2.1　金属切削变形

2.1.1　切屑类型

若工件材料、切削条件不同，金属切削过程中的变形程度也不同，会产生不同类型的切屑。从变形角度考虑，切屑可分为如下几种基本类型。

1.带状切屑

带状切屑呈连续体，内表面光滑，外表面呈毛茸状。图2.1（a）为一带状切屑示意图，带状切屑形成时的变形状态及切削力稳定。带状切屑形成条件下，工件表面质量较好，不容易发生刀具崩刃等问题，是理想的切削形态。带状切屑的缺点是不容易断屑，给切削加工带来困难。

2.挤裂切屑

如图2.1（b）所示，切削过程中切屑逐渐变厚，达到某一界限时产生裂纹而很快变薄。切屑周期性重复上述过程，这样形成的切屑称为挤裂切屑。随着切削的进行，剪切角减小，切屑变厚，致使切屑受到的应变增大，达到某一界限时发生断裂，此时背吃刀量减少而剪切角增大，上述过程不断重复。发生挤裂切屑形态时，不只发生单一的剪切滑移，在剪切面中央附近产生隆起（图2.2）发生挤压现象 [2] 。挤裂切屑较带状切屑的形成机理复杂。由于产生挤裂切屑时的切削力波动大，影响已加工表面质量，刀具亦容易崩刃。

3.单元切屑

如图2.1（c）所示，在切削铅、纯铜等塑性金属材料时，切屑容易在前刀面上形成黏结不易流出，使材料达到断裂极限，整个单元被切分成梯形的粒状切屑，各粒形状相似，又称为单元切屑。发生单元切屑时，切削力波动大，导致已加工表面粗糙度增大。

以上三种切屑都是切削塑性金属时得到的，改变切削条件，三种切削形态可以互相转换。带状切屑产生条件下，切削厚度增加到一定程度时就得到挤裂切屑。在形成挤裂切屑的情况下，进一步减小前角，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。如果加大前角，提高切削速度，减小切削厚度，则可得到带状切屑。

4.崩碎切屑

如图2.1（d）所示，切削铸铁、黄铜等脆性金属时，由于材料的塑性很小、抗拉强度较低，刀具切入后，切削层内靠近切削刃和前刀面的局部金属，未经明显的塑性变形就在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑，称为崩碎切屑。如图2.3所示，切屑变形产生裂纹后形成龟裂，龟裂贯穿切屑，将切屑断成分散的碎片，龟裂的大小、方向、形成的频率等是随机的，通常是在预定已加工表面下方发生的，影响已加工表面质量。

2.1.2　切屑卷曲

切屑流方向在金属切削中极其重要，它直接影响对切屑的控制 [3-6] 。若切削刃被离散成许多切削刃单元，由于全局切屑运动的强制作用，约束每个离散单元的局部切屑流向统一的方向。文献[7]假设切屑是由许多相互独立的离散切屑单元形成，即离散切屑单元之间不相互影响，只于各个离散切削刃的法向方向流出，即 =0°。与自由切屑流方向相比，受约束的切屑流方向需要更多的能量。随着切屑流出角绝对值| η c |的增加，导致更大的塑性变形，使主剪切面的温度上升。刀具作用在切屑上的合力和刀屑接触长度也随| η c |的增加而增加 [8] ，对于自由切屑流方向，切削力与刀屑接触长度是最小的。外圆车削过程中，局部切屑流方向受相互挤压作用，并非自由流出，是服从统一的全局切屑流方向。三维切削中，影响切屑流方向的最主要因素是刃倾角，主偏角和刀尖圆弧半径等加工参数也对切屑流方向有影响，这些参数的影响是相互耦合在一起的综合效应。

1.螺旋形切屑

带状切屑最常见的是螺旋形切屑，影响螺旋形切屑形状的因素包括：①向上卷曲的曲率1/ R x ；②横向卷曲的曲率1/ R z ；③切屑的流出角 η c 。除此以外，如切屑宽度、厚度和长度确定了，切屑的形状也就确定了。图2.4（a）是流出角为0°时，按1/ R x 和1/ R z 的组合情况，切屑形状按照圆柱—圆锥—圆板的方向变化。图2.4（b）是流出角为15°时切屑形状。所以，切屑形成过程中，如果有流出角就会产生螺旋形切屑。

