切削過程中切屑形成的基理與形狀控制

宮篤篪

（徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校 數(shù)控系，江蘇 徐州 221011）

由于金屬切削過程是在高溫、高壓、高速下進(jìn)行，因此切屑的形成機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。為了在切削加工中有效控制屑形，提高加工效率，改善加工表面質(zhì)量，有必要對金屬切削過程的一些基本理論進(jìn)行深入研究和探討。

1 金屬切削過程的變形區(qū)

金屬切削過程的實(shí)質(zhì)是指金屬切削層在刀具擠壓作用下產(chǎn)生塑性剪切滑移變形的過程。

為了研究方便，通常把金屬切削過程的變形劃分為三個(gè)區(qū)。

圖1

1）第一變形區(qū)

由曲線AO、MO、AM包圍的區(qū)域是塑性剪切滑移區(qū)，稱為第一變形區(qū)。用Ⅰ表示。

特點(diǎn)：金屬切削過程中主要的變形區(qū)，消耗大部分功率并產(chǎn)生大量的熱量。

簡化，用OM平面代替第一變形區(qū)，平面OM稱為剪切平面，剪切平面與切削速度的夾角稱為剪切角φ.

2）第二變形區(qū)

金屬切削層經(jīng)過第一變形區(qū)后絕大部分開始成為切屑，切屑沿前刀面流出，由于受刀具前面擠壓和摩擦的作用，切屑將繼續(xù)發(fā)生強(qiáng)烈的變形，這個(gè)變形區(qū)域稱為第二變形區(qū)，用Ⅱ表示。

特點(diǎn)：（1）靠近刀具前面的切屑底層附近纖維化，切屑流動速度緩慢，甚至滯留在刀具前面上；

（2）切屑發(fā)生彎曲變形；

（3）由摩擦產(chǎn)生的熱量使刀屑接觸面附近溫度升高。

第二變形區(qū)的變形直接關(guān)系到刀具的磨損，也會影響第一變形區(qū)的變形大小。

3）第三變形區(qū)

當(dāng)金屬進(jìn)入第一變形區(qū)，發(fā)生了塑性剪切滑移變形，而在切削刃鈍圓部分，這種變形更加復(fù)雜，更加激烈。

切削層在刃口鈍圓O點(diǎn)處分離為兩部分，O點(diǎn)以上的部分成為切屑沿前刀面流出，O點(diǎn)以下部分繞過切削刃沿刀具后面流出，成為已加工表面。

由于鈍圓半徑的存在，在整個(gè)切削厚度中，O點(diǎn)以下的那一層金屬切削層，不能沿OM方向剪切滑移，只能受鈍圓的擠壓，不斷受到擠壓摩擦，產(chǎn)生塑性變形，這個(gè)變形區(qū)域稱為第三變形區(qū)，用Ⅲ表示。

第三變形區(qū)的變形，會造成已加工表面的加工硬化和產(chǎn)生殘余應(yīng)力，對已加工表面的質(zhì)量影響密切。

2 切屑類型

金屬切削過程中，由于工件材料的不同和切削條件的不同，切削產(chǎn)生的切屑可分為四種類型。

圖2

1）帶狀切屑

切屑連續(xù)呈較長的帶狀，底面光滑，背面無明顯裂紋，呈微小鋸齒狀。

特點(diǎn)：較常見，切削力波動小，切削過程較平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量較好。

2）節(jié)狀切屑

切屑背面有時(shí)有較深的裂紋，呈較大鋸齒形。

特點(diǎn)：切削力波動較大，切削過程不太平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量較差。

3）粒狀切屑

切屑裂紋貫穿整個(gè)切屑斷面，切屑成梯形粒狀。

特點(diǎn)：較少見，切削力波動大，切削過程不平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量差。

