑性材料时形成的，当改变切削速度、切削厚度或刀具前角等切削条件时，这三种切屑形态往往可以相互转化。

4）崩碎切屑

切削脆性材料时，由于材料的塑性较小，抗拉强度低，在刀具的作用下，工件材料在未发生明显塑性变形的情况下就已脆断，形成不规则的碎块状切屑，同时使工件的已加工表面凸凹不平。

1.3.2 切削力

切削力不仅对切削热的产生、刀具磨损、加工质量等方面有重要的影响，而且也是计算切削功率，制定切削用量，设计和使用机床、刀具和夹具等工艺装备的主要依据。因此，研究切削力的规律，对生产实际有重要的意义。

1．切削力的来源及切削力的合成与分解

1）切削力的来源

刀具在切削工件时，前刀面对切屑，后刀面对已加工表面有强烈的挤压与摩擦，使工件及切屑产生严重的弹塑性变形。若以刀具作为受力对象，则工件、切屑的弹塑性变形抗力及摩擦又反作用于刀具，如图1-18所示。因此，切削力的来源有工件、切屑对刀具的弹塑性变形抗力和工件、切屑对刀具的摩擦阻力两个方面。

2）切削分力

以外圆车削为例，在直角切削时，若不考虑副切削刃的切削作用，上述各力对刀具的作用合力F应在刀具的正交平面Po内。为了便于测量和应用，可将合力F分解为三个相互垂直的分力，如图1-19所示。

（1）切削力Fe。切削力与基面垂直，即平行于切削速度方向。在切削过程中，切削力所消耗的功率约占总量的99%左右，所以Fe是计算切削功率的主要依据，同时又是设计机床、刀具、夹具的主要数据，故又称为主切削力。

（2）进给力Ff。进给力在基面内，与进给运动方向平行，即与工件的轴线平行。进给力是计算进给运动所消耗的功率，设计校核进给机构强度的主要依据。

（3）背向力Fp。背向力在基面内，与进给运动方向垂直，即与工件的轴线垂直。外圆车削时，因背向力方向上的运动速度等于零，所以Fp不消耗切削功率。但是由于Fp作用在工艺系统刚度最弱的方向上，易使工件变形和产生振动，影响加工质量，尤其是加工细长轴时更为显著。背向力Fp是选用机床主轴轴承和校验机床刚度的依据。

3）切削功率

切削功率是各切削分力所消耗功率之和。外圆车削时，背向力Fp不消耗功率，进给力Ff消耗的功率很小，仅为总功率的1%～2%，可忽略不计。所以切削功率Pc主要是切削力Fe消耗的功率，可按下式计算：

式中 Pc——切削功率（kW）；

Fe——切削力（N）；

νc——切削速度（m/s）；

n——工件转速（r/min）；

dw——工件待加工表面直径（mm）。

计算机床电动机功率时，还要考虑机床的传动效率，即

式中 PE——机床电动机功率（kW）；

Pc——切削功率（kW）；

η——机床传动效率，一般取0.75～0.85。

2．切削力的影响因素

1）工件材料

切削塑性材料时，工件材料的强度、硬度高，切削力增大；强度、硬度相近的工件材料，若加工硬化倾向大，切削力增大。切削脆性材料时，被切材料的弹塑性变形小，切削力相对较小。

2）切削用量

（1）切削速度νc。切削塑性材料时，在无积屑瘤的速度区域，随着νc的增大，切削温度升高，工件材料的强度和硬度因产生弱化现象而降低，切削力减小。切削脆性材料时，由于变形和摩擦都较小，所以νc对切削力的影响不显著。

（2）进给量f和背吃刀量ap。根据切削力的理论公式，f及ap增大，都会使切削力增大，但两者对切削力的影响程度不同。ap增大，变形系数Λh不变，切削力随ap成正比例增大；f增大，切削厚度hD增大，使Λh有所减小，故切削力不成正比例增大，影响程度相对较弱。

