金属切削切屑形态全解析:成因、分类与加工影响
金属切削成形过程中,多余材料以切屑形式去除。不同切削条件产生截然不同的切屑形态。本文系统梳理金属切削中三大基本切屑类型的成因机制与工艺影响。
切削切屑基本概念
切屑:为赋予金属预期形状尺寸,利用机床/刀具从工件表面去除的变形金属层。
核心几何术语
- 前刀面:刀具切削刃前方的表面
- 前角:前刀面与加工表面法线夹角。大前角利于切削、降低切削力,但受限于刀尖强度与散热,通常 15° 左右,特定工况可为零/负值
- 后角(后隙角):后刀面(侧面)与已加工表面夹角。防止刀具摩擦破坏表面,典型 5–6°,会增加切削力
切屑形成机制
- 刀具接触工件 → 弹性压缩 → 塑性压缩 → 前刀面产生剪切应力
- 剪切应力达屈服/断裂强度 → 材料沿剪切面滑移/断裂
- 变形金属(切屑)沿前刀面流出
- 切屑因摩擦进一步变形,最终形态取决于切削条件
三大基本切屑类型
- 连续切屑
- 断续切屑
- 带瘤状积屑的连续切屑 (BUE)
1. 连续切屑
切削过程中切屑连续无间断流出。典型加工塑性材料(如钢)时形成。
形成条件
- 高切削速度:新材料在切屑断裂前被切除
- 大前角:利于切屑顺畅流动
- 材料塑性好:塑性越高越易形成连续切屑
- 低摩擦系数:高摩擦产热致材料脆化,不利连续切屑
- 小切深:大切深促使切屑断裂
工艺效果
- 优异表面质量:小切深+高速→极佳表面光洁度
- 低功耗:低摩擦+润滑→切削功耗低
- 长刀具寿命:塑性材料+低摩擦+润滑→刀具寿命长
2. 断续切屑
切削中切屑周期性断裂/破碎。典型加工脆性材料(如铸铁)时形成。
形成条件
- 低切削速度:刀具推进前切屑已断裂
- 小前角:挤出而非引导切屑流动
- 脆性材料:固有断裂倾向
- 高摩擦力:产热致脆化
- 大切深:切屑厚度增加促使断裂
工艺效果
- 大去除量:尺寸差异大时有利
- 低速长刀具寿命:小前角在低速下延长寿命
- 易处理回收:碎屑体积小,易收集容器化处理
3. 带瘤状积屑的连续切屑 (BUE)
高摩擦高温下,极少量材料焊附于切屑/刀尖形成积屑瘤 (BUE)。
形成条件
- 超高温度(超金属熔点):核心原因,材料局部熔焊形成积屑
- 极高摩擦:温升主因
- 冷却不足:油水混合冷却液供给不足
- 塑性材料:连续切屑前提
- 小前角:连续切屑形成条件之一
工艺效果
- 延长刀具寿命:积屑瘤保护刀尖免受高温
- 表面粗糙:积屑瘤脱落/残留造成表面粗糙
- 功耗增加:小前角+大切深→功耗上升
总结
- 连续切屑→优异表面质量,正面效应主导
- 断续切屑→正负效应并存
- BUE 切屑→负面效应主导(表面质量差、功耗高)
工业技术
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