切屑形成机理：黏结和加工硬化的影响

1.变形区的划分

根据切削过程中整个切削区域金属材料的变形特点，可将切削层划分为三个变形区，如图2-10所示。

第一变形区。从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成，工件材料在被切削层上形成切削变形区I。在OA到OM之间整个第一变形区内，变形的主要特征是沿滑移面的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化。其变形程度主要影响切屑形态。一般OA与OM之间的距离只有0.02～0.20 mm，可以把第一变形区看作是一个剪切面。

第二变形区。切屑流出时，与刀具前面接触的切屑底层金属受到前刀面的挤压和摩擦作用后产生变形区Ⅱ。由于切屑与刀具之间存在着很大的压力，以及很高的温度，强烈的挤压和摩擦所引起的切屑底层金属的剧烈变形和切屑与刀具界面温度的升高，是第二变形区的主要特征，这些对刀具的磨损、切削力、切削热等都有影响。

图2-10　金属切削的三个变形区域

在一定条件下，切削塑性材料时，常常在刀具前刀面靠近切削刃处黏着一小块剖面呈三角形的硬块（硬度通常是工件材料的2～3倍），这就是积屑瘤，如图2-11所示。切削时，由于黏结和加工硬化，使得切屑底层部分金属被分离并黏结在前刀面上，形成积屑瘤核，随着切屑连续流出，切屑底层依次层层堆积，使积屑瘤不断长大。当切屑与刀具前面的接触条件发生变化时，积屑瘤就会停止生长。积屑瘤稳定时可以保护刀尖，代替切削刃进行切削，减轻刀具磨损，增大实际前角，减小切削变形。但由于积屑瘤不断地长大和脱落使切削层不断变化，造成“切削刃”的不规则和不光滑，形成“过切”现象，使已加工表面粗糙，尺寸精度降低；积屑瘤脱落的碎片或损伤刀具表面或黏附于工件已加工表面，影响工件表面质量。因此，精加工时必须设法抑制积屑瘤。

图2-11　积屑瘤

第三变形区。已加工表面受到后刀面的挤压和摩擦作用后形成变形区Ⅲ。由于刀具钝圆半径的存在，在已加工表面形成过程中，除了挤压、摩擦使表面层金属产生变形之外，表面层还受到切削热的作用，这些都将影响已加工表面的质量。

这三个变形区汇集在切削刃附近，使切削区域应力集中且复杂，材料的被切削层在这里与工件本体分离，大部分变成切屑，小部分留在已加工表面。切削过程中各种现象均与这三个区域的变形有关。

2.切屑的种类

经过一、二变形区的基本变形而流出的切屑，可粗略地分为带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑四个类型（如图2-12所示）。

图2-12　切屑的种类(www.xing528.com)

（a）带状切屑；（b）挤裂切屑；（c）单元切屑；（d）崩碎切屑

（1）带状切屑

这是常见的一种切屑，它内面光滑，外面毛茸，形如带子，连绵不断。在切削中形成带状切屑时，切削力平稳，已加工表面光洁。但应考虑断屑问题。

（2）挤裂切屑

当被切金属通过第一变形区时，若局部地方的切应力达到其强度极限，则被剪裂，切屑出现局部裂纹。这种外表面呈锯齿形而有局部裂纹，整个外形仍连绵不断的切屑，称为挤裂切屑。

（3）单元切屑

当剪切面上的切应力超过被切金属的强度极限时，整个剪切面被剪裂，形成每粒形状很相似的单元切屑。在这种情况下，切削力波动大，已加工表面质量差。

（4）崩碎切屑

切削脆性材料（如灰铸铁）时，被切金属未经明显的塑性变形就在拉应力作用下脆断，形成大小不等、形状各异的碎块状切屑。这时，切削力波动大，且集中于切削刃，已加工表面粗糙度值较大。

前三种切屑是在切削塑性材料时形成的，在一定条件下可以相互转化。