金屬切削過程中影響切削變形的主要因素及影響規(guī)律

張 迪

（吉林工商學院，長春 130507）

金屬切削過程中影響切削變形的主要因素及影響規(guī)律

張 迪

（吉林工商學院，長春 130507）

本文從金屬切削變形過程分析著手，明確金屬切削變形的原理，著重研究金屬切削變形的影響因素及規(guī)律，并提出了減少切削的策略，旨在為相關研究和實踐提供參考。

金屬切削 切削變形 變性規(guī)律 切屑

引言

金屬材料切削加工是機械制造中的重要步驟。在金屬切削過程中，金屬材料會出現(xiàn)切削變形。切削變形過大，不利于切削加工過程，影響最終工件質量，且會造成能源浪費和成本增加。要想降低金屬切削變形、提升生產效率，需要明確影響切削變形的主要因素，并深入研究切削變形的影響規(guī)律，從而采取有效措施減少切削變形。因此，本文簡要分析金屬切削過程中影響切削變形的主要因素及影響規(guī)律。

1 金屬切削變形過程分析

金屬切削是切削層金屬在刀具前刀面推擠下發(fā)生以剪切滑移為主塑性變形，從而形成切屑的過程。從本質上來講，金屬切削是一種金屬切削變形的過程，一般包含3～4個階段。首先產生彈性變形即積壓階段，之后產生塑性變形即晶體原子滑移階段，再之后產生擠裂變形即斷裂階段，最后切離工件本體。這四個階段的變形屬于金屬采材料切削特有的規(guī)律。金屬材料及切削方式的差異性，會導致金屬切削變形過程的差異。對于含碳量較高或鑄造工藝生產的工件來說，其金屬材料脆性較大，在切削過程中存在3個變性階段。在荷載卸除后，仍然存在變形的金屬屬于塑性材料。在切削的過程中，存在4個變形階段[1]。進行金屬材料切削加工實驗，切屑冷卻后進行實際測量，發(fā)現(xiàn)切屑長度縮短而厚度變厚，切屑兩面光滑度不同，緊貼著刀具的一面光滑，而另一面則粗糙。金屬材料的切削并非簡單的“切”過程，而是利用刀具的切削力擠裂金屬的過程，中間有著復雜的變形過程，從而形成離開工件的切屑。

2 金屬切削變形影響因素及影響規(guī)律

金屬切削是一個復雜的變形過程，存在3個變形區(qū)域影響切削加工，如圖1所示。下面來研究金屬切削的變形規(guī)律，并提出一些可以應用到實際生產中的技術方案，旨在減小金屬切削變形，提升生產率，降低生產成本。

圖1 金屬切削變形區(qū)域

2.1 主要切削變形區(qū)域（區(qū)域Ⅰ）

圖1中，OA、OM、AM包圍的塑性剪切滑移區(qū)域為主要變形區(qū)域，也是整個金屬切削過程中的重點變形區(qū)域。在此區(qū)域中，消耗的功率最多，產生的切削熱最高，從而會對刀具前角、主刀刃產生嚴重磨損。切削過程中，刀具強行“切”如金屬材料，此時主切削力Fz最大，機床和刀架產生振動，在刀具進給和工件相對運動的作用下，工件切削層會產生上撬變形。切削層厚度、刀具幾何角，是影響上撬變形的主要因素。具體來說，切削層厚度越厚，則上撬變形程度越大，產生的振動越大，刀具幾何角越小，上撬變形程度越大，切削溫度越高[2]。

仔細觀察主要變形區(qū)域位置，其起始滑移處為靠近主刀刃的OA線。在實際切削過程中，金屬材料受刀具擠壓，內部晶間組織會發(fā)生晶體原子滑移現(xiàn)象，從而產生塑性變形。此時，切削層表面溫度提升，冒出白色氣體，表面顏色逐漸變淡。到了OM終了滑移線，基本完成剪切滑移。從OA到OM區(qū)域，則是寬度在1mm以下的塑性變形區(qū)域。需要注意的是，刀具幾何角度、負倒棱，直接影響金屬切削塑性變形區(qū)域的寬度。刀具幾何角越小，塑性變形區(qū)域寬度越寬，產生的切削阻力越大，從而使金屬切削變形越大，各項指標越高。由此可見，要想減少金屬切削變形，需要對刀具幾何角度和負倒棱寬度進行嚴格控制。同時，如何保證刀面較高粗糙度，也是需要解決的技術問題。