3）刀具几何参数

（1）刀具前角γo。加工塑性材料时，γo增大，使变形系数Λh和C值减小，切削力降低。

加工脆性材料时，由于刀—屑摩擦、切削变形及加工硬化现象不明显，故γo的变化对切削力的影响不如切削塑性材料时显著。

（2）负倒棱。在刀具的前刀面上，沿切削刃方向磨出前角为负值（或前角为零，或很小的正前角）的窄棱面，以增加刃区的强度，这一窄棱面成为负倒棱。通常用负倒棱前角γo1及其棱面宽度bγ1来衡量，如图1-20（a）所示。

显而易见，负倒棱的存在会使切削力增大。其影响程度与切削时负倒棱面所起的作用有关。若刀屑接触长度远大于负倒棱宽度bγ1，如图1-20（b）所示，则切屑流出时，刀具前刀面起主要作用，实际工作前角是γo，负倒棱的存在使切削力增大，但影响程度不显著；若刀屑接触长度小于或等于负倒棱宽度bγ1，如图1-20（c）所示，则切屑流出时，实际起作用的是负倒棱面，实际工作前角为γo1，这时负倒棱的存在使切削力增大且影响显著。

4）刀具的磨损

刀具发生磨损，特别是后刀面磨损后，在刀具的后刀面沿切削刃的方向上，磨出后角为零的棱面，使刀具后刀面与工件的摩擦加剧，切削力增大。

5）切削液

采用润滑效果好的切削油，能减小前刀面与切屑、后刀面与工件表面的摩擦，显著地降低切削力。

1.3.3 切削热与切削温度

切削热和切削温度是切削过程中极为重要的物理现象，不仅与其他物理现象有相互影响，而且也影响工件的加工质量和刀具耐用度。

1．切削热的产生与传出

1）切削热的产生

生产中，切削时所消耗的能量除有1%～2%用于形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潜藏能外，绝大部分消耗的能量都转化为热能。工件切削过程中存在着强烈的弹塑性变形和摩擦，这是导致切削热产生的主要原因，如图1-21所示。切削热的产生来自使工件及切屑发生弹塑性变形消耗的能量而转化的热和切屑与前刀面、已加工表面与后刀面的摩擦而产生的热两个方面。

2）切削热的传出

如图1-21所示，在切削区产生的热量要向刀具、工件、切屑和周围的介质（空气或切削液）传散。加工方式不同，从刀具、工件、切屑和周围的介质传热的比例也不同，如表1-5所示。

切削热的产生与传出直接影响切削区温度的高低。如工件材料的导热系数高，由工件和切屑传散的热量多，工件的温度较高，但切削区的温度较低，这有利于降低刀具的磨损，提高刀具耐用度；若刀具材料的导热系数高，从刀具传散的热量多，切削区的温度也会降低。若在切削时采用冷却效果较好的切削液，可大大降低切削区的温度。

2．切削温度的影响因素

1）工件材料

工件材料的强度、硬度越高，产生的切削力越大，消耗的切削功率多，产生的切削热多，切削温度升高；工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的热量多，使切削区的温度降低；切削脆性材料时，由于切削变形和摩擦都比较小，所以切削温度一般低于钢料等塑性材料。

2）切削用量

（1）切削速度νc。当νc升高时，尽管切削力Fe有所减小（若不考虑积屑瘤的影响），但消耗的切削功率还是增大的，产生的切削热增多。

（2）进给量f。进给量f增大使切削温度升高。

（3）背吃刀量ap。当背吃刀量ap增大时，尽管产生的热量成正比例增多，但参加工作的切削刃长度也成正比例增加，明显改善了散热条件。因此，ap变化对θ的影响不明显。

切削温度是影响刀具耐用度最为主要的因素，所以，在机床允许的情况下，为有效地控制切削温度，提高刀具耐用度，选用大背吃刀量和进给量，比选用大的切削速度有利。

3）刀具几何参数

（1）刀具前角γo。刀具前角γo增大，使切削力Fe明显减小，产生的热量减少，切削温度θ降低。但γo若减小得过多，由于楔角βo也减小，使刀具的容热体积减小，传出的热量也少，θ不会进一步降低，反而可能会升高，如图1-22所示。

