切削变形的规律研究

金属切削加工是指用刀具从工件上切除多余的材料，从而使工件的形状、尺寸、位置和表面质量均符合技术要求的加工方法。金属切削过程实质上就是形成切削与加工表面的过程。在切削过程中要发生诸多的物理现象，如切削变形、切削力、切削热、刀具磨损和表面强化等。

1）金属塑变理论

由材料力学理论，金属切削层受挤压后内部应力增加，挤压层金属先产生弹性变形继而产生塑性变形，金属的晶格沿晶面发生滑移，随着滑移量的增大，金属切削层与母体金属产生破裂而分离从而使切屑形成。

在图2.20中，图（a）为塑性金属受挤压时，在与作用力大致成45°方向上剪应力最大。当剪应力达到材料的屈服强度极限时，金属即沿着剪切面AD、BC发生剪切滑移而破坏。图（b）为金属偏挤压，由于压头下方金属较厚，阻力大，因而被挤压的一层金属只能沿BC剪切面向上剪切滑移破坏。图（c）为金属切削，刀具实际上就是偏挤压的压头，只不过是形状略为修改而已。由此可见，金属切削过程的实质是挤压过程。

切屑的具体形成过程如图2.21所示。切削塑性金属时，当工件受到刀具的挤压后，切削层金属在OA始滑移面以左发生弹性变形，在AOM区域内产生塑性变形，在OM终滑移面上应力和塑性变形达到最大值，切削层金属被挤裂而破坏。越过OM面，切削层金属即被切离工件母体，沿刀具前刀面流出而形成切屑。这是一个动态的过程，随着刀具不断向前运动，AOM区域也不断前移，切屑源源不断流出，切削层各点金属都要经历弹性变形、塑性变形、挤裂和切离的过程。由此可见，塑性金属的切削过程是一个挤压、变形、切离的过程，经历了弹性变形、塑性变形、挤裂和切离4个阶段。

图2.20　金属挤压与金属切削

图2.21　金属切削过程中的滑移线和流线

2）切削变形过程

切削塑性金属时有三个变形区，这从滑移线和流线图（在图2.21中，流线表示被切金属的某一点在切削过程中的流动轨迹）可以看出三个切削变形区的划分及在各个变形区中切削层金属和切屑的变形情况。简述如下：

第一变形区：在刀具前面的推挤下，切削层金属发生塑性变形。从图可以看出，塑性变形是从OA线开始，直到OM线结束。在这个区域内，被刀具前面推挤的工件的切削层金属完成了剪切滑移的塑性变形过程，金属的晶粒被显著地拉长。离开了OM线之后，切削层金属已经变成了切屑，并沿着刀具前面流动。可见，这一变形区域是切屑形成的主要区域（图2.21的Ⅰ区），称为第一变形区。

第二变形区：切屑沿前面流动时，进一步受到刀具前面的挤压，在刀具前面与切屑底层之间产生了剧烈摩擦，使切屑底层的金属晶粒纤维进一步被拉长，其方向基本上和刀具前面平行。由于切屑底层的这种严重的剪切滑移变形，使切屑底层变得平整光亮。由于切屑底层的金属被拉长而顶层的金属并没有被拉长，所以切屑发生向顶层的卷曲。切屑底层金属的这个变形区域称为第二变形区（图2.21的Ⅱ区）。在第二变形区内若产生切屑底层的堆积，就形成了积屑瘤。由于积屑瘤可以代替切削刃进行切削，所以，第二变形区对切削过程会产生较显著的影响。

第三变形区：切削层金属被刀具切削刃和前面从工件基体材料上剥离下来，进入第一和第二变形区，同时，工件基体上留下的材料表层经过刀具钝圆切削刃和刀具后面的挤压、摩擦，使表层金属产生纤维化和非晶质化，并使其显微硬度提高。随后，当刀具后面离开后，已加工表面表层和深层金属都要产生回弹，从而产生表面残留应力，这就是已加工表面的形成过程。上述已加工表面的形成过程都是在第三变形区（图2.21的Ⅲ区）内完成的。已加工表面表层金属在第三变形区内的摩擦与变形情况，直接影响着已加工表面的质量。

3）切削变形程度的度量

由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形程度也就不同，所产生的切屑种类也多种多样。归纳起来常见的切屑有4种：带状切屑、节状切屑、粒状切屑和崩碎切屑。

衡量切削变形程度的大小可以从以下三个方面描述。

（1）切削厚度压缩比Λh

切削厚度压缩比Λh是衡量切削变形程度的一个常用指标。实践表明，如图2.22所示，刀具切下的切屑厚度hch通常都大于工件的切屑层公称厚度hD，而切屑长度lch却小于切屑层公称长度lD。切屑厚度hch与切屑层公称厚度hD之比称为切屑厚度压缩比Λh。由于工件上切屑层变成切屑后宽度的变化很小，根据材料体积不变的原理，切屑厚度压缩比Λh也等于切屑层公称长度lD与切屑长度lch之比，即