2.切屑的向上卷曲

如图2.5所示为发生向上卷曲时切屑内的速度分布示意图，切屑流出速度 v 分布呈现从 A 侧至 B 侧逐渐增加的趋势，即切屑以角速度 ω x 绕平行于切削刃的轴旋转，故切屑在 B 侧变长。

影响切屑向上卷曲的因素有以下几方面：

1）断屑与卷屑

具有断屑槽结构的刀具工作时，切屑与断屑槽接触时，切屑与工件连接部位形成弯曲力矩，自由面一侧产生压应力，与前刀面接触一侧产生拉应力，促使切屑向上卷曲（图2.6）。

如图2.7所示，卷屑槽使切屑向上卷曲，半径为 R x 的圆弧称为切屑流出圆，切屑流出圆首先要满足于切屑在离开刀具前刀面的地方与前刀面相切，其次切屑流过断屑槽的肩部或与斜面相切。

假定切屑与前刀面接触点的距离为 W n ，全圆弧形卷屑槽条件下（图2.7（a））， ，如果 γ b ≥ γ o ，则 R x = R n 。对于一定的 γ b ， R x 随着 W n 的减小而减小。直线形卷屑槽条件下（图2.7（b）） 。

2）积屑瘤

中速切削碳钢、球墨铸铁或铝合金等塑性金属时，常有从切屑和工件上分离来的金属黏结并聚集在前刀面上，快速冷却形成硬度很高的楔形块，可代替刀具进行切削，这个硬块称为积屑瘤。切削过程中若切屑沿积屑瘤上面流出时会触碰前刀面，经弯曲力矩的作用，促使切屑发生向上卷曲。

3）二次滑移

由于摩擦作用，切屑与前刀面接触的第二变形区较切屑本体速度降低，产生二次滑移现象，刃口附近的速度显著降低，以后逐渐恢复，在离开前刀面时速度完全恢复，与切屑成为一体流出。该速度的分布规律使切屑发生向上卷曲。

3.切屑的横向卷曲

金属切削过程中，切削方式分为二维切削和三维切削，也称直角切削和斜角切削，如图2.8所示。三维切削过程中切屑在横向发生卷曲，切屑宽度方向存在流出速度的梯度，拥有绕着与切屑表面垂直轴旋转的角速度。影响切屑横向卷曲的因素包括下几方面。

1）进给量

在金属切削加工中，切屑厚度 h ch 通常都大于工件切削层的厚度 h D ，切屑长度 l ch 却小于切削层长度 l D ，如图2.9所示，这种现象称为切屑收缩。随着进给量增大横向卷曲程度也会增加，切屑两端在横方向变宽引起三维变形。两端附近呈平面应力状态，依据体积不变原理，发生横向变宽部分的厚度必须减薄或长度必须缩短，如果长度不缩短则发生横向卷曲。

如图2.10为切削过程中速度关系图，切屑流出速度 v c = v sin φ /cos( φ - γ o )。如果刀具前角发生变化，各点处切屑的流出速度也会发生变化，产生横向弯曲。

2）前角

3）刃倾角

三维切削时剪切面不再是一个平面，是以刀刃为轴线被扭转了一个角度，切屑两侧流出速度有差异，引起切屑横向卷曲。而刃倾角 λ s 的主要作用是控制切屑流向，图2.11所示为外圆车刀主切削刃刃倾角对切屑流向的影响 [11] 。当 λ s ＝0°时，切屑沿主切削刃方向流出；当 λ s ＞0°时，切屑流向待加工表面；当 λ s ＜0°时，切屑流向已加工表面，容易划伤工件表面。

4）剪切角与摩擦角

在二维切削条件下，作用在切屑上的力有前刀面上的法向力 F n 和摩擦力 F f ，二者合力用 F r 表示，即为切屑形成力。在剪切面上法向力 F ns 和剪切力 F s ，其合力用 F r ′表示，如图2.12所示。 F r 与 F r ′这两对合力应该互相平衡。如图2.13所示，为更加明确各力间的关系，把所有的力都绘制在切削刃处。剪切角 φ 是指发生剪切滑移的面和切削速度方向之间的夹角， β 是 F n 和 F r 之间的夹角，称为摩擦角。 F c 是切削运动方向的切削分力， F p 是和切削运动方向垂直的切削分力， F r 与切削运动方向之间的夹角称为作用角，以 ω 表示， ω = β - γ o 。用 τ s 表示剪切面上的剪应力，式中的 A s 表示剪切面截面积（mm 2 ）。 F s = τ s A s ， F s = F r cos( φ + β - γ o )。

