淺議車削加工中的物理現象

[摘 要]：車削加工時機械零件切削加工的一種重要手段，影響車削加工零件加工質量的因素也眾多，本文主要從車削加工工藝、刀具、切削用量及切削液等物理現象方面闡述了如何提高車削加工零件質量的有效途徑。

[關鍵詞]：車削加工 積屑瘤 切削力 切削熱 刀具磨損

車削加工就是車刀對工件進行車削，被車削的金屬層在刀具切削刃和前面的擠壓作用下將產生彈性變形和塑性變形。同時，在這個過程中產生的切屑、積屑瘤、切削力、切削熱和刀具磨損等物理現象，都是由車削過程中的變形和摩擦所引起的。

1 切屑的形成及切屑種類

圖1

1.1 切屑的形成

金屬的車削過程也是切屑形成的過程，被切削的金屬層的應力較小時，產生的是彈性變形；當應力達到屈服點時，開始產生塑性變形，即產生晶格滑移現象。當繼續切削的瞬間，應力和變形達到最大值時，切削層金屬被切離并沿刀具前面流出，形成了切屑，如圖1所示。

1.2 切屑的種類

不同的金屬材料或不同的切削條件，切削時將產生不同的變形情況，即產生不同類型的切屑。常見的切屑呈帶狀、節狀及崩碎狀三種，如圖2所示。

切削塑性材料時，增大刀具前角，提高切削速度，減小背吃力量，便產生帶狀切屑，如圖2（a）所示，這時切削過程平穩，切削力小，表面粗糙度值小。當減小刀具前角、降低切削速度、增大背吃力量時，便產生節狀切屑，如圖2（b）所示，這時切削過程不太平穩，切削力較大，表面粗糙度值也較大。切削鑄鐵、青銅等脆性材料時，會產生崩碎切屑，如圖2（c）所示，其切削過程不平穩，切削力波動大，使表面粗糙度值增大。

圖2

圖3

2 積屑瘤

在一定范圍的切速下切削塑性金屬時，常發現在刀具前刀面靠近刀刃的部位粘附著一小塊很硬的金屬，這就是車削過程所產生的積屑瘤，或稱刀瘤，如圖3所示。

2.1 積屑瘤的形成

積屑瘤是由于切屑和前刀面劇烈的磨擦而形成的。當切屑沿前刀面流出時，在一定的溫度和高壓的作用下，切屑底層受到很大的摩擦阻力，致使這一層金屬的流動速度降低，形成“滯流層”。當滯流層金屬與前刀面之間的摩擦力超過切屑本身分子間的結合力時，就有一部分金屬粘結在刀刃附近形成積屑瘤。

2.2 積屑瘤對切削加工的影響

積屑瘤增大了刀具的前角，使切屑變形和切削力減小。積屑瘤會在加工表面上留下不均勻的溝痕，并有一些粘附在工件表面上，影響尺寸精度和表面粗糙度。所以，粗加工產生積屑瘤有一定好處，但精加工時須避免積屑瘤的產生。

2.3 影響積屑瘤的因素

工件材料和切削速度是影響積屑瘤的主要因素。塑性大的材料，切削時的塑性變形較大，容易產生積屑瘤；塑性小硬度較高的材料，產生積屑瘤的可能性以及積屑瘤的高度相對較小。切削脆性材料一般沒有塑性變形，形成的崩碎切屑不流過前刀面，因此一般無積屑瘤產生。

切削速度很低度（v<5m/min）時，切屑流動較慢，由于切削溫度低，因而不會出現積屑瘤；切速在5-50m/min范圍內，切屑底面的新鮮金屬與前刀面間的磨擦系數較大，同時切削溫度升高，因而容易產生積屑瘤。一般鋼材在切削速度25m/min左右時，切削溫度達到300℃，磨擦系數最大，積屑瘤的高度也最大；當切速高于100m/min時，由于切削溫度很高，切屑底面呈微熔狀態，磨擦系數明顯降低，積屑瘤亦不會產生。

