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金屬切屑的形成過程
時間：2019-03-21

一、切屑的形成過程

1．變形區(qū)的劃分

切削層金屬形成切屑的過程就是在刀具作用下被加工材料發(fā)生變形的過程。切削過程中，切 削層金屬的變形大致可劃分為三個區(qū)域：

（1）第一變形區(qū) 從被切金屬開始發(fā)生塑性變形到金屬晶粒的剪切滑移基本完成的區(qū)域稱為第一變形區(qū)。

（2）第二變形區(qū) 切屑沿前刀面排出時進一步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面處的  金屬纖維化，這一區(qū)域稱為第二變形區(qū)。

（3）第三變形區(qū) 已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩擦，造成表層金屬纖維化與加工硬化，這一區(qū)域稱為第三變形區(qū)。

在第一變形區(qū)內(nèi)，變形的主要特征就是沿滑移線的剪切變形，以及隨之產(chǎn)生的加工硬化。當金屬沿滑移線作剪切變形時，晶粒會伸長。晶粒伸長的方向與滑移方向（即剪切面方向）是不重合的，它們成一夾角。據(jù)研究，在一般切削速度范圍內(nèi)，第一變形區(qū)的寬度僅為 0.02~0.2mm，所以可以用一剪切面來表示。剪切面與切削速度方向的夾角稱作剪切角，以表示。


2．相對滑移

既然切削過程中金屬變形的主要形式是剪切滑移，當然就可以用相對滑移 來衡量切削過程的變形 程度。


3．剪切角
剪切角與切削變形有密切關(guān)系，可用剪切角來衡量切削變形的程度。分析可知：
1）前角增大時，剪切角隨之增大，變形減小。這表明增大刀具前角可減少切削變形，對改善切削過程有利。

2）摩擦角增大時，剪切角隨之減小，變形增大。提高刀具刃磨質(zhì)量，采用潤滑性能好的切削液，可以減小前刀面和切屑之間的摩擦系數(shù)，有利于改善切削過程。


三、前刀面上的摩擦

由于在一般切削條件下，來自粘結(jié)接觸區(qū)的摩擦力占前刀面上總摩擦力的85%[16]，故在研究前刀面上的摩擦?xí)r，應(yīng)以粘結(jié)接觸區(qū)的摩擦為主要依據(jù)。


四、積屑瘤的形成及其對切削過程的影響


1．積屑瘤的形成及其影響

在切削速度不高而又能形成帶狀切屑的情況下，加工一般鋼料或鋁合金等塑性材料時，常在前刀面切削處粘著一塊剖面呈三角狀的硬塊，它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2~3倍，這塊粘附在前刀面上的金屬稱為積屑瘤。

切削時，切屑與前刀面接觸處發(fā)生強烈摩擦，當接觸面達到一定溫度，同時又存在較高壓力時，被切材料會粘結(jié)（冷焊）在前刀面上。連續(xù)流動的切屑從粘在前刀面上的金屬層上流過時，如果溫度與壓力適當，切屑底部材料也會被阻滯在已經(jīng)“冷焊”在前刀面上的金屬層上，粘成一體，使粘結(jié)層逐步長大，形成積屑瘤。積屑瘤的產(chǎn)生及其成長與工件材料的性質(zhì)、切削區(qū)的溫度分布和壓力分布有關(guān)。塑性材料的加工硬化傾向越強，越易產(chǎn)生積屑瘤；切削區(qū)的溫度和壓力很低時，不會產(chǎn)生積屑瘤；溫度太高時，由于材料變軟，也不 易產(chǎn)生積屑瘤。對碳鋼來說，切削區(qū)溫度處于 300~350℃時積屑瘤的高度最大，切削區(qū)溫度超過500℃積屑瘤便自行消失。

有密切關(guān)系，因為切削過程中產(chǎn)生的熱是隨切削速度的提高而增加的。


2．積屑瘤對切削過程的影響
（1）使刀具前角變大 阻滯在前刀面上的積屑瘤有使刀具實際前角增大的作用，使切削力減小。
（2）使切削厚度變化 積屑瘤前端超過了切削刃，使切削厚度增大，其增量為 。 將隨著積 屑瘤的成長逐漸增大，一旦積屑瘤從前刀面上脫落或斷裂， 值就將迅速減小。切削厚度變化必然導(dǎo)致切削力產(chǎn)生波動。
（3）使加工表面粗糙度增大 積屑瘤伸出切削刃之外的部分高低不平，形狀也不規(guī)則，會使加工表面粗糙度增大；破裂脫落的積屑瘤也有可能嵌入加工表面使加工表面質(zhì)量下降。

（4）對刀具壽命的影響 粘在前刀面上的積屑瘤，可代替刀刃切削，有減小刀具磨損，提高刀具壽命的作用；但如果積屑瘤從刀具前刀面上頻繁脫落，可能會把前刀面上刀具材料顆粒拽走（這種現(xiàn)象易發(fā)生在硬質(zhì)合金刀具上），反而使刀具壽命下降。


積屑瘤對切削過程的影響有積極的一面，也有消極的一面。精加工時必須防止積屑瘤的產(chǎn)生，可采取的控制措施有：
1）正確選用切削速度，使切削速度避開產(chǎn)生積屑瘤的區(qū)域；
2）使用潤滑性能好的切削液，目的在于減小切屑底層材料與刀具前刀面間的摩擦；
3）增大刀具前角，減小刀具前刀面與切屑之間的壓力；

4）適當提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。


五、影響切屑變形的因素

在研究分析切削過程變形規(guī)律之后，我們來歸納一下影響切屑變形的一些主要因素，以便利用這些規(guī)律控制和優(yōu)化切削過程。


1．工件材料
實驗結(jié)果表明，工件材料強度越高，切屑和前刀面的接觸長度越短，導(dǎo)致切屑和前刀面的接觸面積減小，前刀面上的平均正應(yīng)力 增大，前刀面與切屑間的摩擦系數(shù)減小，摩擦角 減小，剪切角 增大，變形系數(shù) 將隨之減小。
2．刀具前角

增大刀具前角 ，剪切角 將隨之增大，變形系數(shù) 將隨之減??；但 增大后，切屑作用在前刀面上的平均正應(yīng)力 減小，使摩擦角 和摩擦系數(shù) 增大，導(dǎo)致 減??；由于后者影響較小， 還是隨 的增加而減小。


1.切削速度
在無積屑瘤產(chǎn)生的切削速度范圍內(nèi)，切削速度 越大，變形系數(shù) 越小，主要是因為塑性變形的傳播速度較彈性變形慢，切削速度越高，切削變形越不充分，導(dǎo)致變形系數(shù) 下降；此外，提高切削速度還會使切削溫度增高，切屑底層材料的剪切屈服強度 因溫度增高而略有下降，導(dǎo)致前刀面摩擦系數(shù) 減小，使變形系數(shù) 下降。
2.切削層公稱厚度

在無積屑瘤產(chǎn)生的切削速度范圍內(nèi)，切削層公稱厚度 越大，變形系數(shù) 越小，這是由于 增大時，前刀面上的法向壓力 及前刀面上的平均正應(yīng)力 隨之增大，前刀面摩擦系數(shù) 隨之減小，剪切角 隨之增大，所以 隨 增大而減小。