金属切削变形基本规律

第四节　金属切削变形基本规律

切削变形本质是工件受刀具推挤后产生的弹性和塑性变形，它是使切削层与母体金属分离的过程。

一、金属切削过程

（一）金属切削实质

金属切削过程就是利用刀具从工件上切下切屑的过程，也就是切屑形成的过程，其实质是一种挤压变形过程。

图4－17中，（a）为塑性金属受压时，在与作用力成45°方向上剪应力最大，当剪应力达到材料屈服强度极限时，金属沿剪切面AD和BC剪切滑移而变形。（b）为金属偏挤压，压头下方金属较厚，阻力大，被挤压金属只能沿BC剪切面向上滑移变形，（c）为金属切削，刀具实际就是偏挤压的压头，由此可见，金属切削过程的实质是挤压过程。

图4－17　金属挤压与金属切削

（二）切屑的形成过程

1．切屑形成

切削塑性金属时，工件受到刀具的挤压，开始产生弹性变形，此后材料的内应力逐渐增大，当剪切应力达到材料的屈服极限时，金属开始滑移而产生塑性变形，随着滑移变形的进行，剪切应力不断增大，变形达到材料允许的最大值时，切削层金属被挤裂而破坏。图4－18中，OA为始滑移面，左侧发生弹性变形，AOM区内产生塑性变形，OM为终滑移面，金属在其上剪切应力和塑性变形达到最大值，越过OM面，金属被切离工件母体，沿刀具前刀面流出形成切屑。随着刀具的不断向前运动，AOM区不断前移，切屑不断流出，切削层各点金属均要经历弹性变形、塑性变形、挤裂和切离的过程。

图4－18　切削变形区及切屑的形成过程

2．切削变形区

（1）第Ⅰ变形区（AOM区域）：又称基本变形区，OA、OM之间的变形区域。其变形特点是剪切滑移，故又称剪切区。材料在这一变形区的特点是沿滑移面得剪切变形，而且变形区很窄所以一般用剪切面OM代表整个变形区，如图4－19所示。剪切面OM与切削速度v_c的夹角φ称为剪切角。切削层金属在该变形区产生剪切滑移和大量塑性变形区域，机床提供的大部分能量主要消耗在该区域。是切削力、切削热的主要来源。

图2－19剪切角

图2－20变形系数

切削层金属形成切屑后，由于变形的结果，长度缩短厚度增大。可以用长度和厚度的变化量来表示切削变形。基于前后体积不变的原理，变形系数ξ由下式计算

ξ＝L／L_c＝h_ch／h_D

式中　L、h_D——切削层的长度和厚度；

　　　L_c、h_ch——切屑的长度和厚度。

由上式可以看出，只要测出切削层和切屑的长度或厚度，就可求出变形系数，而且变形系数是大于1的数。

由图可以推导下式

ξ＝h_ch／h_D＝OMcos（φ－γ_o）／OMsinφ＝cos（φ－γo）／sinφ

由上式可以看出，剪切角和前角是影响切削变形的两个主要因素。在实际应用中，可以通过变形系数的大小去判断切削层产生塑性变形的程度和工件材料的塑性的高低。

（2）第二变形区

1）第二变形区的变形特点　经过第一变形区变形后形成的切屑在沿着刀具前刀面流出时，进一步受到前刀面的挤压和摩擦，形成与前刀面平行的纤维化金属层。这一与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区称为第二变形区（OE区域）。经研究发现，切屑与刀具前刀面之间的接触部分可以划分为两个区域，如图4－21所示。

图4－21　滞留层

A．粘结区　靠近切削刃l_f1内，由于高温高压的作用使切屑底层材料产生软化，切屑底层的金属材料粘在高低不平的前刀面上形成粘结区。

B．滑移区　切屑即将远离前刀面时，切屑与前刀面之间只是突出的金属点的接触，实际接触的面积远小于名义接触面积。

2）积屑瘤：以中等切削速度切削塑性金属时，常有一些来自切屑和工件的金属粘接在前刀面上，形成硬度很高（高于工件材料硬度2～3．5倍）的“瘤”状的硬质金属块如图4－22，它是第Ⅱ变形区在特定条件下金属摩擦变形的产物。产生原因：切屑底面的滞留层金属与前刀面的外摩擦阻力大于切屑内部的分子结合力。积屑瘤主要在以下几个方面影响加工：

图4－22　积屑瘤

①积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。

②积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。如图4－23所示。

③积屑瘤时生时灭，使切削深度aP不断变化，影响工件尺寸精度。

④积屑瘤在工件已加工表面上刻划出一些不均匀的沟痕，影响表面粗糙度。

图4－23　积屑瘤高度及其实际工作前角

积屑瘤对精加工过程的影响多为不利影响，所以应采取措施防止积屑瘤的产生：

A．降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；

B．采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；

C．采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；

D．增加刀具前角，以减小刀屑接触区的压力；

E．提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向。

（3）第三变形区

已加工表面与刀具后面接触的区域，受到刃口与刀具后面的摩擦和剪切滑移，称为第三变形区。在这个变形区有以下三个方面的特点：

1）已加工表面变形　已加工表面是经过多次复杂的变形而形成的。切削刀具的刃口并不是非常锋刃，而是存在刃口圆弧半径（如图4－24所示）。切屑层在刃口钝圆部分处于复杂的应力状态，O点以上金属层经剪切滑移沿着前面流出形成切屑，O点以下金属层被刃口向前推挤或挤压已加工表面，受到压应力，同时又受到刀具后面的拉伸、摩擦作用，进一步产生塑性变形，使已加工表面存在内应力。

