切削的物理现象综述

作者：陈长春 单位：齐齐哈尔鑫科机械有限责任公司

切削区大致存在三个变形区域：1）第一变形区，工件材料的晶粒原为圆形颗粒，当受到刀具作用，产生剪切应力时，晶格内的晶面间就发生滑移，使晶粒变为椭圆形。2）第二变形区切屑沿前刀面排出时，进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，其方向基本上与前刀面相平行。3）第三变形区，已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，造成其纤维化和加工硬化。

切屑分类。要正确认识金属切削过程，首先要对切屑进行研究。由于工件材料、刀具几何角度和切削用量的不同，所切出切屑形状也就不同。在现代切削加工中，尤其在自动线加工时，如何有效地控制切屑形状，对正常生产和操作安全有着重要的意义。从变形的机理出发，各种不同形状的切屑分为四类：1）带状切屑，内表面光滑，外表面毛茸。是在加工塑性金属，切削速度高，切削厚度较小，刀具前角较大时的常见切屑。此时，切削过程较平稳，已加工表面粗糙度较小。2）节状切屑又称挤裂切屑，其外表面呈锯齿形，内表面基本上仍相连，有时出现裂纹。当切削速度较低和切削厚度较大时易得此种切屑。3）粒状切屑又称单元切屑。此种切屑较特别，当整个剪切面上的剪应力超过材料的破裂强度，使整个单元被切离时，才成为粒状切屑。4）崩碎切屑，当切削脆性金属时，因工件材料的塑性很小，抗拉强度差，刀具切入后，在切削刃附近的接触区中，局部金属并不经过明显塑性变形，就在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑。

切削力和切削功率

切削力在切削过程中，刀具上所有参与切削的各切削部分所产生的总切削力的合力称作刀具总切削力；一个切削部分切削工件时所产生的全部切削力称作一个切削部分总切削力F。车削外圆时，总切削力F指向刀具的左上方。为了便于设计和工艺分析，通常将总切削力分解成三个互相垂直的分力。影响切削力的主要因素：1）工件材料性能材料的强度及硬度越高，或塑性、韧性越好，则切削力越大；2）刀具几何角度前角越大，切屑变形越小，切削力减小；后角越大，后刀面与工件间摩擦减小，切削力也变小；改变主偏角，可使轴向切削分力与径向切削分力的比例变化。例如：当主偏角增大近90°时，径向力可大幅度地减小，趋向于零，对车削细长轴工件特别有利；3）切削用量。增大吃刀量和进给量时，切削面积增大，切除的金属量越多，切削力也越大。而吃刀量对切削力的影响更为显著。

切削热

1切削热的产生与传出。切削过程中机床所消耗的功，绝大部分转化为热。切削热产生的直接来源是：切削层金属的弹、塑性变形；切屑与前刀面、工件与后刀面间消耗的摩擦功。切削热将传递给工件、刀具、切屑及周围介质中去。一般在车、铣、刨削加工时，传到工件中去的热量约占10%~40%；传到刀具去的热量不足3%~5%；大部分的切削热50%~80%是通过切屑带走。切削速度越高，或切削厚度越大，由切屑带走热量的比例越大。传给工件的热会造成工件温升而产生变形，影响尺寸与形状精度，对精密加工、细长轴及薄壁件更为严重。传给刀具的热量虽然比例较小。

2影响切削温度因素。切削温度的高低取决于切削热的产生和传出情况。它受切削用量、工件材料、刀具材料、刀具角度和冷却条件等因素的影响。一般工件材料的强度、硬度愈高，切削时消耗的功愈多，切削温度愈高；工件材料的导热性愈好，传走的切削热愈多，切削温度也就愈低。从切削用量、刀具角度与切削热的关系看，切削用量增大，切削热相应的增多，切削温度上升；但三要素对切削温度影响各不相同，其中，切削速度影响最大,进给量次之，背吃刀量影响最小；刀具角度对切削温度影响以前角和主偏角最大，前角增大，一般切削热减少，切削温度降低。

3降低切削温度措施。在工件材料、切削用量、刀具角度已确定的条件下,降低切削温度的主要措施是冷却。目前人工冷却方法主要是浇注大量冷却液和绿色射流冷却。使用同样的方法，可以用不同方式,其效果的差别也特别明显。绿色射流冷却是一种集约、环保型冷却，在当前推行清洁生产模式中，它的应用能产生巨大的社会和经济效益,具有十分重要的意义。

刀具磨损及刀具耐用度

1刀具正常磨损。在切削过程中，前刀面、后刀面经常与切屑、工件间发生着强烈的摩擦，在切削区域中又有很高的温度和压力，使刀具的前刀面和后刀面都会产生磨损。这种随着切削加工的延续而出现的逐渐磨损，称为正常磨损。另外，由于其他原因刀具突然崩刃、卷刃或碎裂等先期性的损坏，称为非正常磨损。

2刀具的磨损和耐用度。随着切削时间的增加，刀具磨损逐渐增大。刀具磨损后将降低加工表面的尺寸精度和增大其粗糙度。因此需要定时更换刀具，在自动化生产加工中通过检查磨损带的宽度大小来更换刀具很不方便，通常用刀具的实际切削时间来衡量磨损程度。刀具由刃磨后开始切削直到磨损量达到磨钝标准的总切削时间称为刀具耐用度。