論積屑瘤的形成與前刀面摩擦特性的內在聯系

劉文萍， 趙書強

（大連海洋大學 應用技術學院機械系，遼寧 瓦房店 116300）

0引 言

積屑瘤是金屬切削過程中比較常見的一種物理現象。它包圍著刃口，且覆蓋著部分前刀面，如圖1所示。實驗證明，積屑瘤具有比工件材料和切屑都高的硬度，可達工件材料硬度的2～3.5倍，積屑瘤包圍著切削刃，能夠代替切削刃進行切削，使切削刃和刀面得到了保護，減少刀具磨損，但是積屑瘤伸出切削刃之外（如圖1中的ΔhD），影響工件加工尺寸精度；而且積屑瘤切出的犁溝以及脫落的殘片會粘附在已加工表面上惡化表面粗糙度，所以精加工時應避免積屑瘤的產生。下面探究一下積屑瘤的成因與刀具前刀面的摩擦特性的必然聯系。

圖1 積屑瘤形狀示意圖

1 金屬切削過程的實質

在討論積屑瘤與前刀面摩擦特性聯系之前，首先了解一下金屬切削過程的實質。金屬切削過程的實質是切削層金屬在刀具刃口和前刀面的擠壓作用下，發生塑性變形形成切屑沿前刀面流出的過程。根據金屬切削實驗可知，工件上的被切削層在刀具的擠壓作用下，沿切削刃附近的金屬首先產生彈性變形，接著由剪應力引起的應力達到金屬材料的屈服極限以后，切削層金屬便沿傾斜的剪切面產生塑性變形［1］，然后沿前刀面流出去的過程中，刀具前刀面對切屑因擠壓而產生劇烈磨擦作用，使靠近前刀面切屑底面的一薄層金屬晶粒纖維化，再一次發生變形后形成切屑流出刀面。可見，在前刀面上存在著摩擦現象，這種摩擦不但影響切削變形，還為積屑瘤的形成提供了有力的條件。

2 切屑與前刀面的摩擦分析

切屑從前刀面流出過程中，它們之間將產生劇烈摩擦。切屑與前刀面之間的摩擦同一般的機械副相對運動時產生的摩擦情況有很大不同。正常負荷下，機械副摩擦面間的接觸實際上是一些峰點相接觸，實際接觸面積A實不到名義接觸面積A名義的千分之一，如圖2（a）所示。但在切削過程中，切屑與前刀面之間在高溫高壓下相對運動，會使前刀面上的油污層、氧化膜等被刮拭干凈，切屑與前刀面之間的接觸幾乎無第三介質存在。另外，高溫作用使切屑底層金屬變軟，高壓作用使變軟的金屬在靠近刀刃一定范圍有可能嵌入到前刀面的微觀凹凸不平中，存在完全貼合的情況，如圖2（b）所示。切屑與前刀面之間有全面積接觸，為粘結提供了有力保障。這與一般機械副摩擦面間的接觸情況不同。當切屑從前刀面流出一段距離后，壓力減小，切屑與前刀面之間的全面積接觸情況相應減弱，即實際接觸面積減少。這時的摩擦情況就近似于一般機械副間的摩擦情況了。

圖2 摩擦面接觸示意圖

圖3 前刀面摩擦示意圖

根據上述切削條件把切屑與前刀面間的摩擦分為兩部分：

1）靠近刀刃附近出現粘結現象的部分（如圖3中lfi位置）。其摩擦特征是，由于切屑與前面產生粘結，并且實際接觸面積所占比例很大，甚至等于名義接觸面積，所以它們之間的相對位移面不在界面上，而移向靠近前刀面的切屑內部。即切屑底層金屬內部剪切滑移代替了接觸面間的相對滑動，一般稱為內摩擦部分。

2）切屑與前刀面脫離接觸前的一段滑動部分（如圖3中lfo位置）。隨著切屑向后移動，對前刀面的壓力減弱，實際接觸面積也將減小，粘結現象減輕，使切屑與前刀面之間的移動又出現在交界面上，一般稱為外摩擦部分。

內摩擦與外摩擦構成切削過程中前刀面的摩擦現象，以內摩擦為主。由于內摩擦區內的金屬發生剪切滑移即塑性變形現象，使切屑底層的晶粒被拉長，趨向與前刀面平行而形成纖維狀，其接近前刀面部分切屑流動速度降低，這層流速較慢的金屬稱為滯流層。積屑瘤產生于滯流層內部。

3 積屑瘤的成因

積屑瘤的成因可歸納為以下幾點：

1）刀和屑之間因內摩擦而產生的粘結現象。在刀屑冷焊（即粘結）面積足夠大、且溫度達到一定值時，滯流層中流動速度為零的切削層因切屑底層材料中摩擦力超過材料的屈服極限，被剪切斷裂粘結覆蓋在前刀面上，使得切屑底層金屬被剪斷停留在刀面上成為積屑瘤，然后新的切削層又在上述基礎上粘結、堆積，積屑瘤逐漸變大。

2）底層金屬的加工硬化。靠近刀具前面的金屬因內摩擦現象產生了剪切滑移現象，使得切屑底層的晶粒纖維化程度很高，幾乎和前刀面平行，底層有比上一層更高的硬度和強度，代替刀刃繼續剪切較軟的金屬層，層層堆積周而復始就形成了較大的積屑瘤。長高的積屑瘤在外力或振動作用下會發生局部的破裂和脫落，繼而重復生長與脫落［2］。沒有硬化現象，底層金屬不能穩定地停留在前刀面上成為積屑瘤。

3）適當的切削溫度和壓力。適當的切削溫度和壓力能保持底層金屬的粘結和硬化現象。溫度過低，不足以產生粘結現象；溫度過高，積屑瘤將失去它因加工硬化而獲得的硬度和強度，將被流動的切屑所帶走，直至完全消失脫落。

4結語

綜上所述，積屑瘤是切屑與前刀面劇烈摩擦而產生的一個重要物理現象，積屑瘤的形成與前刀面摩擦特性有著必然的內在聯系。所以若控制積屑瘤生成，必須采取合理措施減輕前刀面的摩擦現象。比如采用低速或高速范圍切削就可有效抑制積屑瘤生成，由于中等速度時摩擦因數最大；因為增大刀具前角能減小變形和摩擦，所以也能有效減小積屑瘤；此外提高刀面的表面質量、合理使用切削液以及減小切削層厚度，都能有效地抑制積屑瘤的生成。

［1］ 陸劍中，孫家寧．金屬切削原理與刀具［M］．北京：機械工業出版社，2011：36-39．

［2］ 陳日曜．金屬切削原理［M］．北京：機械工業出版社，2005：25-29．