如何度量切屑变形程度？

1.切屑的成形过程

如图3-1（a）所示，金属（塑性）受压缩时，随着外力增加，金属先后产生了弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂；如图3-1（b）所示，金属切削相当于局部压缩金属的压块（刀具），使切削层金属沿最大剪应力方向产生滑移。金属的三个变形区如图3-1（c）所示。

图3-1　金属的压缩与切削和三个变形区

图3-2所示为被切金属层内任一点的剪切滑移示意图。在刀具与工件开始接触的最初瞬间，工件内部产生弹性变形。随着切削运动的继续，切削刃对工件材料的挤压作用加强，使工件材料内部的应力和应变逐渐增大。

2.三个变形区

1）第Ⅰ变形区

图3-2　切屑的形成过程

当材料内部的应力达到屈服极限时，被切削的金属层开始沿着剪应力最大的方向滑移，产生塑性变形。图3-2中的OA面就代表始滑移面。以图中P点为例，当移动到1的位置时，由于OA面上的剪应力达到材料的屈服强度，所以点1在向前移动的同时也沿着OA面移动，合成运动将使点1流动到点2，2'2就是它的滑移量。之后同理继续滑移到了点3、点4处。离开点4的位置以后，其流动方向与刀具前面平行而不再沿OM面滑移，故称OM面为终滑移面。始滑移面OA面与终滑移面OM面之间的变形区称为剪切滑移变形区，又称第Ⅰ变形区，如图3-1（c）所示。第Ⅰ变形区宽度很窄，为0.02～0.2 mm。通常就用平面OM面来表示第Ⅰ变形区，OM面与切削速度方向的夹角称为剪切角φ（见图3-3（a））。切屑变形程度的度量通常用下述两个参数。

（1）相对滑移ε。

它用来衡量第Ⅰ变形区的滑移变形程度。

如图3-3（a）所示，切削层中m'n'线滑移至m"n"线位置时的瞬时位移为Δy，滑移量为Δs，实际上Δy很小，故滑移在剪切面上进行。滑移量Δs越大，说明变形越严重。相对滑移表示为

由上式可见，增大前角γo和剪切角φ，则相对滑移ε减小，即切屑变形减小。

（2）变形系数ξ。

它利用切屑外形尺寸的变化来衡量切屑变形程度。

切削层的金属经第Ⅰ变形区的剪切滑移变形后成为切屑，切屑层的外形尺寸与切削层的尺寸相比有了变化，如图3-3（b）所示，它的长度缩短，即LDh＜LD，厚度增加，即hDh＞hD，宽度不变，这称为切屑收缩。通常用变形系数ξ来表示切屑变形的程度，即

式中：LD、hD——切削层的长度和厚度；

LDh、hDh——切屑层的长度和厚度。

图3-3　变形程度的度量方法

由图3-3（a）还可推出剪切角φ与变形系数ξ之间的关系。

由此可见，剪切角增大，前角增大，则变形系数ξ减小。

2）第Ⅱ变形区

切削层的金属经过第Ⅰ变形区后，切离工件基体形成切屑沿前面流出。切屑沿前面流出时，受到前面的挤压和摩擦。在前面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底层金属再次产生剪切变形，使切屑底层薄薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层。这一区域又称为第Ⅱ变形区，如图3-1（c）所示。它的变形程度比切屑上层要大几倍至几十倍。刀具前面的摩擦与积屑瘤是这一变形区的主要特征。

（1）前面的摩擦。

切屑在流经刀具前面时，在高温高压的作用下产生剧烈的摩擦，这种摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。如图3-4所示，切屑接触区分为黏结区和滑动区两个部分。黏结区的摩擦为内摩擦，这部分的切向应力等于被切材料的剪切屈服点τs。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rs逐渐减小到零。切屑接触面上正应力分布为刃口处最大，远离刃口处变小，直至减小到零。可见，切向应力和正应力在切屑接触面上是不等的，所以前面上各点的摩擦是不同的，即前面上各点摩擦因数是变化的。由于一般材料的内摩擦因数都远远大于外摩擦因数，所以在研究前面摩擦时应以内摩擦为主。(www.xing528.com)

（2）积屑瘤。

由于刀屑接触面的黏结摩擦及滞流作用，在切削塑性金属时，在前面上的温度、压力适宜的时候，切屑底层金属黏结在刃口附近的前面上，形成一个硬度很高的楔块，这个楔块称为积屑瘤，或称刀瘤，如图3-5所示。

图3-4　切屑与前面的摩擦特性

图3-5　积屑瘤

积屑瘤在形成过程中是一层层增高的，到一定高度会脱落，即积屑瘤的形成过程是一个生成、长大、脱落的周期性过程。

积屑瘤的存在可代替切削刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用，还可增大刀具实际前角，对粗加工的切削过程有利；但是积屑瘤的顶端从刀尖伸向工件内层，使实际背吃刀量和切削厚度发生变化，将影响工件的尺寸精度，由于积屑瘤的高度变化使已加工表面粗糙度的值变大，并易引起振动，所以在精加工应避免产生积屑瘤。

