切屑形成的基本理論與屑形控制

切屑形成的基本理論與屑形控制

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

　　1 滑移與滑移線

　　機械制造是利用金屬塑性變形機理，采取滾壓、軋制、冷拔或切削加工等方法，使零件達到要求的形狀和尺寸。根據金屬塑性變形理論可知，金屬產生塑性變形的基本機理是滑移，即清移是金屬最主要的塑性變形方式。

　　金屬的滑移僅在剪應力作用下才能發生，即當剪應力t達到金屬材料的剪切強度極限ts時，便會產生塑性變形。在平面變形條件下，多晶體金屬中的滑移是沿最大剪應力方向發生的，即滑移帶與最大剪應力跡線相重合。假設在連續應力場(塑性區)內最大剪應力跡線是無限密集的，則沿最大剪應力方向不斷由一點到與其無限接近的另一點，即可在變形平面上繪出兩組相互正交的曲線(如圖1所示)，從而形成由切屑形成過程中第一變形區內部分滑移線與流線(或相鄰部分)組成的格子。

　　滑移線的微分方程為

　　第一組滑移線： dy/dx=tanw

　　第二組滑移線： dy/dx =-tanw

　　圖1 滑移線和最大剪應力跡線

　　圖2 與滑移線相切的直角坐標系

　　第一、第二滑移線的參變量分別用a和b代替。選取滑移線oa、ob為兩曲線坐標軸，用坐標軸的曲線坐標(a，b)表示平面上p點的位置(見圖2)。這樣，在曲線坐標網的任一a線上坐標b等于常值;在任一b線上坐標a等于常值。因此，在無限接近p點處，坐標曲線a和b與選取的直角坐標軸相重合，因此可認為

　　dx=dsa，dy=dsb

　　式中，dsa和dsb分別為曲線a和b的弧長微分。因此有

由于直角坐標軸與滑移線相切，因此對于a而言，w=0。由于沿曲線a和b的角度w是不斷變化的，因此偏導數 不等于零，從而使切屑在形成過程中產生變形和卷曲。

　　圖3 兩滑移線間的滑移線轉角

　　圖4 切屑中的應力

　　2 切屑的變形和卷曲

　　根據滑移線性質的漢基定理可知，滑移線a1與a2、b1與b2是無限接近的。b1線在 p點與f點的法線的交點O1 為b1線在p點的曲率中心;b2線在e點與 d點的法線的交點 O2 為b2線在 e點的曲率中心。在圖3中，wpf=wed，wpe=wfd。b2線在p點的曲率半徑等于b2線在e點的曲率半徑加上滑移線a1由 e點與p點的弧長增量Δs。由于弧長pf>ed(見圖3)，從而使切屑發生變形。同理，由于弧長pe>fd，切屑必然發生卷曲。

　　在圖4中，用一個剪切面oM代替第一變形區，如果用點流動到剪切面上的p點，第二滑移線與第一滑移線在p點的切線垂直，即剪應力t與平行于第一滑移線在p點的切線的正應力s形成直角。在坐標系xpy內，p為原點，OM即為第二滑移線的切線，X軸即為s和t的合力方向，并與t成45°的夾角，與第一滑移線在p點的切線的夾角為p/4。由于s和t的夾角為p/2。+s和-s形成一個力矩，使切屑以p(空間坐標時為Z)為軸發生卷曲。

　　此外，隨著切屑在前刀面上流動，其底層受到擠壓，晶粒被拉長，造成切屑底部膨脹，促使切屑進一步彎曲變形，引起切屑卷曲。

　　3 切屑屑形及其控制

　　金屬材料的性能不同，其滑移性質也不相同，即使在相同條件下進行切削，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，切應力與作用于滑移線上的正應力的大小和方向無關，引起滑移面切變的原子移動是依次發生的，因此在切削塑性金屬時容易得到連續狀切屑。低塑性金屬(或因形變硬

　　化使塑性變差的金屬)的切應力與正應力的大小和方向有關，容易產生剛性滑移(或稱機械滑移)，它與塑性金屬發生的位錯式滑移明顯不同，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滑動，隨著滑移的產生，滑移帶的不完整性破壞增大，結果將導致宏觀完整性破壞。因此，切削脆性金屬時，容易因機械滑移而得到崩碎切屑。