（2）主偏角κr。主偏角κr对切削力Fe的影响不大。

（3）刀具的磨损和切削液。

当刀具磨损时，在后刀面上磨出一个后角为零的窄棱面，与工件的摩擦加剧，使切削温度升高。

切削液能起到散热、减小摩擦的作用，因此，合理使用切削液可有效降低切削温度。

1.3.4 刀具的磨损与耐用度

刀具在正常使用过程中，一方面切下切屑，另一方面刀具本身也会逐渐产生磨损。当刀具的磨损达到一定程度时，会使切削力增大，切削温度急剧升高，这时既影响工件的加工质量，也易使刀具过度磨损或发生破损（如烧刀、塑性变形、崩刃等）而废弃。因此，需要及时对刀具进行重磨或更换刀片，防止刀具过度磨损。本节主要讲述刀具的磨损，包括磨损形态、磨损原因、磨损过程、磨钝标准及刀具耐用度等内容。

1．刀具磨损的形态

在切削过程中，切屑与前刀面、工件与后刀面的接触区内，存在强烈的挤压与摩擦，并伴随着较高的温度，使前、后刀面逐渐磨损，如图1-23所示。

1）前刀面磨损

当切削塑性材料时，如果切削速度较高，切削厚度较大，在前刀面靠近切削刃的位置因切削温度最高而磨出一个小凹坑（称为月牙洼），形成前刀面磨损。随着切削的继续，前刀面磨损加剧，月牙洼的深度和宽度逐渐扩展，使月牙洼与切削刃间的棱边变窄，切削刃强度大为削弱，极易导致崩刃而造成刀具的破损。前刀面磨损程度一般以月牙洼最大深度KT表示。

2）后刀面磨损

无论切削塑性材料还是脆性材料，由于刀具的后刀面与工件表面挤压与摩擦，在后刀面沿切削刃方向上磨出后角为零度的窄棱面，而造成后刀面磨损。切削刃各点处的磨损是不均匀的。因此可将后刀面磨损带分为三个区域：C区、B区和N区，其磨损程度用磨损带宽度来衡量，分别用VC、VB和VN来表示。在C区（刀尖处），由于切削热比较集中，散热条件差，磨损严重。在N区（工件待加工表面处的后刀面磨损带），由于工件表面有硬皮或产生加工硬化现象，待加工表面处的材料硬度较大，导致N区磨损比较严重；同时，在N区存在着很高的应力梯度和温度梯度，引起很大的剪应力，使磨损严重；此区域刀具材料在高温下易发生化学反应使磨损加剧。而在B区（后刀面磨损带的中间部位），磨损带长度较大，磨损程度相对较轻。刀具副后刀面的磨损与后刀面的情况类似，由于切削负荷小，磨损程度相对较弱。

3）前、后刀面同时磨损

这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性材料时，经常会发生这种磨损。

2．刀具磨损的原因

与普通零件不同，刀具的工作环境有以下特点：刀具与工件间的接触压力大，有时超过工件材料的屈服极限；刀具与切屑、工件的新形成表面接触，易发生化学反应；刀具的工作环境温度高，有时甚至达到1000℃以上。因此，刀具发生磨损是机械作用、热作用和化学作用综合影响的结果。

1）硬质点磨损

虽然工件的硬度低于刀具的硬度，但在工件中经常掺杂一些硬度高、熔点高的硬质点，如碳化物（Fe3C、TiC）、氮化物（TiN、Si3N4）和氧化物（SiO2、Al2O3）等，能在刀具表面划出一道道沟痕，造成刀具磨损。

由于这些硬质点的高温硬度也很高，因此硬质点磨损在各种切削速度（切削温度）下都存在。但在低速切削时，其他磨损原因尚不显著，硬质点磨损成为刀具磨损的主要原因。高速钢刀具在中低速下工作，且其耐磨性较硬质合金差，故高速钢刀具发生硬质点磨损的比重较大。

2）冷焊磨损

在适当的温度和压力下，刀具与工件、切屑之间因挤压摩擦而产生冷焊现象。在切削运动的作用下，冷焊结点受剪而破裂。一般来说，冷焊结点的破裂往往发生在强度较低的工件或切屑上，但由于交变应力、接触疲劳、热应力及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结点也可能在刀具表面破裂，这样刀具表面的颗粒被工件或切屑带走，造成刀具的磨损。