2）产生加工硬化　切削塑性金属时，工件已加工表面的硬度明显提高而塑性下降的现象（硬度提高1．2～2倍，深度0．02mm～0．3mm）。

原因：切削塑性金属时，第Ⅰ、Ⅲ变形区均扩展到切削层以下，使即将成为已加工表面的表层金属产生一定的塑性变形；刀具的刃口不可能磨的绝对尖锐，导致切削层与工件母体的分离点O不在刃口圆弧的最低点，而有一层厚度为ΔH的金属留下来，经过O点以下的刃口弧面挤压变形后成为已工件表面，由ΔH减薄到Δh；后刀面的磨损及被挤压金属产生的弹性恢复增加了后刀面与已加工表面的接触长度，加剧了对已加工表面挤压和摩擦，使已加工表面产生剧烈的塑性变形而产生加工硬化。

图4－24　加工硬化

3）残余应力　是在外力消失后，残存在物体内部而总体又保持平衡的内应力。可使工件表面产生微裂纹，降低零件的疲劳强度，引起工件变形，影响加工精度的稳定性。

二、影响切削变形的因素

1．工件材料的性能：工件材料的强度硬度越高，摩擦系数越小。原因是当工件材料的强度和硬度大时，切削速度不变，切削温度增高，故摩擦系数下降。

2．刀具几何参数：一般前角越大，切削层的变形越小。这是因为前角增大，虽然摩擦系数、摩擦角也增大，但剪切角也增大，剪切面减小，变形减小。刃倾角的大小影响到实际工作前角，对切削变形也会产生影响。

3．切削用量：

（1）切削速度：在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度越高，切削厚度压缩比越小。因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢。另外，切削速度对摩擦系数也有影响。除在低速区外，速度增大，摩擦系数减小，因此变形减小。在有积屑瘤的切削速度范围内，切削速度是通过积屑瘤所形成的实际前角来影响切屑变形的。

（2）进给量：进给量增大，切屑变形减小。

三、切屑形状及其控制

由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样，如图4－25所示。图中从左至右前三者为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。切屑的类型是由应力－应变特性和塑性变形程度决定的。

图4－25　切屑的基本形态

1．切屑形状分类

（1）带状切屑：它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度数值较小。

（2）挤裂切屑：外表面可见明显裂纹的连续带状切屑。切屑所受剪应力在局部超过了工件材料的屈服强度，使切屑外表面产生了明显的裂纹。它的切削过程有轻微振动，这种切屑大多在切削黄铜或切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。

（3）单元切屑：切屑呈颗粒状。切屑所受剪应力超过了工件材料的屈服强度，裂纹贯穿了整个切屑；振动较大；工件表面可见明显波纹。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。

（4）崩碎切屑：这是属于脆性材料（如铸铁、黄铜等）的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。

从切削过程来看，崩碎切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。

由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。

2．切屑的控制

认识各类切屑形成的规律，就可以主动控制切屑的形成，使其向着有利于生产的方向转化。如，在加工塑性材料时，容易形成带状切屑，切屑连绵不断缠绕在零件或刀具上，使零件已加工的表面拉伤，甚至危及操作者的安全，这时改变刀具前角、切削速度、切屑厚度就可以改变切屑状态。因此，在切削加工中，控制切屑的形状、流向、卷曲和折断，对于保证正常生产秩序和操作者的安全都有十分重要的意义。

所谓切屑控制（又称切屑处理，工厂中一般简称为“断屑”），是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。在实际加工中，应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。

（1）切屑的流向

控制切屑的流向是为了不损伤已加工表面，便于切削和方便处理切屑。刀具上影响流屑方向的主要是刃倾角λs，当刃倾角λs＝0°时，切削刃各点切下的切屑都是沿着各自切削刃方向流出的趋势，但只形成一条切屑，最终切屑的流向是垂直于主、副切削刃的终点连线方向。负的刃倾角λs使切屑流向已加工表面，正的刃倾角λs使切屑流向待加工表面。如图4－26所示。

图4－26　刃倾角对切屑的流向的影响

（2）切屑的折断

金属切削过程中产生的切屑是否易折断，与工件材料的性能及切屑变形有密切关系。工件材料的强度越高、伸长率越大、韧性越高，切屑越不易折断。切削加工中，由于切屑经变形而变得硬、脆，这时再受交变的弯曲和冲击时就很容易折断。塑性变形越大，就越容易折断。在切削难断屑的高强度、高韧性、高塑性的材料时，应设法增大切屑变形，增强切屑的硬化效果，达到断屑的目的。