1.3 金属切削过程

    金属切削过程是 指通过切削运动，刀具从工件上切下多余金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在这个过程中产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等。学习这些规律，讨论这些现象，对于合理选择金属切削条件，分析解决切削加工中质量、效率等问题具有重要意义。

    1.3.1切削变形

    切削变形本质上是工件切削层材料受到刀具前刀面的挤压作用后，产生弹性变形、塑性变形和剪切滑移，使切削层金属与母体材料分离变为切屑的过程。

    （齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1)切削变形区

图 1.14 是根据实验和理论研究绘制的金属切削过程中变形区的滑移线和流线示意图。流线表示被切金属某一点在切削过程中流动的轨迹 ， 现将整个变形区分为三个区域加以研究 。

    第一变形区 （I）：工件 材料在刀具前刀面挤压作用下 ， 从图中 OA 线开始发生塑性变形到 OM 线晶格的剪切滑移基本完成为止。因此这一区域是切削过程中的主要变形区 ， 又称剪切区。

第二变形区（Ⅱ）:切屑沿前刀面滑移排出时紧贴前刀面的底层金属进一步受前刀面的挤压阻滞和摩擦 ， 再次剪切滑移变形而纤维化。因其变形主要是摩擦引起的 ， 故这一区域又称摩擦变形区。

    第三变形区 （ Ⅲ ）：已加工表面受到切削刃纯圆部分与后刀面的挤压、摩擦和回弹 ， 造成纤维化和加工硬化。第三变形区直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损。

这三个变形区汇集在切削刃附近 ， 该处应力比较集中而且复杂 ， 被切金属在此与材料本体分离形成切屑和已加工表面 。 由此可见 ， 切削刃对于切屑和已加工表面的形成 ， 起着很重要的作用。

    （2)切屑形成过程

切削时刀具在切削力的作用下 , 使靠近切削刃处的材料先产生弹性变形 , 继而产生塑性变形 ， 同时金属晶格产生滑移 ， 见 图 1.15a 。 切削层中某一点 P 以切削速度 V 向切削刃接近 ， 开始只产生弹性变形 ， 如到达点 1 的位置时 ， 金属应力达到屈服点 ， 产生剪切变形 ， 所以 P 点向前移动的同时还 沿 滑移面 （ 或剪切面 ） OA 滑移 ， 故当 P 点到达 OB 滑移线位置时其合成运动使 P 点自点 1 流动到点 2,2 ′ — 2 为滑移量。 P 点越靠近刀具前面滑移量越大 ， 如 3 ′ — 3,4 ′ — 4。 剪应力也由于材料变形增大而不断上升 。 当 P 点到达某一位置 ， 如 OM 滑移面上的 4 时 ， 剪应力达到 强 度极限开始剪切断裂成切屑 ，不 再继续滑移 ， 而沿前刀面流出。

    上述 OA 面称始滑面 （ 或始剪切面 ）， OM 为终滑面 （或 终剪切面 ） ,OA与OM 之间即为 剪切区 ( 或第一变形区 ) ， 材料在该区的变形特点是沿滑移面的剪切变形。剪切变形区实际上很窄 ， 约在 0.02 ～ O.2mm 之间 ， 所以可近似用一个平面 OM 来代表整个变形区 。 平面 OM 就称为剪切面 ， 剪切面 OM 与切削速度 V 的夹角￠称剪切角 ， 见 图 1.15b 。

    以上分析是在以极低切削速度 ， 切削塑性材料时的情况 ， 如切削脆性金属时 , 由于材料塑性很小,切屑层内靠近切削刃和前刀面的局部金属将在未产生明显塑性变形的情况下 , 就达到强度极限而崩碎。

    总之 ， 金属切削过程 ， 就其本质来说 , 是被切削金属层在刀具切削刃和前刀面的作用下 ， 经受挤压而产生剪切滑移变形的过程。切削过程中的各种物理现象 , 几乎都与这个 “ 变形 ” 有关。

    （3)衡量切屑变形程度的方法

    从实践中可以看到 ， 被切金属层经切削变为切屑后,切屑长度 （ lch） 比原切削层长度（l)短,切屑厚度 ( ) 比切削层厚度 ( ) 厚 ， 见 图 1.16 。 由于切屑宽度变化很小 ， 根据体积

    不变原理,可以用切削前后切削层及切屑的长度或厚度之比来衡量切屑变形的程度。如以ξ表示切屑变形系数 , 则有

（1.23）

    切削厚度和长度均为已知数 ， 而切屑厚度和长度能直接测得 ， 故 很容易 求得切屑变形系数 值。

    变形系数值 的大小 可用来判断切削变形的严重程度，一般变形系数值越大，说明切削变形越严重。 据此 也 可以估计切削过程是否顺利。

    （4)切屑的基本形态

    金属切削时， 由于工件材料、切削条件不同 ， 切削过程的变形程度也不同 , 因而所形成的切屑形态各种各样 ， 但大致可归为以下四种基本形 态， 见图 2.17

    齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1) 带状切屑 切屑呈带状 ， 底面光滑 ， 背面 无明显裂纹，呈微小锯齿形。 一般在加工塑性材料时 ， 采用较大的刀具前角 ， 较小的切削厚度 ， 较高的切削速度 ， 易形成此类切屑 。 它是最常见的切屑形态 ， 见 图 1.17a 。这种切屑变形程度较小 ， 它的切削过程比较平稳 ， 已加工表面粗糙度低。

