簡(jiǎn)介
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的作用下發(fā)生變形的過程。圖2-10是在直角自由切削工件條件下觀察繪制得到的金屬切削滑移線和流線示意圖。流線表明被切削金屬中的某一點(diǎn)在切削過程中流動(dòng)的軌跡。切削過程中，切削層金屬的變形大致可劃分為三個(gè)區(qū)域：
（1）第一變形區(qū) 從OA線開始發(fā)生塑性變形，到OM線金屬晶粒的剪切滑移基本完成。從OA線到OM線區(qū)域（圖中Ⅰ區(qū)）稱為第一變形區(qū)。
（2）第二變形區(qū) 切屑沿前刀面排出時(shí)進(jìn)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，基本上和前刀面平行。這一區(qū)域（圖中Ⅱ區(qū)）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（圖中Ⅲ區(qū)）稱為第三變形區(qū)。
 圖2-10 金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖
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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。在圖2-11中，OA、OB和OM等都是等剪應(yīng)力曲線。P點(diǎn)金屬在切削過程中向刀具移動(dòng)，到達(dá)點(diǎn)1時(shí)，其剪應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度 。過點(diǎn)1后，P點(diǎn)在繼續(xù)向前移動(dòng)的同時(shí)，也沿OA滑移，合成運(yùn)動(dòng)將使其從點(diǎn)1流動(dòng)到點(diǎn)2，就是它的滑移量。隨著滑移的產(chǎn)生，剪應(yīng)變將逐漸增加，直到P點(diǎn)金屬移動(dòng)到超過點(diǎn)4位置后，其流動(dòng)方向與前刀面平行，不再沿滑移線滑移，OA稱作始滑移線，OM稱作終滑移線。
圖2-11 第一變形區(qū)金屬的剪切滑移
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當(dāng)金屬沿滑移線發(fā)生剪切變形時(shí)，晶粒會(huì)伸長(zhǎng)，如圖2-12所示。晶粒伸長(zhǎng)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 ，所以可以用一剪切面來表示（圖2-12）。剪切面與切削速度方向的夾角稱作剪切角，以 表示。我們可以用圖2-13形象地模擬塑性金屬切屑形成過程，被切削金屬層好比一疊卡片（圖中用陰影平行四邊形暗區(qū) ， ， ， ，…表示），刀具切入時(shí)，卡片之間發(fā)生滑移，陰影暗區(qū) ， ， ， ，…的金屬被移到圖中1，2，3，4，…的位置。卡片之間滑移的方向就是剪切面的方向。
圖2-12 滑移與晶粒的伸長(zhǎng)
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圖2-13 切屑形成過程示意圖
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2．切屑的受力分析
在直角自由切削的情況下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力 和摩擦力 ；剪切面上的正壓力 和剪切力 ；這兩對(duì)力的合力互相平衡，如圖2-14所示。如將上述兩對(duì)力都畫在切削刃的前方，就可得到圖2-15所示的力關(guān)系圖。圖中 是 和 的合力，稱為切屑形成力； 是剪切角； 是 和 的夾角，叫摩擦角； 是刀具前角； 是切削運(yùn)動(dòng)方向的切削分力； 是垂直于切削運(yùn)動(dòng)方向的切削分力； 是切削厚度。
圖2-14 作用在切屑上的力
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圖2-15 直角自由切削時(shí)力與角度的關(guān)系
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令 表示切削寬度， 表示切削層公稱橫截面積（ ）， 表示剪切面的面積（ ）， 表示剪切面上的剪應(yīng)力，則
（2-8）
（2-9）
（2-10）
如用測(cè)力儀直接測(cè)得作用在刀具上的切削分力 和切削分力 ，在忽略被切材料對(duì)刀具后刀面作用力的條件下，即可由式（2-9）與式（2-10）推導(dǎo)求得前刀面對(duì)切屑作用的摩擦角 ，進(jìn)而可近似求得前刀面與切屑間的摩擦系數(shù)μ。
以式（2-10）除以式（2-9）得
二、切削變形程度 切削變形程度有三種不同的表示方法，分述如下。
1．變形系數(shù)
在切削過程中，刀具切下的切屑厚度 通常都大于工件切削層厚度 ，而切屑長(zhǎng)度 卻小于切削層長(zhǎng)度 ，如圖2-16所示。切屑厚度 與切削層厚度 之比稱為厚度變形系數(shù) ；而切削層長(zhǎng)度 與切屑長(zhǎng)度 之比稱為長(zhǎng)度變形系數(shù) 。由圖2-16知
（2-11）
由于切削層變成切屑后，寬度變化很小，根據(jù)體積不變?cè)恚汕蟮?br>
與 可統(tǒng)一用符號(hào) 表示。變形系數(shù) 的值是大于1的數(shù)，它直觀地反映了切屑的變形程度， 越大，變形越大。 值可通過實(shí)測(cè)求得。
由式（2-11）知， 與剪切角 有關(guān)， 增大， 減小，切削變形減小。
圖2-16 變形系數(shù) 的計(jì)算
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2．相對(duì)滑移
既然切削過程中金屬變形的主要形式是剪切滑移，當(dāng)然就可以用相對(duì)滑移（剪應(yīng)變） 來衡量切削過程的變形程度。圖2-17中，平行四邊形OHNM發(fā)生剪切變形后，變?yōu)槠叫兴倪呅蜲GPM，其相對(duì)滑移
（2-12）
圖2-17 剪切變形示意圖
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3．剪切角
由式（2-11）知，剪切角 與切削變形有密切關(guān)系，我們也可以用剪切角 來衡量切削變形的程度。
在剪切面上，金屬產(chǎn)生了滑移變形，最大剪應(yīng)力就在剪切面上。圖2-15為直角自由切削狀態(tài)下的作用力分析，在垂直于切削合力 方向的平面內(nèi)剪應(yīng)力為零，切削合力 的方向就是主應(yīng)力的方向。根據(jù)材料力學(xué)平面應(yīng)力狀態(tài)理論，主應(yīng)力方向與最大剪應(yīng)力方向的夾角應(yīng)為45°，即 與 的夾角應(yīng)為45°，故有
則 （2-13）
分析上式可知：
