4.金属切削的基本规律

第四章金属切削的基本规律

一．切屑的形成

1.切削层变形的实质

切削层变形是指切削层在刀具的作用挤压作用下，经过剧烈的变形后形成切屑而脱离工件的过程。它包括切削层沿滑移面的滑移变形和切屑在前刀面上排出时的滑移变形这两个阶段。

图4-1 塑性金属切削层在刀具作用力F的挤压下，沿着滑移面0M方向（与待加工表面近似成450角度）滑移后形成切屑的。在形成切屑的过程中，存在着金属的弹性变形和塑性变形。为了进一步分析变形的特殊规律，通常把切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区，见图4-2。

图4-1 切屑过程中的剪切线

图4-2 三个变形区

第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。从OA线到OM线区域（图中Ⅰ区）称为第一变形区。

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，基本上和前刀面平行。这一区域（图中Ⅱ区）称为第二变形区。

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和摩擦，造成表层金属纤维化与加工硬化。这一区域（图中Ⅲ区）称为第三变形区。

这三个变形区各具特点，又存在着相互联系、相互影响。同时，这三个变形区都在切削

刃作用下，是应力比较集中，变化比较复杂的区域。

2.切屑的形成过程

在图4-3a中，切削层在作用力F的作用下，使切削刃处的金属首先产生弹性变形，接着产生塑性变形。塑性变形的表现是使切削层里的金属沿倾斜的剪切面滑移，这一剪切面不是一个平面，而是由许多曲面构成的剪切区。图中0AB是始滑移面。由于切屑形成时的速度很快，时间短，0AB与0CD面相距很近，一般约为0.02～0.2mm，所以也可以用一个剪切面（OBC）来表示。

切屑的形成过程（图4-3），可以粗略地看作金属切削层逐步移至剪切面OBC,即面片地产生滑移。这个过程连续地进行，切削层便连续地通过前刀面转变面切屑。由此可见，第一变形区就是形成切屑的变形区。

图4-3 切削形成过程

3.切屑的类型

切削金属时，由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程中变形的程度也就不同，所形成的切屑形态多种多样。归纳起来，可分为下列四种类型，如图4-4所示。

图4-4 切削的基本形态

（1）带状切屑（图4—4a）

带状切屑呈连续状，与前刀面接触的底面是光滑的，外面是毛茸的，在显微镜下可观察到剪切面的条纹。它的形成条件是切削材料经剪切滑移变形后，剪切面上的切应力未超过金属材料的破裂强度。一般在切削塑性材料，如低碳钢、铜、铝等材料形成此类切屑。其切削

过程平稳，切削力波动小，但必要时应采取断屑措施，以防对工作环境和工人安全造成危害。

（2）节状切屑（图4—4b）

节状切屑的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。它是由于切削层变形较大，局部剪切面上的切应力达到了材料的破裂强度。它多产生于工件塑性较低，切削厚度较大，切削速度较低和刀具前角较小的情况下。其切削过程较不稳定，切削力波动较大。

3）粒状切屑（图4—4c）

粒状切屑基本上是分离的梯形单元切屑，是进一步减小切削速度和前角，增加切削厚度，使整个剪切面上的切应力超过材料的破裂强度时便可得到这种切屑。

4）崩碎切屑（图4—4d）

崩碎切屑属于脆性材料的切屑。由于脆性材料塑性小，抗拉强度低，刀具切入后，金属未经塑性变形就被挤裂或在拉应力下脆断，形成不规则的崩碎切屑。

同一加工件，切屑的类型可以随切削条件的不同而改变，在生产中，常根据具体情况采取不同的措施来得到需要的切屑，以保证切削加工的顺利进行。例如，增大前角、提高切削速度或减小切削厚度可将节状切屑转变成带状切屑。

二．积屑瘤

在一定范围的切削速度下切削塑性金属时，在刀具前面靠近刀刃的部位粘附着一小块很硬的金属，这块金属就是切削过程中产生的积屑瘤，或称刀瘤。

1.积屑瘤的产生

切削过程中，刀—屑间的摩擦，使刀具前刀面十分洁净，在一定温度和压力下，切屑底层金属与前刀面接触处发生粘结，形成了积屑瘤，如图4-5所示。随后，积屑瘤逐渐长大，直到该处的温度和压力不足以产生粘结为止。积屑瘤在形成过程中是一层层增高的，到一定高度会脱落，经历了一个生成、长大、脱落的周期性过程。