以上三種切屑是在切削塑性金屬材料時(shí)才能產(chǎn)生的。

4）崩碎切屑

切屑呈不規(guī)則的碎塊狀。

切削脆性金屬材料時(shí)產(chǎn)生的。

切削過程不太平穩(wěn)，易損壞刀具，加工表面較粗糙。

減小進(jìn)給量，減小刀具主偏角，適當(dāng)提高切削速度可使崩碎切屑轉(zhuǎn)為片狀或針狀切屑，切削過程中的不良現(xiàn)象得到改善。

3 切屑形狀的控制

對于工藝流程及其安全性來說，切削量和切屑形狀是決定性的影響因素。切削量分為材料本身數(shù)量和實(shí)際占用空間的散亂的切屑量。當(dāng)然，散亂的切屑量要大于材料本身數(shù)量。所得出的切屑空間數(shù)取決于切屑的形狀。切屑空間數(shù)表述了切屑在離開刀具之后所具有的形狀。

究竟生成何種形狀的切屑，這主要取決于材料的材質(zhì)和切削的條件，金屬材料的性能不同，其滑移性質(zhì)也不相同，即使在相同條件下進(jìn)行切削，所得切屑的類型、尺寸(變形程度)也不相同。

對于多晶體的塑性金屬，切應(yīng)力與作用于滑移線上的正應(yīng)力的大小和方向無關(guān)，引起滑移面切變的原子移動是依次發(fā)生的，因此在切削塑性金屬時(shí)容易得到連續(xù)狀切屑。低塑性金屬(或因形變硬化使塑性變差的金屬)的切應(yīng)力與正應(yīng)力的大小和方向有關(guān)，容易產(chǎn)生剛性滑移(或稱機(jī)械滑移)，它與塑性金屬發(fā)生的位錯(cuò)式滑移明顯不同，由原子層組成的原子群在滑移面上相對于另一些材料層同時(shí)滑動，隨著滑移的產(chǎn)生，滑移帶的不完整性破壞增大，結(jié)果將導(dǎo)致宏觀完整性破壞。因此，切削脆性金屬時(shí)，容易因機(jī)械滑移而得到崩碎切屑。

碎裂切屑也被稱為碎屑，它產(chǎn)生于脆裂材料的加工過程。在采取小角度和低速度的切削作業(yè)時(shí)，同樣可以生成碎裂切屑。如果切屑在切削區(qū)域內(nèi)發(fā)生變形，則被稱為擠裂切屑。切屑材料會受到變形力的作用，在面上呈層狀和展開分布，在較高溫度的影響下，它們會相互焊在了一起。

連續(xù)性的帶狀切屑也是通過剪切區(qū)域的變形而生成。但是，切屑可以連續(xù)性地從刀片上排走。由于材料的變形量并沒有被超出，因此各個(gè)層面的變形比較均勻。在較高切削速度、較高溫度和連續(xù)正角度切削作業(yè)下，就會生成相互連在一起的切屑。

排屑槽對切屑起到導(dǎo)向作用，這里主要是指可直接影響切屑生成的特定形狀的溝槽。它可以把切屑進(jìn)行破碎并把切屑引導(dǎo)到一種更為有利的形狀。在后部的切屑排放中，刀具基座上的導(dǎo)屑槽起到了引導(dǎo)切屑排放的作用。在這里，也可以通過對切屑腔大小和形狀進(jìn)行定義，從而限制切屑的膨脹，迫使切屑進(jìn)入特定的位置或甚至對切屑進(jìn)行破斷。

4 結(jié)語

切屑可以在與工件表面的接觸和鉆孔作業(yè)中造成很大的質(zhì)量缺陷。在最嚴(yán)重的情況下，切屑還會卡在鉆孔邊緣和刀刃或基體之間，結(jié)果是加工過程受阻，甚至刀具發(fā)生斷裂。除了這些影響之外，還存在著一種危險(xiǎn)，即刀具受到高溫和切屑鋒利邊緣的危害，造成本體磨損的結(jié)果。最后一點(diǎn)便是，在加工結(jié)束之后往往需要在工件上和加工空間里進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的切屑清理作業(yè)。單單就拿排屑槽來說，切屑的特性就在很大程度上決定了所需要花費(fèi)的費(fèi)用。

在自動化程度越來越高的背景下，加工流程的安全性也必須逐步加強(qiáng)，同時(shí)質(zhì)量要求和對經(jīng)濟(jì)性的要求也在日益提高，因此切削加工流程中對切屑生成和引導(dǎo)的管理是一個(gè)長期的課題，其目標(biāo)在于使用戶實(shí)現(xiàn)較好的生產(chǎn)效益和更高的作業(yè)安全性。