2.2 第一次變形區(qū)域（區(qū)域Ⅱ）

第一次變形區(qū)域是即將切離工件的切屑擠排位置。此區(qū)域中，切屑與前刀面的摩擦最為嚴重，屬于高級切削準備階段。在此過程中，需要把握以下兩個問題：①合理控制刀具幾何角度；②合理控制刀具幾何面的粗糙度[3]。這兩點是影響此區(qū)域金屬切削變形的最關鍵因素，其重要性在工件材料及其他因素之上。在主要變形階段形成的切屑劃過刀具面，產生摩擦和膨脹，產生切削溫度。受切削力及切削溫度的影響，貼近刀面切屑內部的晶體結構會纖維化，晶粒會被拉長成為纖維組織。這些纖維組織有著一定方向性，從而對切屑擠排方向產生影響，導致切削阻力增大，切屑擠排困難，磨損刀具，增加金屬切削變形。從這個角度來看，要想減少切削變形，需要提升刀面的粗糙度，從而提升切屑流動速度。

要想實現(xiàn)刀面粗糙度的提升，需要從以下三個方面著手。第一，需要提升刃磨刀具技術水平，選擇質量優(yōu)良的砂輪，保證砂輪精度。對于刀具初磨來說，選擇小粒度號60°砂輪為宜；對于刀具精磨來說，選用大粒度號100°以上的砂輪為宜[4]。第二，應當合理控制砂輪上刃磨刀面擺動速度，并采用反復套磨法技術。此外，在實際切削過程中，應當適當增加刀具前角、主后角及副后角。第三，應當合理使用切削冷卻液，將冷卻液澆注到切削區(qū)域，使其滲透到工件和刀具之間，形成吸附膜，以此減小摩擦，帶走熱量，避免出現(xiàn)切削變形而引起加工硬化、刀具磨損及振動等不良問題。

2.3 第二次變形區(qū)域（區(qū)域Ⅲ）

第二次變形區(qū)域是已加工的工件表面與后刀面接觸的區(qū)域。刀刃的變化會導致切削變形出現(xiàn)，使工件表面出現(xiàn)加工硬化問題。切削過程中，刀具切削刃主要有鋒利刀刃和帶有倒棱刀刃兩種選擇。前者適用于塑型金屬材料和有色金屬材料的切削，后者適用于硬度高或脆性金屬材料的切削。在連續(xù)切削過程中，鋒利刀刃不可避免會產生微小圓弧，形成的后面與工件已加工表面接觸面積增大，導致一小層金屬被圓弧刃和倒棱刃擠壓到已加工表面，從而導致金屬出現(xiàn)彈性變形或塑性變形，由此形成金屬切削變形的第二次變形區(qū)域[5]。

后刀面與金屬已加工表面接觸后，會導致加工硬化的問題出現(xiàn)，降低了工件表面粗糙度，從而給工件質量帶來不利影響，同時還會影響下道工序，加劇刀具磨損。解決這一問題，關鍵在于合理把握刀刃鋒利度和負倒棱修磨尺寸。刀刃越鋒利，金屬變形越小，加工質量越好。但是，切削過程中也會導致刀刃迅速變鈍。為了解決此矛盾，實際生產過程中，可以將刀刃修磨出鈍圓半徑0.1mm，通過加大后角來減少刀具后面與金屬已加工表面之間的摩擦，以此減少切削變形。

3 結論

綜上所述，金屬切削實質上是一個復雜的變形過程。影響金屬切削變形的因素眾多，影響規(guī)律較為復雜。本文從金屬切削變形的三個區(qū)域出發(fā)，著重分析了金屬切削變形影響因素及規(guī)律，并探討減小切削變形的要點，旨在降低切削變形對金屬切削加工的影響，從而實現(xiàn)降低成本、提升生產效率的目的。

[1]蔡光仁，檀美德，吳惠貞，陳子文.金屬切削實驗中快速落刀速度對切屑變形的影響[J].華僑大學學報：自然科學版，1988，（4）：496-501，546.

[2]劉戰(zhàn)強，吳繼華，史振宇，趙丕芬.金屬切削變形本構方程的研究[J].工具技術，2008，（3）：3-9.

[3]沈維蕾，謝峰，楊海東.納米改性金屬陶瓷刀具切削塑性金屬的影響規(guī)律[J].金屬功能材料，2005，（4）：15-19.

[4]陳為國，姚坤弟.金屬切削變形過程的有限元仿真初探[J].航空制造技術，2010，（15）：82-85.

[5]吳大忠，謝榮.金屬切削變形理論研究與實際應用[J].煤炭技術，2009，（9）：7-9.

The Main Factors Affecting the Cutting Deformation in Metal Cutting Process and Its Influence

ZHANG Di
(Jilin Institute of Business and Technology, Changchun 130507)

In this paper, the principle of metal cutting deformation is analyzed, and the influencing factors and rules of metal cutting deformation are studied in this paper. The cutting strategy is also put forward to provide reference for the related research and practice.

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