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机械制造技术
切削过程
切削过程
切削过程是刀具从工件表面上切除多余材料，从
切屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程。
一、切屑的形成过程
在刀具的作用下，切削层金属经过一个复杂的过程变成切屑。
在这一过程中，切削层的形态发生了变化。
产生这一变化的根本原因是切削层金属在刀具的作用下产生老变形，这就是切削过程中的变形。
伴随切削过程的变形，出现一系列的物理现象，如切削力、切削热、切削温度、刀具磨损、积屑瘤等。
切削过程的变形是研究切削过程的基础。
图1 塑性金属材料的剪切破坏 削过程三个变形区
图1所示模型说明了切削过程的变形。
塑性金属材料在刀具的作用下，沿与作用力成45o 的方向产生剪切滑移变形，当变形达到一定极限值时，就会沿着变形方向产生剪切滑移破坏。
若刀具连续运动，虚线以上的材料就会在刀具的作用下与下方材料分离。
金属切削过程与上述过程基本相似。
如图2所示，在刀具的作用下，切削层金属经过复杂的变形后与工件基体材料分离形成了切屑。
这一过程中产生的变形可以划分为三个区域，即三个变形区，它们是位于切削刃前OAM之间的第I变形区、靠近前刀面的第II变形区和位于后刀面附近的第III变形区。
图2 切削过程三个变形区
（1） 第一(Ⅰ)变形区
切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区，也就是图3所示OA与OM之间的区域就是第一(Ⅰ)变形区。
图3 金属切削过程的三个变形区
金属材料在OA线以左发生弹性变形。
在OA线上，材料的剪应力达到屈服强度τs，开始塑性变形，产生滑移，OA称为始滑移线。
随着刀具的连续移动，原来处于滑移线上的金属不断向刀具靠拢，应
力和变形也逐渐增大，达到OM线时，应力和变形达到最大值。
超过OM线，切削层金属将沿前刀面流出，形成切屑，完成切离。
OM线称为终滑移线。
OA线和OM线之间的区域是塑性变形区域。
第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，在这个区域内，
金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。
此区域较窄，宽度
仅0.02~0.2mm。
（2）第二(Ⅱ)变形区
1) 第二(Ⅱ)变形区的变形
切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前面处的金属发生“纤维化”的二次变形。
这部分区域称为第二变形区(Ⅱ)。
在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。
而且，切屑与前刀面的压力很大，高达2~3G Pa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。
2) 积屑瘤
切削塑性金属材料时，由于在第二变形区切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，使切屑底层的流动速度低于上层，形成滞流层。
当滞流层与前刀面之间的摩擦力超过切屑金属强度极限时，就会有滞流层的金属粘附堆积在切削刃附近，形成如图4所示的积屑瘤。
图4 积屑瘤
因为积屑瘤经过剧烈的塑性变形，其硬度远高于工件本身的硬度，故能代替刀刃进行切削，起到保护刀刃和增大刀具的前角使切削变形和切削力减小的作用。
因此，一般认为粗加工时产生积屑瘤有一定好处。
但是积屑瘤是不稳定的，它时大时小，时有时无，除其顶端伸出刀刃和刀尖之外，还使切削深度和切削厚度不断变化，影响加工精度并导致切削力波动，可能引起工艺系统振动，在已加工表面上形成沟纹，脱落的积屑瘤碎片也可能嵌入己加工表面，使工件表面质量下降。
因此，精加工时要避免产生积屑瘤。
实践证明，切削速度对积屑瘤的影响最大，高速切削和低速切削都不容易产生积屑瘤。
可以采用以下措施抑制或消除积屑瘤：
a) 首先从加工前的热处理工艺阶段解决。
通过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。
b) 调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑对刀具前刀面的压力。