　　切削塑性金屬時，斷屑是需要解決的主要矛盾。為有利于斷屑，應盡可能增大切屑的基本變形和附加變形。如以較高切削速度切削碳鋼或合金鋼時，為得到螺旋卷屑、長緊卷屑或C形切屑，車刀應采用外斜式卷屑槽(見圖5)，刀具合理幾何參數范圍：t=5°-15°，h=0.5-1.5mm，s=65°-80°;k值由背吃刀量則和進給量f決定，當 ap=0.4=20mm、f=0.15-1mm/r時，k=1.5-7mm。文獻[2]、[7]等給出了這方面的一些參考數據，但文獻中給出的切削用量、刀具幾何參數(尤其是倒棱、卷屑槽等參數)以及附加斷屑臺(或斷屑器)結構、尺寸等與切削用量相匹配的數據多是在特定試驗條件下得出的，如工件材料性質或切削條件改變，刀具幾何參數、斷屑臺(或斷屑器)尺寸等也需通過試驗重新確定。

　　切削灰鑄鐵等脆性金屬時，如何得到連續屑形也是一大難題。脆性金屬的切削過程如圖6所示。當刀具剛切入工件時，被切削金屬層首先發生彈性變形(見圖6a);隨即切屑在切削刃部開始產生裂口(見圖6b) ;刃前裂口以每秒上千米的速度發生失穩擴展，使被切削金屬層產生不同方向的裂紋(見圖6c);裂紋貫穿整個切削厚度，形成不規則的崩碎切屑(見圖6d)。

　　加工HT200材料時，刀具前角和切削速度對切屑長度的影響如圖7所示。當切削速度v >2.5m/s，刀具前角γ0<=30°時，由于切削溫度較高，切屑呈暗紅色被“擠”出，雖然可得到硬度較高的連續形切屑(類似鋼屑)，但在此切削條件下切削力太大，切削溫度過高，不適用于實際生產。選取較大的刀具前角雖可減小切屑變形，但在較高切削速度下，因切屑與前刀面接觸長度減小，使切屑長度也縮短。此外，前角過大可能引起“自動切入”現象。在實際加工中，刀具前角取值一般在=10°-25°之間為宜。

　　圖5 車刀幾何參數示意圖

　　圖6 脆性金用切削過程示意圖

　　1:v=0.484m/s 2:v=1.545m/s 3:v=2.547m/s

　　試件材料：HT200，ac=0.1414mm，aw=5.66mm

　　圖7 刀具前角和切削速度對切屑長度的影響

　　圖8 織構現象形成的切屑橫截面形狀

　　4 切屑形成過程中的聲響與織構現象

　　在金屬切削過程中，如將機床、電機等發出的其它噪聲排除在外，在塑性金屬切屑的形成過程中可聽到“咯吱、咯吱”的聲響;在脆性金屬切屑的形成過程中則可聽到“咯酥、咯酥”的聲響。根據金屬學原理可知，點陣過渡到新的位置幾乎是瞬時完成的，因此發出的聲響并不是單純的平直音。金屬切削過程中原子鍵被破壞而引起的原子位置改變如晶粒破碎(沿晶或穿晶)、晶格扭曲等會發出爆裂聲，這就為確定切削過程是否正常提供了一個判別條件。

　　金屬材料切削變形時，不僅切屑和已加工表面中的晶粒被拉長或破碎，而且各晶粒的晶格位向也會沿變形方向同時發生轉動，使金屬材料組織出現織構現象，由此形成的切屑橫截面形狀如圖8所示。已加工表面的織構現象對加工表面質量不利(表面鱗刺的產生即與其有關)。由于切屑變形越大，織構現象越嚴重，因此精加工時應采用可減小切屑變形的切削條件，如高速切削、選取較大刀具前角和較小切削厚度、提高刃磨質量、使用潤滑性能好的切削液、通過熱處理工藝降低工件材料塑性等。

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