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金屬切屑的形成過程
時間:2019-03-21

一、切屑的形成過程

1.變形區的劃分

切削層金屬形成切屑的過程就是在刀具作用下被加工材料發生變形的過程。切削過程中,切 削層金屬的變形大致可劃分為三個區域:

(1)第一變形區 從被切金屬開始發生塑性變形到金屬晶粒的剪切滑移基本完成的區域稱為第一變形區。

(2)第二變形區 切屑沿前刀面排出時進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,這一區域稱為第二變形區。

(3)第三變形區 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,這一區域稱為第三變形區。

在第一變形區內,變形的主要特征就是沿滑移線的剪切變形,以及隨之產生的加工硬化。當金屬沿滑移線作剪切變形時,晶粒會伸長。晶粒伸長的方向與滑移方向(即剪切面方向)是不重合的,它們成一夾角。據研究,在一般切削速度范圍內,第一變形區的寬度僅為 0.02~0.2mm,所以可以用一剪切面來表示。剪切面與切削速度方向的夾角稱作剪切角,以表示。


2.相對滑移

既然切削過程中金屬變形的主要形式是剪切滑移,當然就可以用相對滑移 來衡量切削過程的變形 程度。


3.剪切角
剪切角與切削變形有密切關系,可用剪切角來衡量切削變形的程度。分析可知:
1)前角增大時,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,對改善切削過程有利。

2)摩擦角增大時,剪切角隨之減小,變形增大。提高刀具刃磨質量,采用潤滑性能好的切削液,可以減小前刀面和切屑之間的摩擦系數,有利于改善切削過程。


三、前刀面上的摩擦

由于在一般切削條件下,來自粘結接觸區的摩擦力占前刀面上總摩擦力的85%[16],故在研究前刀面上的摩擦時,應以粘結接觸區的摩擦為主要依據。


四、積屑瘤的形成及其對切削過程的影響


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,常在前刀面切削處粘著一塊剖面呈三角狀的硬塊,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,切屑與前刀面接觸處發生強烈摩擦,當接觸面達到一定溫度,同時又存在較高壓力時,被切材料會粘結(冷焊)在前刀面上。連續流動的切屑從粘在前刀面上的金屬層上流過時,如果溫度與壓力適當,切屑底部材料也會被阻滯在已經“冷焊”在前刀面上的金屬層上,粘成一體,使粘結層逐步長大,形成積屑瘤。積屑瘤的產生及其成長與工件材料的性質、切削區的溫度分布和壓力分布有關。塑性材料的加工硬化傾向越強,越易產生積屑瘤;切削區的溫度和壓力很低時,不會產生積屑瘤;溫度太高時,由于材料變軟,也不 易產生積屑瘤。對碳鋼來說,切削區溫度處于 300~350℃時積屑瘤的高度最大,切削區溫度超過500℃積屑瘤便自行消失。

有密切關系,因為切削過程中產生的熱是隨切削速度的提高而增加的。


2.積屑瘤對切削過程的影響
(1)使刀具前角變大 阻滯在前刀面上的積屑瘤有使刀具實際前角增大的作用,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 。 將隨著積 屑瘤的成長逐漸增大,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致切削力產生波動。
(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,形狀也不規則,會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量下降。

(4)對刀具壽命的影響 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,可能會把前刀面上刀具材料顆粒拽走(這種現象易發生在硬質合金刀具上),反而使刀具壽命下降。


積屑瘤對切削過程的影響有積極的一面,也有消極的一面。精加工時必須防止積屑瘤的產生,可采取的控制措施有:
1)正確選用切削速度,使切削速度避開產生積屑瘤的區域;
2)使用潤滑性能好的切削液,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,以便利用這些規律控制和優化切削過程。


1.工件材料
實驗結果表明,工件材料強度越高,切屑和前刀面的接觸長度越短,導致切屑和前刀面的接觸面積減小,前刀面上的平均正應力 增大,前刀面與切屑間的摩擦系數減小,摩擦角 減小,剪切角 增大,變形系數 將隨之減小。
2.刀具前角

增大刀具前角 ,剪切角 將隨之增大,變形系數 將隨之減小;但 增大后,切屑作用在前刀面上的平均正應力 減小,使摩擦角 和摩擦系數 增大,導致 減小;由于后者影響較小, 還是隨 的增加而減小。


1.切削速度
在無積屑瘤產生的切削速度范圍內,切削速度 越大,變形系數 越小,主要是因為塑性變形的傳播速度較彈性變形慢,切削速度越高,切削變形越不充分,導致變形系數 下降;此外,提高切削速度還會使切削溫度增高,切屑底層材料的剪切屈服強度 因溫度增高而略有下降,導致前刀面摩擦系數 減小,使變形系數 下降。
2.切削層公稱厚度

在無積屑瘤產生的切削速度范圍內,切削層公稱厚度 越大,變形系數 越小,這是由于 增大時,前刀面上的法向壓力 及前刀面上的平均正應力 隨之增大,前刀面摩擦系數 隨之減小,剪切角 隨之增大,所以 隨 增大而減小。

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