图2.22　切屑的变形程度

切屑厚度压缩比Λh一般均大于1，它直观反映了切屑的变形程度，切屑厚度压缩比Λh越大，表明切屑越厚、越短，说明切削变形程度越大。

（2）切应变ε

由于切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当切削层平行四边形发生滑移后，其切应变ε为

（3）剪切角φ

在常用的切削速度范围内，可以用一个简化的平面来表示第一变形区，这个平面称为剪切平面。剪切平面与切削速度方向的夹角称为剪切角φ。可以推证出切削厚度压缩比Λh与剪切角φ的关系为

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由此可知，剪切角φ越大，切削厚度压缩比Λh越小，即切削变形越小。说明剪切角φ也可以作为衡量切削变形程度的一个参数。但由于剪切角的测量比切削厚度压缩比测量要麻烦得多，所以一般很少用它来衡量切削变形的程度。

4）积屑瘤现象

切削层经第一变形区后沿前刀面排出，受到前刀面的挤压和摩擦变形加剧，进入第二变形区。中低速切削时，切屑在流经前刀面时，在高温高压的作用下相互产生剧烈的摩擦，致使刀具前刀面与切屑底层产生黏结现象，也称冷焊。这种摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。如图2.23所示，刀屑接触区分为黏结区和滑动区两部分。黏结区的摩擦为金属间的内摩擦，是金属内部的剪切滑移，这部分的切向应力等于被切材料的剪切屈服点s。滑动区的摩擦为外摩擦，即滑动摩擦，这部分的切向应力随着远离切削刃由s逐渐减小至零。而刀屑接触面上正应力分布是刃口处最大，远离刃口处变小，直至减小至零。所以前刀面上各点的摩擦是不同的。

图2.23　切屑和前刀面的摩擦

图2.24　积屑瘤的度量

（1）积屑瘤的形成

由于刀具工作的接触面通常很洁净，切削塑性材料时，在黏结摩擦和滞留的作用下，当前刀面上的温度和压力适宜时，切屑底层金属黏结在前刀面的刃口附近（即所谓的“冷焊”），形成硬度很高（是工件材料的2~3倍）的一个楔块，称为积屑瘤。积屑瘤的大小常用积屑瘤的高度Hb表示，如图2.24所示。

在加工过程中，积屑瘤的高度是逐层积聚的，到一定高度后，受振动或外力作用会脱落，所以加工时积屑瘤是一个生成、长大、脱落的周期性过程。

（2）积屑瘤对切削过程的影响

①增大前角，减小切削力。积屑瘤在刀面上增大了刀具的实际工作前角，可减小切屑变形，减小切削力。

②影响尺寸精度。积屑瘤前端伸出量Hb导致切削厚度增加了ΔhD，影响工件尺寸精度。

③增大表面粗糙度值。高度不稳定的积屑瘤会在工件表面上划出沟痕和挤歪已有沟痕，脱落后的积屑瘤颗粒会嵌在已加工表面上，从而增大表面粗糙度值。

④减小刀具磨损。积屑瘤包裹着刀具切削刃，代替切削刃、前刀面和后刀面进行切削，减小刀具的磨损。

（3）影响积屑瘤的主要因素

积屑瘤的形成主要取决于切削区温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、黏结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。

①工件材料塑性越大，切削温度越高，越容易形成积屑瘤。可以采用正火或调质处理来避免积屑瘤的生成。

②切削速度实验表明，采用低速（vc≤3 m/min）或较高速（vc>40 m/min）切削时，不易产生积屑瘤，如图2.25所示。

图2.25　积屑瘤形成的高度与切削速度关系

③刀具前角增大，可以减小切屑变形、切削力和摩擦，降低切削温度，抑制积屑瘤的生成。

另外，使用切削液可有效降低切削温度和摩擦，抑制积屑瘤的产生。

图2.26　加工表面的硬化层形成

5）加工硬化与鳞刺

刀具切削刃的刃口实际上无法磨得绝对锋利，总存在刃口圆弧，如图2.26所示，刃口圆弧半径为rβ。切削时由于刃口圆弧的切削和挤压摩擦作用，使刃口前区的金属内部产生复杂的塑性变形。通常以O点为分界点，O点以上金属晶体向上滑移形成切屑；O点以下厚度ΔhD的金属层晶体向下滑移绕过刃口形成已加工表面。这层金属被刃口圆弧挤压后，还继续受到后刀面上小棱面CE的摩擦，以及由已加工表面弹性恢复层Δh与后刀面上ED部分接触产生挤压摩擦，使已加工表面变形更剧烈。

经切削产生的变形使得已加工表面层的金属晶格产生扭曲、挤紧和碎裂，造成已加工表面的硬度增高，这种现象称为加工硬化（冷硬现象）。硬化程度严重的材料使切削变得困难。冷硬还使已加工表面出现显微裂纹和残余应力等，从而降低了加工表面的质量和材料的疲劳强度。

鳞刺是已加工表面上的一种鳞片状毛刺，它对表面粗糙度有严重的影响。通常在以较低的切削速度对塑性金属进行车、刨、钻、拉等加工时，都可能出现鳞刺。采用高速切削、减小切削厚度、使用润滑性能好的切削液等措施，都可抑制鳞刺。