如果用测力仪测出 F c 和 F p 的值，后刀面上的作用力，可以用式（2-4）、式（2-5）求出摩擦角 β 。

这就是通常测定前刀面的平均摩擦因数μ的方法。

根据材料力学 [14] ，其中， γ o 为前角。沿着切削刃改变摩擦角和前角，切屑则发生横向卷曲。改变摩擦角可以有不同方式，如使用沿切削刃宽度不同的刃背刀具，强制改变切屑与前刀面的接触长度，改变摩擦力即改变了摩擦角，致使切屑向刃背宽度宽的方向发生横向卷曲。

2.1.3　切削变形规律

金属切削变形的变化规律主要从三个方面进行考察，即工件材料、刀具几何参数以及切削用量三要素。

1.工件材料

如图2.13所示，设 β 是摩擦角，则摩擦因数 μ =tan β 。切屑厚度 h ch 与切削层厚度 h D 之比，称为厚度变形系数 Ψ h 。由于 ， τ f 是前刀面上摩擦应力； σ n 是前刀面上正应力； τ s 是剪切应力； σ av 是前刀面上平均正应力。工件材料的强度和硬度增大，变形系数 Ψ h 减小（图2.14）。这是因为材料的强度和硬度增大，促使 σ av 增大，摩擦因数 μ 减小，摩擦角 β 减小，剪切角 φ 增大，所以变形系数 Ψ h 减小。

2.刀具前角

刀具几何参数中对变形系数影响最大的是前角 γ o 。如图2.15所示，刀具前角 γ o 越大，变形系数 Ψ h 越小。刀具前角 γ o 越大，摩擦因数 μ 越大。前角 γ o 增大，剪切角 φ 增大，变形系数 Ψ h 减小，这是前角 γ o 对变形的直接影响；前角 γ o 还通过摩擦角 β 间接地影响变形程度。即前角 γ o 增大，作用在前刀面上的法向应力 σ av 减小，摩擦角 β 增大，剪切角 φ 减小，变形增大。但是这种间接影响小于直接影响，所以前角 γ o 增大时，变形系数 Ψ h 还是减小；对于其他角，如主偏角 κ r 增大，促使 h D （ h D = f sin κ r ）增大，所以变形系数 Ψ h 减小。

3.切削速度

在没有形成积屑瘤的切削速度范围内，切削速度 v 越高，变形系数 Ψ h 越小，如图2.16所示。

在能形成积屑瘤的切削速度范围内（8m/min＜ v ＜84m/min）， v 是通过积屑瘤前角 γ b （即实际工作前角 γ oe ）来影响变形系数 Ψ h ，而各阶段变形系数 Ψ h 的变化不同。

（1）在积屑瘤生长区（8m/min＜ v ＜22m/min），随着 v 升高积屑瘤逐渐长大，使得 γ b 增大，该阶段变形系数 Ψ h 逐渐减小。

（2）在积屑瘤长到最大（ v =22m/min）时， γ b 达到最大，即 γ oe 达到最大，使 φ 角增至最大，变形系数 Ψ h 减至最小。

（3）在积屑瘤消退区（22m/min＜ v ＜84m/min）， v 再升高，积屑瘤逐渐脱落，

（4）当积屑瘤完全消失（ v =84m/min）时， γ oe = γ o ，变形系数 Ψ h 增至最大。

（5）在无瘤区时（ v ＞84m/min）， v 升高， τ s 下降， μ 下降， φ 增大， Ψ h 减小。

4.进给量

进给量 f 在无积屑瘤情况下，是通过切削厚度 h D 来影响变形的，而 h D 又是完全通过摩擦因数 μ 来影响变形。图2.17（背吃刀量为4mm）给出了 f - Ψ h 关系 γ b 逐渐减小，变形系数 Ψ h 逐渐增大。曲线。进给量 f 越大，变形系数 Ψ h 越小。因 f 增大， h D = f sin κ r 亦增大，影响前刀面上的 σ av 增大，摩擦因数 μ 减小，即 β 减小， φ 角增大，变形系数 Ψ h 随之减小。当 v 比较低时（如 v =40m/min），曲线有驼峰，主要是积屑瘤的消长和切削温度的影响所致。