3 切削力

3.1 切削力的形成

切削過程中，存在著切削層金屬產生彈性變形和塑性變形的抗力，還存在著刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力，它們的合力即是總切削力F。

圖4

車外圓時，可將總切削力F分解成三個互相垂直的分力：F=，如如4所示。

切削力Fc 總切削力F在主運動方向上的正投影，它垂直于工作基面和切削速度的方向相同，故又稱為切向力。

背向力Fp 總切削力F在垂直于工作平面（平行于進給運動方向的鉛垂面）的分力，其投影在工作基面上并與工件軸線垂直，故又稱為徑向力。

進給力Ff 總切削力F在進給運動方向上的投影，其投影在工作基面上并與工件軸線相平行，故又稱為軸向力。

一般情況下，切削力Fc最大，背向力Fp和進給力Ff較小。實驗測定： Fp（0.15～0.7）Fc，Ff=（0.1～0.6）Fc。

3.2 切削力的影響因素

影響切削力的因素很多，如工件的材料、切削用量和刀具幾何角度等。

工件材料的強度、硬度愈高，剪切屈服點愈高，切削力愈大。工件材料的塑性、韌性愈高，切屑不易切斷，切屑與刀具之間的摩擦力愈大，切削力也愈大。

切削速度Vc、進給量f和背吃刀量αp對切削力的影響是不同的，切削速度Vc對切削力影響最小，一般可以不考慮。背吃刀量αp和進給量f增大均使切削力Fc增大，但兩者的影響程度不同。當背吃刀量αp增大一倍時，切削力Fc也增大一倍，而進給量f增大一倍時，Fc增大不到一倍，因此，從降低切削力的角度考慮，加大進給量f比加大背吃刀量αp更有利。

刀具的前角γ0增大，便切屑厚度壓縮比Ah減小，即變形減小，則切削力Fc也減小。主偏角κr增大，使切屑厚度壓縮比Ah減小，切削力Fc也減小。κr=600～750時，切削力Fc最小，但κr角增大后，刀刃參加切削的長度減小，單位切削力增大，使切屑厚度壓縮比Ah增大，又使切削力Fc增大。由于主偏角κr增大，會使背向力Fp減小，進給力Ff增大，所以在車削細長軸時，為了減少背向力Fp的作用，防止工件產生變形和振動，可將κr增大到900左右，使Fp趨近于零。

4 切削熱

4.1 切削熱的產生和傳散

在切削過程中，切削力所作的功幾乎全部轉換成熱量，使切削區的溫度升高，引起工件的熱變形，其結果是影響工件的加工精度，加速了刀具磨損。

切削層金屬由彈性變形和塑性變形而生成的熱量大部分傳給切屑，其小部分傳給工件、刀具和周圍介質。傳給切屑的熱量占58%～86%，傳給工件的熱量占9%～30%，傳給刀具的熱量占4%～10%，周圍介質吸收的熱量占1%左右。生成的熱量與傳導的熱量相等，可表示為：Q生成=Q切屑+Q工件+Q刀具+Q介質。

切削溫度的高低不但取決于生成熱量的多少，還取決與散熱條件。生成熱量越少，散熱條件越好，切削溫度就越低。

4.2 切削熱的影響因素

切削熱的高低取決于切削熱的產生和傳散情況，其主要影響因素是工件的材料、切削用量、刀具角度和冷卻條件等。

4.2.1 工件材料的影響

工件材料的硬度、強度愈高，切削力愈大，消耗能量愈多，其產生的熱量也就愈多，切削溫度也會愈高。另外，如果工件的導熱系數小，導熱性差，其切削溫度也高。

4.2.2 切削用量的影響

實踐證明，切削用量νc、f、αp對切削溫度的影響是不同的。切削速度νc增大，使切削溫度升高很快；增大背吃力量αp，切削溫度略有提高，其原因是因為增大背吃刀量αp，使主切削刃參加工作的長度增加，增加了散熱面積，散熱條件改善；增大進給量f，切削溫度也會升高，但由于散熱條件稍有改善，故比切削速度對切削溫度的影響程度小些，比背吃力量對切削溫度的影響大一些。

