切屑形成的基本理論與屑形控制

由於金屬切削過程是在高温、高壓、高速下進行，因此切屑的形成機理相當複雜。為了在切削加工中有效控制屑形，提高加工效率，改善加工表面質量，有必要對金屬切削過程的一些基本理論進行深入研究和探討。

　　1 滑移與滑移線

機械製造是利用金屬塑性變形機理，採取滾壓、軋製、冷拔或切削加工等方法，使零件達到要求的形狀和尺寸。根據金屬塑性變形理論可知，金屬產生塑性變形的基本機理是滑移，即清移是金屬最主要的塑性變形方式。

金屬的滑移僅在剪應力作用下才能發生，即當剪應力t達到金屬材料的剪切強度極限ts時，便會產生塑性變形。在平面變形條件下，多晶體金屬中的滑移是沿最大剪應力方向發生的，即滑移帶與最大剪應力跡線相重合。假設在連續應力場(塑性區)內最大剪應力跡線是無限密集的，則沿最大剪應力方向不斷由一點到與其無限接近的另一點，即可在變形平面上繪出兩組相互正交的曲線(如圖1所示)，從而形成由切屑形成過程中第一變形區內部分滑移線與流線(或相鄰部分)組成的格子。

滑移線的微分方程為

第一組滑移線： dy/dx=tanw

第二組滑移線： dy/dx =-tanw

　　圖1 滑移線和最大剪應力跡線

　　圖2 與滑移線相切的直角座標系

第一、第二滑移線的參變量分別用a和b代替。選取滑移線oa、ob為兩曲線座標軸，用座標軸的曲線座標(a，b)表示平面上p點的位置(見圖2)。這樣，在曲線座標網的任一a線上座標b等於常值;在任一b線上座標a等於常值。因此，在無限接近p點處，座標曲線a和b與選取的直角座標軸相重合，因此可認為

dx=dsa，dy=dsb

式中，dsa和dsb分別為曲線a和b的弧長微分。因此有

由於直角座標軸與滑移線相切，因此對於a而言，w=0。由於沿曲線a和b的角度w是不斷變化的，因此偏導數不等於零，從而使切屑在形成過程中產生變形和捲曲。

　　圖3 兩滑移線間的滑移線轉角

　　圖4 切屑中的應力

　　2 切屑的變形和捲曲

根據滑移線性質的漢基定理可知，滑移線a1與a2、b1與b2是無限接近的。b1線在 p點與f點的法線的交點O1 為b1線在p點的曲率中心;b2線在e點與 d點的法線的交點 O2 為b2線在 e點的曲率中心。在圖3中，wpf=wed，wpe=wfd。b2線在p點的曲率半徑等於b2線在e點的曲率半徑加上滑移線a1由 e點與p點的弧長增量Δs。由於弧長pf>ed(見圖3)，從而使切屑發生變形。同理，由於弧長pe>fd，切屑必然發生捲曲。

在圖4中，用一個剪切面oM代替第一變形區，如果用點流動到剪切面上的p點，第二滑移線與第一滑移線在p點的切線垂直，即剪應力t與平行於第一滑移線在p點的切線的正應力s形成直角。在座標系xpy內，p為原點，OM即為第二滑移線的切線，X軸即為s和t的合力方向，並與t成45°的夾角，與第一滑移線在p點的切線的.夾角為p/4。由於s和t的夾角為p/2。+s和-s形成一個力矩，使切屑以p(空間座標時為Z)為軸發生捲曲。

此外，隨着切屑在前刀面上流動，其底層受到擠壓，晶粒被拉長，造成切屑底部膨脹，促使切屑進一步彎曲變形，引起切屑捲曲。

　　3 切屑屑形及其控制

金屬材料的性能不同，其滑移性質也不相同，即使在相同條件下進行切削，所得切屑的類型、尺寸(變形程度)也不相同。

對於多晶體的塑性金屬，切應力與作用於滑移線上的正應力的大小和方向無關，引起滑移面切變的原子移動是依次發生的，因此在切削塑性金屬時容易得到連續狀切屑。低塑性金屬(或因形變硬

化使塑性變差的金屬)的切應力與正應力的大小和方向有關，容易產生剛性滑移(或稱機械滑移)，它與塑性金屬發生的位錯式滑移明顯不同，由原子層組成的原子羣在滑移面上相對於另一些材料層同時滑動，隨着滑移的產生，滑移帶的不完整性破壞增大，結果將導致宏觀完整性破壞。因此，切削脆性金屬時，容易因機械滑移而得到崩碎切屑。

切削塑性金屬時，斷屑是需要解決的主要矛盾。為有利於斷屑，應儘可能增大切屑的基本變形和附加變形。如以較高切削速度切削碳鋼或合金鋼時，為得到螺旋卷屑、長緊卷屑或C形切屑，車刀應採用外斜式卷屑槽(見圖5)，刀具合理幾何參數範圍：t=5°-15°，h=0.5-1.5mm，s=65°-80°;k值由背吃刀量則和進給量f決定，當 ap=0.4=20mm、f=0.15-1mm/r時，k=1.5-7mm。文獻[2]、[7]等給出了這方面的一些參考數據，但文獻中給出的切削用量、刀具幾何參數(尤其是倒稜、卷屑槽等參數)以及附加斷屑台(或斷屑器)結構、尺寸等與切削用量相匹配的數據多是在特定試驗條件下得出的，如工件材料性質或切削條件改變，刀具幾何參數、斷屑台(或斷屑器)尺寸等也需通過試驗重新確定。

切削灰鑄鐵等脆性金屬時，如何得到連續屑形也是一大難題。脆性金屬的切削過程如圖6所示。當刀具剛切入工件時，被切削金屬層首先發生彈性變形(見圖6a);隨即切屑在切削刃部開始產生裂口(見圖6b) ;刃前裂口以每秒上千米的速度發生失穩擴展，使被切削金屬層產生不同方向的裂紋(見圖6c);裂紋貫穿整個切削厚度，形成不規則的崩碎切屑(見圖6d)。