图4-5 积屑瘤的形成

2.积屑瘤的作用和影响

（1）保护刀具。积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，能代替切削刃和前刀面进行切削，从而减少了刀具磨损，起到保护刀具的作用。

（2）增大前角。积屑瘤具有30°左右的前角，因而减少了切削变形，降低了切削力。

（3）增大切削厚度。积屑瘤前端伸出于切削刃之外，使切削厚度增加了△hD值，且是变化的，因而影响了工件的尺寸精度。

（4）增大已加工表面粗糙度值。积屑瘤高度的周期性变化，使切削厚度不断变化，以及由此而引起振动，积屑瘤粘附在切削刃上很不规则，导致在已加工表面上刻划出深浅和宽窄不同的沟纹，脱落的积屑瘤碎片留在已加工表面上。

3.控制积屑瘤的措施

（1）降低材料的塑性。机床在切削时，金属变形大，切屑与刀具前面之间的接触而积大，并在高温高压作用下，紧密接触，形成较高的摩擦力，很容易粘接成积屑瘤。

（2）选择合适的切削速度。在切削塑性高的材料时，应当采用较低的切削速度，切屑流动缓慢，切削温度较低，切屑与前面的摩擦力，尚未超过金属分子的结合力，所以，不会产生积屑瘤；机床当切削度较高时，切削温度很高，切屑底层金属变软，摩擦系数明显下降，积屑瘤也不会产生。实践证明，当切削速度15- 20m/min时，切削温度约为300C0左右，平均摩擦系数最大，外摩擦力也最大，积屑瘤的高度达到最大值。

（3）增大刀具前角，降低总切削力和切削热，使切削温度下降，不容易产生积屑瘤。（4）减小进给量，将切削厚度变薄，使切屑与前面之间的摩擦压力减弱，接触长度变短，摩擦系数减小，切削温度降低，也不容易产积屑瘤。

（5）合理使用切削液，既能降低切削温度，又可减少切屑与前面的摩擦力，从而抑制积屑瘤的产生。

此外，前刀面上的表面粗糙度较细也能减小积屑瘤。

三．加工硬化

1.加工硬化的形成

由于刀具的切削刃口不会绝对锋利而存在钝圆半径，这就使切削层内一层薄薄的金属经过挤压变形后留在己加工表面上。此外，由于后刀面上有磨损棱面和存在己加工表面的弹性变形恢复现象，使后刀面对己加工表面进行挤压、摩擦而进一步产生变形，提高了表面硬度（是原来工件材料硬度的1.8～2倍）。这种现象称为加工硬化，也称为冷硬现象。变形程度越大，则己加工表面硬化程度越高，硬化层的深度也越深。

2.加工硬化对切削加工的影响

加工硬化现象对金属切削中工有着直接的影响，在下一道工序加工时，将会增加工、刀具的磨损。更严重的是使己加工表面上出现微细裂纹和表面残余应力，影响零件的表面质量。所以减小加工硬化的影响，尤其在精加工时，是不可忽略的一个方面。

但是加工硬化能提高己加工表面的硬度、强度和耐磨性。在控制残余应力和避免己加工表面出现细微裂纹的条件下，可以利用加工硬化现象来改善零件的使用性能，如采用滚压加工及冷挤压等工艺。

四．切削力

1.切削力的来源

总切削力是切削层金属的变形抗力、刀具前面与切屑之间的摩擦力以及后面与过渡表面之间的摩擦力的总和。在切屑形成过程，切屑与刀具的前刀面之间及切削表面与刀具的后刀面之间要发生摩擦，因此刀具在切削加工时必然要克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。这些作用在刀具上所有力的合力称之为刀具的一个切削部分上的总切削力，也称切削合力，如图4-6所示体现了切削力的来源。

2.切削力的分解

总切削力的方向、大小将随工件材料的性质、切削用量的大小及刀具的几何形状的变化而变化，因此通常将其分解成几个方向既定的分力。如图4-7所示，切削力的分解。

（1）主切削力（切向力）Fc 主运动方向上的切削分力，切于过渡表面并与基面垂直，消耗功率最多，它是计算刀具强度、设计机床零件、确定机床功率的主要依据。