4.2.3 刀具角度的影響

刀具前角γ0增大，使切屑厚度壓縮比Ah、減小，切削力減小，功消耗少，切削溫度降低，但隨著前角γ0增大，刀具的散熱條件變差，前角γ0增大到一定值后切削溫度就不再降低了。主偏角κr的增大，將使主切削刃參加工作的長度減小，散熱面積減小，切削溫度會略有上升。另外，合理地選用切削液，可以帶走大量的熱量，又能減小摩擦，使切削溫度降低。

4.2.4 切削熱對車削加工的影響

切削熱傳人工件后，會導致工件的膨脹或伸長，引起工件變形，影響加工精度，特別是加工細長軸，薄壁套以及精密零件。

4.3 切削液的影響

要改善散熱條件，使用切削液除冷卻外，還可以起到潤滑、清洗和防銹的作用，一般常用切削液包括：水溶液、乳化液、切割油等。

5 刀具的磨損

在車削過程中，車刀磨損到一定程度就必須及時修磨，否則會產生振動，并使得零件表面質量下降。

5.1 車刀的磨損形式

在切削過程中，刀具在高溫、高壓和劇烈摩擦的作用下會產生嚴重磨損，其磨損形式分為正常磨損和非正常磨損兩類。

非正常磨損是指刀具在切削過程中突然發生的磨損現象，如刀具突然崩刃、產生裂紋、刀片破碎、卷刃等，其產生的主要原因是因為刀具材料、刀具角度及切削用量選擇不合理引起的。

圖5

正常磨損是指刀具在設計、制造與刃磨合乎要求與使用合理的情況下在切削過程中產生的磨損，其三種形式為后面磨損、前面磨損和前后面同時磨損，如圖5所示。后面磨損程度用磨損高度VB表示，前面磨損程度用磨出的月牙洼深度KT和寬度KB表示。

5.2刀具耐用度

刀具磨損到一定程度就不能繼續使用了，應重新去磨刀，否則刀具的切削力、切削溫度會急劇上升，產生振動與噪聲，使工件表面粗糙度值增大，使刀具切削性能下降。

刀具耐用度是指刀具由開始切削一直到

達到磨鈍標準為止的切削時間，用T（min）表示，即刀具兩次刃磨間的切削時間。

刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好壞的重要標志，利用刀具耐用度來控制刀具磨損程度比用測量刀具磨損高度來判斷是否達到磨鈍標準要簡便。

通常，硬質合金車刀T=60min～90min，高速工具鋼鉆頭T=80min～120min。簡單刀具的耐用度低些，復雜刀具的耐用度高些。

影響刀具耐用度的因素主要有工件材料、刀具材料和切削用量等，它們都是通過切削溫度變化而影響刀具耐用度的，即切削溫度升高，刀具耐用度下降。切削用量與刀具耐用度之間有著密切的關系，其中切削速度對刀具耐用度影響最大，進給量次之，影響最小的是背吃刀量αp。單位時間內切除的金屬體積不變時，若切削速度增大一倍，則刀具耐用度下降到原來的1/32；若進給量f增大一倍，則刀具耐用度下降到原來的1/5；若背吃刀量αp增大一倍，則刀具耐用度只下降到原來的1/1.25。

參考文獻：

[1] 機械制造基礎/朱祖武主編.北京：北京交通大學出版社，2013.1

[2] 論金屬切削過程及其物理現象/周華.《科技風》2010.年10期

[3] 機械制造工藝學/王選逵主編.北京：機械工業出版社，2007.1

作者簡介：

丁常汶，男，（1978.6-），江西環境工程職業學院講師，主要從事機械制造專業的教學和研究工作。