1）前角 增大時(shí)，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(duì)改善切削過程有利。
2）摩擦角 增大時(shí)，剪切角 隨之減小，變形增大。提高刀具刃磨質(zhì)量、采用潤(rùn)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
經(jīng)測(cè)定，切削鋼材時(shí)，刀具前刀面對(duì)被切材料產(chǎn)生的正應(yīng)力 和切向應(yīng)力 沿前刀面的分布如圖2-18所示[13]。在切屑與刀具前刀面接觸的OB長(zhǎng)度內(nèi)存在兩種不同的接觸狀態(tài)。在靠近切削刃的OA區(qū)，由于正應(yīng)力值大，切屑在前刀面上形成粘結(jié)接觸，在此長(zhǎng)度上，各點(diǎn)的切應(yīng)力 基本相同，它等于被切材料的剪切屈服強(qiáng)度 ；在AB區(qū)，由于正應(yīng)力小，切屑在前刀面上形成滑動(dòng)接觸，切屑相對(duì)于前刀面的摩擦特性服從古典摩擦法則，各點(diǎn)的摩擦系數(shù) 相同，切應(yīng)力 。
圖2-18 刀屑界面上正應(yīng)力和切應(yīng)力的分布
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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%[13]，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)。
粘結(jié)接觸區(qū)上各點(diǎn)的摩擦系數(shù)
式中 ——距切削刃 點(diǎn)處的正應(yīng)力。
由于 隨 變化，故在粘結(jié)接觸區(qū)切屑與前刀面的摩擦系數(shù)是一個(gè)變值，離切削刃越遠(yuǎn)，摩擦系數(shù)越大，其平均摩擦系數(shù)
（2-14）
式中 、 ——分別為粘結(jié)接觸區(qū)的摩擦力和正壓力；
——切削層公稱寬度；
——粘結(jié)接觸區(qū)平均正應(yīng)力。
四、積屑瘤的形成及其對(duì)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(shí)，常在前刀面切削處粘著一塊剖面呈三角狀的硬塊（圖2-19），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(shí)，切屑與前刀面接觸處發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，當(dāng)接觸面達(dá)到一定溫度，同時(shí)又存在較高壓力時(shí)，被切材料會(huì)粘結(jié)（冷焊）在前刀面上。連續(xù)流動(dòng)的切屑從粘在前刀面上的底層金屬上流過時(shí)，如果溫度與壓力適當(dāng)，切屑底部材料也會(huì)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(zhǎng)大，形成積屑瘤。積屑瘤的產(chǎn)生及其成長(zhǎng)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(qiáng)，越易產(chǎn)生積屑瘤；切削區(qū)的溫度和壓力很低時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤；溫度太高時(shí)，由于材料變軟，也不 易產(chǎn)生積屑瘤。對(duì)碳鋼來說，切削區(qū)溫度處于300~350℃時(shí)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。在背吃刀量 和進(jìn)給量 保持一定時(shí)，積屑瘤高度 與切削速度 有密切關(guān)系，因?yàn)榍邢鬟^程中產(chǎn)生的熱是隨切削速度的提高而增加的。圖2-20中，Ⅰ區(qū)為低速區(qū)，不產(chǎn)生積屑瘤；Ⅱ區(qū)積屑瘤高度隨 的增大而增高；Ⅲ區(qū)積屑瘤高度隨 的增大而減小；Ⅳ區(qū)不產(chǎn)生積屑瘤。
圖2-20 積屑瘤高度與切削速度的關(guān)系
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2．積屑瘤對(duì)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(shí)際前角增大的作用（參見圖2-19），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 ，如圖2-19所示。 將隨著積屑瘤的成長(zhǎng)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(dòng)。
（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(huì)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(duì)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(huì)把前刀面上刀具材料顆粒拽去（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(duì)切削過程的影響有積極的一面，也有消極的一面。精加工時(shí)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(rùn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工件材料強(qiáng)度越高，切屑和前刀面的接觸長(zhǎng)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（見式2-14），摩擦角 減小，剪切角 增大（見式2-13），變形系數(shù) 將隨之減小。
2．刀具前角
由式（2-13）知，增大刀具前角 ，剪切角 將隨之增大，變形系數(shù) 將隨之減小；但 增大后，前刀面傾斜程度加大，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（見式2-14）而導(dǎo)致 減小。由于后一方面影響較小， 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?yàn)樗苄宰冃蔚膫鞑ニ俣容^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(huì)使切削溫度增高，切屑底層材料的剪切屈服強(qiáng)度 因溫度的增高而略有下降，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(shí)，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。
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