    2） 节状切屑 切屑底面一般比较光滑 ， 背面呈锯齿形 ， 侧面有明显裂 纹。 这 是由于切削层滑移 变形程度大 ，加 工硬化严重 ， 局部超过材料的抗剪强度所致 。 一般在加工塑性材料 ， 采用较小前角 ， 较大切削厚度 ， 切削速度较低时形成 ，如 图 1.17b 所示。

    3） 单元 状 切屑 切削塑性很大的材料时 （ 如铅 、 退火铝 、 紫铜等 ）， 切屑易粘结在前刀面上 ， 不易流出 ， 裂纹扩展到整个剪切面上 ， 使整个单元被切断 ， 而形成此类切屑 ， 如图 2.17c 所示 。 出现这 种切屑时 ， 切削力波动很大 ， 表面粗糙度增加。

    4） 崩碎切屑 切削脆性材料时 （ 如铸铁、黄铜等 ）， 被切金属未经明显塑性变形就断裂 ， 切屑呈 片 状或不规则的碎片 ， 如图 1.17d 所示 ， 同时使加工表面凸凹不平 ， 切削力波动很大 ， 并集中在切削刃附近 ， 对刀具耐用度很不利。

    切屑的形状 ， 主要受切削时剪切变形区材料塑性变形程度的影响 。 对每一种金属材料来说 ， 塑性并不是其固有不变的性质 ， 在不同切削条件下 （ 前角、切削速度、切削厚度 ） , 同 一 材料会呈现不同的塑性。因此随着切削条件的变化 ， 切屑会由一种形态向另一种形态转变。通常刀具的前角越大 ， 切削速度越高 ， 切削厚度愈薄 ， 使切屑的塑性变形程度愈小 ， 切屑就可能由单元 （甚 至切削脆性材料时的崩碎切屑 ）向 节状或带状转变。

    （5） 积屑瘤

    在一定切削速度范围内，加工钢料、有色金属等塑性材料时，在切削刃附近的前刀面上会出现一块高硬度的金属，它包围着切削刃，且覆盖着部分前刀面。这块硬度很高的金属称作积屑瘤。 图1.18 。积屑瘤的化学成分与工件材料相同，它的硬度约是工件材料的2～3.5倍，与刀具前刀面粘结牢固，能担负实际切削工作，时生时灭、时大时小。

    齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1)积屑瘤的产生与成长 切削产生的 切屑在沿前刀面流出的过程中 ，又进一步受到靠近刃口处前刀 面 的挤压和摩擦 ， 切屑与前刀面间的温度和压力增加 ， 摩擦力也增加 ， 于是使切屑底层流速减慢 ， 这种现象称为滞流。流速减慢的金属层称为滞流层。其厚度约为切屑厚度的 1/10 左右 。 滞流层与相邻金属之间产生相对滑移 ， 形成了与前刀面平行的剪应力 ， 在其作用下切屑再次产生剪切变形 ， 当切屑底层的剪应力超过金属的抗剪强度时 ， 底层金属被剪断并 粘 结在前刀面上。粘结层经过剧烈的塑性变形硬度提高 ， 继续切削时 ， 硬的粘结层又剪断软的金属层 ， 这样层层堆积 ， 就在前刀面靠近切削刃处形成了一个硬度很高的积屑瘤。 产生积屑瘤的决定因素是切削温度。加工硬化和粘结是形成积屑瘤的必要条件。

    2）积屑瘤的脱落与消失 随着切削速度的增高，切削温度达到或超过500～600 ℃ 时，由于温度高，加工硬化消失，金属软化，材料强度降低，刀刃附近刀面上的硬块被切屑带走或粘附在加工表面上，这样积屑瘤便脱落和消失，见 图1.18 。因而引起积屑瘤脱落和消失的主要原因也是切削温度。积屑瘤的产生、长大和脱落是周期性的动态过程。

    3）积屑瘤的作用 积屑瘤对切削加工有利的一面是保护刀刃刃口，增大实际工作前角。不利的一面是造成过切，加剧了前刀面的磨损，造成切削力的波动,影响加工精度和表面粗糙度。因此可以认为，积屑瘤对粗加工是有利的，对于精加工则相反。

    4）减小或避免积屑瘤的措施

    ① 通过热处理降低材料的塑性,提高硬度,减少滞流层的产生 。

② 控制切削速度 ， 以控制切削温度。

    低速切削时 （ U =1O m/mi n 以下 ）， 摩擦小 ， 切削温度较低,切屑底层塑性状态变化不大 ， 一般不会产生积屑瘤 ， 高速切削时 （ U =10O m/mi n 以上 ），切 削温度较高 ， 切屑底层金属软化 ， 抗剪切能力下降 ， 也不易产生积屑瘤 ， 中速切削时 （ U =20～3O m/mi n ）， 切削温度在 300～400 ℃ ， 这时摩擦最大 ， 最易形成积屑瘤 ， 故精加工时的切削速度要避开中速范围。

    ③采用大前角刀具切削，以减小刀具与切屑接触的压力。

    ④其它措施，诸如减小进给量，减小前刀面的粗糙度值，合理使用切削液等。