冷焊现象一般在中低速下产生，而高速钢刀具就在这个速度区域内工作，因此高速钢刀具易发生冷焊磨损；硬质合金刀具通过提高切削速度后，可减轻发生冷焊磨损的程度。

3）扩散磨损

在切削过程中，相互接触的切屑底层金属、工件新表面及刀具表面都是新鲜表面，当切削温度较高时，工件与刀具的化学元素活性增强，会发生扩散现象，即元素从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散，从而改变刀具表面的化学成分，使刀具表面变得脆弱，丧失原有的切削性能，造成刀具的磨损。

实验表明，刀具与工件间的元素浓度差值越大，切削温度越高，扩散现象越明显，刀具发生扩散磨损的程度越严重。高速钢刀具的工作温度较低，发生扩散磨损的程度要远小于硬质合金刀具。

4）化学磨损

在切削温度为700～800℃以上时，刀具材料与某些介质（如空气中的氧或切削液中的硫、氯等）发生化学反应，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，从而丧失刀具材料原有的切削性能，造成刀具磨损。但是空气和切削液不易进入刀—屑接触区，化学磨损主要发生在主、副切削刃的工作边界处。

综上所述，切削温度（或切削速度）是影响刀具磨损最主要的因素。图1-24所示为不同切削温度下刀具发生磨损的原因及其磨损强度。可见，在高温时，刀具发生扩散和化学磨损的强度较高；在中低温时，冷焊磨损占主导地位；而磨料磨损强度基本上不随温度变化。

3．刀具磨损过程

刀具的磨损不仅影响工件的尺寸精度和表面质量，而且也影响刀具材料的消耗和加工成本。因此，当刀具磨损到一定程度就不能继续使用。那么，刀具磨损到什么程度就不能使用了呢？这需要制定一个磨钝的标准。为此，先研究刀具的磨损过程。

根据切削实验，可得出如图1-25所示的刀具磨损曲线。可以看出，磨损曲线近似由三段直线组成，根据直线的斜率不同，可将刀具的磨损分为三个阶段。

1）初期磨损阶段

初期磨损阶段磨损曲线的斜率较大，即刀具磨损严重。分析原因，一方面是新刃磨的刀具表面粗糙不平，以及存在显微裂纹、刃磨裂纹等缺陷，造成刀具磨损；另一方面，新刃磨的刀具切削刃比较锋利，后刀面与加工表面间接触面积小，压应力较大，使这一阶段刀具磨损较快。

2）正常磨损阶段

正常磨损阶段磨损曲线的斜率与初期相比减小，即刀具磨损相对平缓。经初期磨损后，刀具粗糙的表面已被磨平，且在后刀面沿切削刃方向磨出一条窄棱面，刀具与工件间接触压强减小，磨损强度降低。

3）剧烈磨损阶段

剧烈磨损阶段磨损曲线的斜率很大，即刀具磨损剧烈。这一阶段的刀具切削刃变钝，切削力增大，同时刀具后刀面的磨损带宽度VB较大，与工件摩擦强烈，造成刀具磨损加剧。在此磨损阶段到来之前，应及时更换或重新刃磨刀具。

4．刀具耐用度及其经验公式

1）刀具耐用度的概念

一把新刃磨的刀具，从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的纯切削时间（不包括装卸工件，刀具位置的调整等辅助时间），称为刀具耐用度，以T表示。T是确定换刀时间的重要依据。

刀具寿命与刀具耐用度不同。刀具寿命表示一把新刀用到报废为止总的切削时间，其中包括多次重磨。因此，刀具寿命等于刀具耐用度乘以重磨次数。

刀具耐用度也可用达到磨钝标准前的切削路程（单位为km）或加工零件数N表示。

2）刀具耐用度的确定

确定刀具耐用度的合理数值通常有两种方法：

① 根据单件工序工时最短的原则来确定刀具耐用度，即最大生产率耐用度，用Tp表示。

② 根据单件工序成本最低的原则来确定刀具耐用度，即经济耐用度，用Tc表示。

一般情况下，这两种情况应当兼顾。