影响积屑瘤的主要因素有工件材料、切削速度、刀具前角及切削液等。塑性大的工件材料，刀屑之间的摩擦因数和接触长度大，生成积屑瘤的可能性就大。脆性金属材料一般不产生积屑瘤。切削速度对积屑瘤有很大的影响，切削速度很低（vc＜8 m/min）或很高（vc＞80 m/min）都很少产生积屑瘤，在中等切削速度范围内（加工普通钢vc≈20 m/min）最容易产生积屑瘤，此时，积屑瘤的高度也最大，如图3-6所示。切削速度主要是通过切削温度和摩擦系因影响积屑瘤。刀具前角增大可以减小切屑变形和作用在刀具前面上的正压力，从而可以抑制积屑瘤的生成或减小积屑瘤的高度，故精加工时一般都采取较大的前角。当前角γo＞35°时，一般不会产生积屑瘤。使用润滑性能好的切削液可减小摩擦，有效地抑制或减小积屑瘤。

3）第Ⅲ变形区

工件的已加工表面受到切削刃钝圆半径和刀具后面的挤压和摩擦，产生塑性变形。工件已加工表面与刀具后面的接触区域称为第Ⅲ变形区，如图3-1（c）所示。

刀具的刃口实际上无法磨得绝对锋利，如图3-7所示，刃口圆弧半径rβ＞0时，刃口对切削层既有切削作用，又有挤压作用，使刃前区的金属内部产生复杂的塑性变形。通常假设在切削层的O点上方作用着正压力和摩擦力的合力F，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ΔhD厚度的金属层，晶体向下滑移，绕过刃口形成已加工表面。另外，近圆弧刃口处的后面上小棱面CE面与已加工表面接触产生摩擦；由已加工表面弹性变形引起的弹性恢复层Δh与后面上ED面部分接触产生挤压摩擦。上述的滑移变形和挤压摩擦变形构成了已加工表面上的第Ⅲ变形区，该变形区中变形层厚度达十分之几毫米。

图3-6　切削速度对积屑瘤的影响

图3-7　已加工表面变形

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，亦称冷硬。加工硬化程度严重的材料使得切削变得困难，加工硬化还使得已加工表面出现显微裂纹和残余应力等，从而降低加工表面的质量和材料的疲劳强度。因此，在切削加工中应尽量设法减轻或避免已加工表面的加工硬化。

鳞刺是已加工表面上一种鳞片状毛刺，它对表面粗糙度有严重的影响。通常低速度对塑性金属进行车削加工、刨削加工、钻削加工、拉螺纹加工和齿轮加工，都可能出现鳞刺。采用减小切削厚度和使用润滑性能好的极压切削油或极压乳化液、高速切削、加热切削等措施，都可抑制鳞刺。

三个变形区各有特点，又相互影响、相互联系，对工件表面质量产生很大的影响。3.影响切屑变形的主要因素

影响切屑变形的因素主要有以下三个方面。

1）工件材料

工件材料的强度、硬度越高，刀屑之间的摩擦因数就越小，所以切屑变形就越小；另一方面，材料的性能通过对积屑瘤的影响而影响切屑变形，塑性大的材料在切削过程中易产生积屑瘤，从而增大了刀具的工作前角，减少了切屑变形。

2）刀具的角度

（1）前角的影响：刀具的前角越大，切削刃越锋利，刀具前面对切削层的挤压作用越小，切屑变形就越小。

（2）刀尖圆弧半径的影响：当刀尖圆弧半径增大时，切削刃上参加切削的曲线刃的长度增加，使平均切削厚度减小，变形增大；另外，圆弧切削刃上切屑流出方向的不同，且相互干涉，使切屑变形增大。

3）切削用量

（1）切削速度的影响。切削速度对切屑变形的影响如图3-8所示，在有积屑瘤生成的切削速度范围（vc≤40 m/min）内，主要是通过积屑瘤形成实际前角的变化来影响切屑变形。在切削速度较低的范围（0～20 m/min）内，随着切削速度的提高，积屑瘤逐渐长大，使得刀具实际前角增大，所以切屑变形减小。当积屑瘤的高度达到最大值时，刀具的实际前角最大，变形系数最小。当切削速度继续提高时，积屑瘤高度逐渐减小，刀具实际前角也逐渐减小，变形系数相应增大。当积屑瘤消失时，刀具实际前角最小，此时切削温度较高，摩擦因数较大，变形系数达到最大值。在切削速度较高的范围（vc＞40 m/min）内，变形系数随切削速度的增加而减小。这主要是因为随切削速度增加，切削温度升高，摩擦因数减小。

图3-8　切削速度对切屑变形的影响

（2）进给量的影响。进给量增加使切削厚度增加，但切屑底层（靠近前面）发生剧烈变形的金属层厚度增加不多，也就是说，变形较大的金属层在切屑总体积中所占的比例下降了，所以切屑的平均变形程度变小，变形系数变小。