1.切屑形成过程对塑性金属进行切削时,切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。图1所示为在低速直角自由切削工件侧面时,用显微镜观察得到的切削层金属变形的情况,由图(a)可绘制出图(b)和图(c)所示的滑移线和流线示意图。

当工件受到刀具的挤压以后,如图(b)所示,切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形,愈靠近OA面,弹性变形愈大。在OA面上,应力达到材料的屈服点σs ,则发生塑性变形,产生滑移现象。随着刀具的连续移动,原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢,应力和变形也逐渐加大。在始滑移面OE上,应力和变形达到最大值。越过OE面,切削层金属将脱离工件基体,沿着前刀面流出而形成切屑,完成切离阶段。经过塑性变形的金属,其晶粒沿大致相同的方向伸长。可见,金属切削过程实质是一种挤压过程,在这一过程中产生的许多物理现象,都是由切削过程中的变形和摩擦所引起的。

切削塑件金属材料时,刀具与工件接触的区域可分为3个变形区,如图(c)所示。OA与OE之间是切削层的塑性变形区I,称为第一变形区,或称基本变形区。基本变形区的变形量最大,常用它来说明切削过程的变形情况。切屑与前刀面摩擦的区域豆称为第二变形区,或称摩擦变形区。切屑形成后与前刀面之间存在压力,所以沿前刀面流出时必然有很大的摩擦,因而使切屑底层又一次产生塑性变形。工件已加工表面与后刀面接触的区域m称为第三变形区,或称加工表面W区。这3个变形区汇集在切削刃附近,此处的应力比较集中而且复杂,金属的被切削层就在此处与工件基体发生分离,大部分变成切屑,很小一部分留在已加工表面上。

2.切屑的类型及其控制

由于工件材料不同,切削过程中的变形程度也就不同,因而产生的切屑种类也就多种多样,在图中,图(a)、图(b)、图(c)所示为切削塑性材料的切屑,图(d)所示为切削脆性材料的切屑。

①带状切屑。这是最常见的一种切屑(见图(a))。它的内表面是光滑的,外表面是毛茸的。如用显微镜观察,在外表面上也可看到剪切面的条纹,但每个单元很薄,肉眼看来大体上是平整的。加工塑性金属材料,当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时,一般常得到这类切屑。它的切削过程平稳,切削力波动较小,已加工表面粗糙度较小。

②挤裂切屑。这类切屑与带状切屑不同之处在于外表面呈锯齿形,内表面有时有裂纹。这类切屑之所以呈锯齿形,是由于它的第一变形区较宽,在剪切滑移过程中滑移量较大。由滑移变形所产生的加工硬化使剪切力增加,在局部地方达到材料的破裂强度。这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。

③单元切屑。如果在挤裂切屑的剪切面上,裂纹扩展到整个面上,则整个单元被切离,成为梯形的单元切屑。

以上3种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中,带状切屑的切削过程最平稳,单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑,有时得到挤裂切屑,单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件,如进一步减小刀具前角,减低切削速度,或加大切削厚度,就可以得到单元切屑。反之,则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律,就可以控制切屑的变形、形态和尺寸,以达到卷屑和断屑的目的。

④崩碎切屑。这是属于脆性材料的切屑。这种切屑的形状是不规则的,加工表面是凸凹不平的,如图2(d)所示。从切削过程来看,切屑在破裂前变形很小,和塑性材料的切屑形成机理也不同,它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料,如高硅铸铁、白口铸铁等,特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。由于它的切削过程很不平稳,容易破坏刀具,也有损于机床,已加工表面又粗糙,因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度,使切屑成针状或片状;同时适当提高切削速度,以增加工件材料的塑性。

以上是4种典型的切屑,但加工现场获得的切屑,其形状是多种多样的。在现代切削加工中,切削速度与金属切除率达到了很高的水平,切削条件很恶劣,常常产生大量“不可接受”的切屑。这类切屑或拉伤工件的已加工表面,使表面粗糙度恶化;或划伤机床,卡在机床运动副之间;或造成刀具的早期破损;有时甚至影响操作者的安全。特别对于数控机床、生产自动线及柔性制造系统,如不能进行有效的切屑控制,轻则限制了机床能力的发挥,重则使生产无法正常进行。所谓切屑控制(又称切屑处理,工厂中一般简称为“断屑”),是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断,使形成“可接受”的良好屑形。

从切屑控制的角度出发,国际标准化组织(ISO)制定了切屑分类标准,如图3所示。

衡量切屑可控性的主要标准是:不妨碍正常的加工,即不缠绕在工件、刀具上,不飞溅到机床运动部件中;不影响操作者的安全;易于清理、存放和搬运。ISO分类法中的3-1、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2类切屑单位重量所占空间小,易于处理,属于良好的屑形。对于不同的加工场合,如不同的机床、刀具或者不同的被加工材料,有相应的可接受屑形。因而,在进行切屑控制时,要针对不同情况采取相应的措施,以得到相应的可接受的良好屑形。

在实际加工中,应用最广的是使用可转位刀具,并且在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。



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金属切削过程与控制
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