c) 调低切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面温度降低，避免粘结现象的发生。
或采用较高的切削速度，增加切削温度，因为温度高到一定程度，积屑瘤也不会发生。
d) 更换切削液，采用润滑性能更好的切削液，减少切削摩擦。
（3） 第三(Ⅲ)变形区
1) 第三(Ⅲ)变形区的变形
在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为第三变形区(Ⅲ)。
由于刀具刃口不可能绝对锋利，钝圆半径的存在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量。
切屑类型及影响切屑变形的因素
图5 切屑类型
a)带状切屑 b)挤裂切屑 c)单元切屑 d)崩碎切屑
切屑的控制就是要控制切屑的类型、流向、卷曲和折断。
切屑的控制对切削过程的正常、顺利和安全具有重要的意义。
在有些情况下，切屑的控制是加工过程能否进行的决定性因素。
在数控加工和自动化制造过程中，切屑的控制对加工过程尤为重要。
1、切屑的种类
切屑是金属切削过程中切削过程的一系列复杂的变形过程而形成的。
根据切削程金属的变形特点和变
形程度不同，切屑可分为四类，如图5(a)所示。
1）带状切屑
在加工塑性金属材料时，若切削层金属的剪切滑移变形未达到材料的剪切破坏极限，切屑就呈连续不断的带状，这就是带状切屑。
其内表面由于与前刀面的挤压摩擦而较光滑，外表面可以看到剪切面的条纹，呈毛茸状。
此时切削力波动小，已加工表面质量好。
它是最常见的屑形。
2）节状切屑（挤裂切屑）
在切削速度较低、切削厚度较大的情况下，切削钢及切削黄铜等材料时，切屑的外表面局部达到剪切破坏极限，开裂呈节状，但外形仍为带状，这就是节状切屑。
3）粒状切屑（单元切屑）
在切削速度很低、切削厚度很大的情况下，切削钢以及铅等材料时，由于剪切变形完全达到材料的破坏极限，切下的切屑断裂成均匀的颗粒状，即粒状切屑。
此时切削力波动最大。
4）崩碎切屑
切削铸铁等脆性金属材料时，切削层金属未经明显的塑性变形，就在弯曲拉应力作用下脆断，得到了不规则的细粒状切屑。
这时已加工表面质量较差，切削过程不平稳。
显然，切屑类型是由材料特性和变形的程度决定的，加工相同塑性材料，采用不同加工条件，如在形成节状切屑的条件下，进一步减小前角，加大切削厚度，就可得到粒状切屑；反之，如加大前角，提高切削速度，减小切削厚度，则可得到带状切屑。
生产中，常利用切屑转化的条件，得到较为有利的切屑类型。
从加工过程的平稳、保证加工精度和加工表面质量考虑，带状切屑是较好的类型。
带状切屑也有不同的形状。
如图6所示。
连绵不断的长条状切屑不便处理，且容易缠绕在工件或刀具上，影响切削过程的进行，甚至伤人。
因而在数控机床上C形切屑是较好的形状。
但其高频率折断会影响切削过程的平稳性。
所以，在精车时是螺卷屑较好，其形成过程平稳，清理方便。
在重型车床上用大切深、大进给量车削钢件时，通常使切屑卷曲成发条状，在加工工件表面上顶断，并靠自重坠落。
在自动线上，宝塔状切屑不会缠绕，清理也方便，是较好的屑形。
车削铸铁、脆黄铜等脆性材料时，切屑崩碎、飞溅，易伤人，并研损机床滑动面，应设法使切屑连成螺状短卷。
图6 切屑的形状
2、切屑的流向、卷曲
1）切屑的流向
如图7所示，在直角自由切削（直角切削是指刀具主切削刃的刃倾角λs =0 时的切削，此时主切削刃与切速度方向成直角，故又称为正交切削。
刀具切削过程中，一条直线刀刃参加切削工作，这种情况称之为自由切削）时，切屑在正交平面内流出。
在直角非自由切削时，由于刀尖圆弧半径和切削刃的影响，切屑流出方向与正交平面形成一个出屑角η，η与主偏角kr和副切削刃工作长度有关；斜角切削时，切屑的流向受刃倾角λs影响，出屑角η约等于刃倾角λs。
图8是λs对切屑流向影响示意图。
卷屑槽斜角也影响切屑的流向和屑形。
外斜式槽形使切屑向工件方向流出，内斜式槽形使切屑背离工件方向流出。
图7 切屑的流向
图8 λs对切屑流向的影响
2）切屑的卷曲 切屑的卷曲是由于切削过程
中的塑性变形和摩擦变形、切屑流出时的附
加变形而产生的。
通过在前刀面上制出的卷
屑槽（断屑槽）、凸台、附加挡块以及其他
障碍物可以使切屑产生充分的附加变形。
采
用卷屑槽能可靠地促使切屑卷曲，切屑在流
经卷屑槽时，受外力F作用产生力矩M使切
屑卷曲，如图9所示。
图9 切屑的卷曲
谢谢观看。
