切削变形及影响因素

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：切削过程中的各种物理现象都是以变形为基础的。切削层金属是经过第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ变形区的变形后，形成切屑和新表面。由于τs与材料和温度有关，σav随材料、切削用量、刀具参数等的变化而变化，且变化范围很大。（二）积屑瘤在切削塑性材料、切削速度较低时，刀具靠近切削刃的前刀面上粘附着硬度很高的金属团块，如图1-19所示。4）使用切削液，降低切削温度和减小摩擦，都可拟制积屑瘤的产生。

切削过程中的各种物理现象都是以变形为基础的。切削层金属是经过第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ变形区的变形后，形成切屑和新表面。所以，分析和衡量变形的现象和大小是研究切削过程的基础。

（一）变形的标志

1.变形系数ξ

如图1-16所示，变形系数ξ定义为

式中　hch——切削厚度；

hD——切削层公称截面厚度；

LD——切削层公称长度；

Lch——切屑的长度。

显然，变形系数ξ所标志的是切削中的平均变形，不能反应瞬时变形，且又受到假定条件（材料的体积不变，且宽度方向无变形）的限制，所以，变形系数ξ通常使用于大于1.3的情况。

2.剪切角φ

如图1-17所示，剪切角φ定义为剪切滑移面OM与切削速度方向之间的夹角。由材料力学知识可知，OM面与合力方向的夹角等于π/4，所以有：

式中　φ——剪切角；

β——摩擦角，即切削合力与前刀面上法向力之间的夹角；

γ0——刀具前角。

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图1-16　变形系数

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图1-17　剪切角

3.摩擦系数

由于切削在前刀面上流动，是在高温高压和新表面接触的条件下切屑底面与前刀面产生粘结，切屑与前刀面间不是一般的摩擦，是切削粘结部分与上层金属间的摩擦，也是切削内部的摩擦，即内摩擦。内摩擦实际是金属内部的剪切滑移，它与外摩擦（古典摩擦）不同，除与材料和压力有关外，还与接触面积有关。

前刀面上的应力分布如图1-18所示，剪应力把前刀面分为两部分lf1和lf2。lf1部分的剪应力等于剪切强度，是内摩擦；lf2部分的剪应力小于剪切强度，是外摩擦。由于外摩擦与内摩擦相比很小，可以忽略。因此，根据摩擦规律有

式中μ——摩擦系数；

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图1-18　切屑与前刀面的摩擦

F——前刀面上的摩擦力；

Fn——前刀面上的正压力；

τs——材料的剪切强度；

σav——前刀面上的平均正应力；

Af1——前刀面上内摩擦的面积。

由于τs与材料和温度有关，σav随材料、切削用量、刀具参数等的变化而变化，且变化范围很大。所以μ不是定值，是一个变化量。

（二）积屑瘤

在切削塑性材料、切削速度较低时，刀具靠近切削刃的前刀面上粘附着硬度很高的金属团块，如图1-19所示。其硬度一般是母体金属的2.5～3倍，它包围了刀刃和靠近切削刃的前刀面，代替切削刃切削，这块金属称为积屑瘤。积屑瘤在切削中是不稳定的，时大时小，对切削过程有较大的影响。

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图1-19　积屑瘤

1.积屑瘤的形成

切削与前刀面在高温高压下剧烈摩擦，由于机械和冶金的作用，很快擦掉油膜和氧化膜，形成新表面的面接触，由于分子间的亲和力和表面吸附力，使切屑底层金属与前刀面产生粘结，当粘结强度大于材料的强度极限时，切屑底层金属将滞留在靠近切削刃的前刀面上，形成积屑瘤。由于这种作用反复进行，积屑瘤将不断长大。由于积屑瘤比较尖凸，强度较低，在切削力的作用下长到一定程度就会被打掉，打掉后再长，反复进行。所以，积屑瘤是一个不稳定的因素。

2.积屑瘤的作用

1）代替切削刃切削，保护切削刃。

2）增大前角，减小变形，降低切削力。

3）增大切削厚度，且不稳定，使加工精度降低。

因此，粗加工时积屑瘤有利，精加工时就必须避免积屑瘤的产生。

3.影响积屑瘤的因素

1）工件材料的硬度低，塑性好，变形就大，易形成积屑瘤。

2）切削速度高，切削温度高，如高于材料的再结晶温度，就不产生加工硬化，粘结在前刀面金属的硬度就不会高于母体，也就不能代替切削刃切削，就形不成积屑瘤。

3）实践证明，积屑瘤形成的最大前角为30°，刀具的前角大于等于30°时，则不产生积屑瘤。

4）使用切削液，降低切削温度和减小摩擦，都可拟制积屑瘤的产生。