淺析金屬切削過程及其物理現象

任政

摘要：隨著社會的不斷發展，科學技術的應用在生活中隨處可見，其中許多零部件和加工品，都是由金屬切削加工過程中切除多余材料，從而獲得形狀、質量和精度的要求，正是這種多零部件和加工品的出現，才讓社會生活變得更加便捷美好，本文將基于高中物理理論知識，明確認知金屬切削過程及切屑類型的原理，并分析其中的物理現象。

關鍵詞：金屬切削 應用過程 物理現象

物理知識并不僅僅存在于課堂與課本中，更是在我們的日常生活中隨處可見，無論是美輪美奐的工藝品、還是精密復雜的零部件，都離不開的物理知識和物理現象的應用。而金屬切削這一加工過程，則是充分運用了刀具之間的相互運動、幾何參數和切削角度，從而在共同現象和規律的基礎上，使制造業得到了突飛猛進的發展，本文將對金屬切削過程加以理解，并分析金屬切削過程中的物理現象。

一、金屬切削過程

（一）普通金屬材料的切削過程

金屬切削過程是也就是切屑形成的方式，當切削塑性金屬的階段，工件往往受到擠壓也是基于刀具的改良，在切削層金屬發生滑移時，就會產生相應的彈性變化，也是在始滑移面上彈性最大的變化。屈服強度就是在始滑移面上發生塑性變形產生滑移現象的根本因素。當刀具發生連續移動的作業時，變形與應力也會隨之加大，因此在終滑移面上也會產生相應的增大值，進而超出終滑移面達到切削層金屬脫離其工件母材的作用，才能繼續沿著前刀面形成需要的切屑。

（二）塑性金屬材料的切削過程

塑性金屬材料完成的切削過程，需要與工件和刀具接觸，并在三個變形區域內進行。始滑移面與終滑移面中間有切前層，也是塑性變形區的主要區域，被稱之為第一變形區。塑性金屬材料在第一變形區產生的變量最大，前刀面與切屑磨擦的區域被定位第二變形區，這一部分的變形存在較大壓力，會同時產生刀面流出時的摩擦力加大，所以切削底層也在此時產生了相應的塑性變形。后刀面與已加工件表面在接觸后形成第三區域，第三變形區也是對加工表面進行的加工硬化，才能對殘余應力進行處理。

二、切削物理作用下的切屑類型

根據工件材料的差異為了提高切屑質量，需要采取不同的措施，進而需要對其類型進行區分和對比，才能規避切削加工從中產生的不利影響。從使用材料的劃分主要有三種類型，包括帶狀切屑、節狀切屑、崩碎切屑。

（一）帶狀切屑

選用較高切速和前角較大的刀具時，會產生給量以及切深切削硬度的變化，也是塑性材料的基本特征，由此形成連綿不斷的帶狀切屑也就是這種類型的主要特點。通常情況下，帶狀切屑底面多為光滑狀態，而頂面呈現出毛茸狀。在帶狀切屑的過程中，切削處于平穩狀態，并且切削力也相對較小，加工部分也產生表面光潔度的增加。但也會在刀具工件上繚繞，最終容易產生刀刃的損壞，如果處理不當就會刮傷工件。所以在使用刀具的前期，需要在前刀面上設計較多的斷屑槽或者卷屑槽，而具體尺寸也要根據具體工件而定，保證切屑折斷或者成卷。

（二）節狀切屑

中等硬度塑性材料需要進行切速較低的粗加工時，最容易產生節狀類型的切屑。當部分材料已經達到較為深化的破裂程度時，就會被一層接一層的從中擠裂，從而呈現出比較明顯的鋸齒形狀。節狀切屑也由此得名，作為最典型的切削過程，其變形效果也最為明顯，在較大波動的作用下切削力也是所有類型中最大的，但得到的工件表面卻略顯粗糙。

（三）崩碎切屑

黃銅和鑄鐵作為具有代表性的脆性材料，切削過程是在切削層方式相應的金屬彈性變形，所形成的碎塊狀屑片也并不規則，這種類型被稱作崩碎切屑。越為硬碎加工材料，也越發容易產生崩碎切屑類型。當產生相應的崩碎切屑時，切削力與切削熱都會集中在刀尖和主切削刃附近，刀尖極易產生振動和磨損，最終也會影響到工件表面的粗糙程度。普通生產活動中通過采取減小切削厚度或者加大前角的方式，能夠將節狀切屑轉換為帶狀切屑，進而增加相應的表面光澤度，也是對工件質量進行優化的過程。

三、切削熱的物理現象

（一）切削熱產生的物理現象

削過程產生相應的物理熱能，基于部分切削功都將最終轉換成為熱能，切削熱在傳散的方式也存在加大差異。通常情況下并不需要冷卻液降溫，只要以中速進行切削就能夠促使86%以內的切削熱被切削帶走，剩余的15- 45% 則會傳入工件內部，3.5- 9.5%的少部分熱能也會傳入車刀，55.25%大部分熱能則會傳入鉆頭，其他低于5.25%的熱能才會傳入周圍介質中。

（二）切削溫度及其影響因素

切削熱能產生以及傳散決定了切削溫度數值，也同時產生了影響加工質量的多種因素，而熱能產生的影響因素包括切削用量、工件材料、以及冷卻條件和刀具角度。只有對多種因素帶來的不利影響進行規避，才能提高相應的切削質量與效果。以工件材料為例，強度和硬度的高低，都會對切削時產生的消耗功有所影響，切削溫度也隨之變化。當應用材料導熱性較高的狀態時，也能夠促使切削溫度呈現降低的趨勢。但是切削量增加時，也會產生更多的切削熱能，導致相應的切削溫度增加。一般情況下切削速度增加一倍，切削溫度上升25- 36%；進給量成倍增加時，也會促使切削溫度上升12%以內的增高幅度。但是切削深度成倍增加的情況下，切削溫度的同步上升僅為2.55%以內。所以有效控制溫度，降低熱能損耗的有效途徑，也是對進給量和最大切深的設計，選擇切速時也會相應選取速度更高的方式。

此外，切削熱對切削加工的效果也有較大影響。切削熱傳入工件加工的具體流程之后，容易導致工件內部的伸長或者膨脹，進而引起工件再次變形，如果變形程度極為嚴重也會影響到加工部件的精度，因此需要特別注意加工細長軸的數值，并且需要對薄壁套和精密零件做出準確預算。如果要達到改善散熱條件的基礎，必須通過使用切削液才能達到除冷卻外的溫度下降條件。而且也可以對加工部件起到清洗和潤滑以及防銹的作用。因此在多數切削工藝中也會采取切削液的冷卻方式，包括：切割油、乳化油、水溶液等，都在切削熱的加工中得到廣泛應用。

四、結語

本文從不同情況下金屬材料的切削過程著手，在不同切屑類型下，分析金屬切削過程及物理現象，形成完整的思維理解體系，以物理知識為基礎，探究金屬切削過程中的共同現象及規律，從而加強對金屬切削過程的認知程度。

參考文獻：

[1]路冬，蔡力鋼，楊銘銘.基于MSG理論的微切削加工有限元仿真研究[J].系統仿真學報，2013，（12）.

（作者單位：南陽市第一中學校 ）endprint