金属切削过程中积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

在金属切削加工中，积屑瘤是一个常见的物理现象，对切削过程和加工质量产生显著影响。本文将探讨积屑瘤的形成原因、影响因素及其对切削过程的积极作用和消极影响，并提出相应的防止措施。

积屑瘤的形成原因

积屑瘤是在切削速度不高而又能形成连续带状切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，刀具前角很小或为负值时，工件、切屑的一部分金属冷焊在刀具的刀尖和前刀面上，形成代替刀具进行切削的硬块。其形成主要基于以下几个条件：

切削条件：切削过程中的高温高压环境是积屑瘤形成的基础。当切削速度和切削力适当时，切屑底层与前刀面之间的摩擦阻力和温度迅速增加，导致金属流速减慢，形成滞流层。当滞流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时，滞流层的金属与切屑分离并粘附在切削刃附近，形成积屑瘤。

工件材料：工件材料的硬度和塑性对积屑瘤的形成有显著影响。当工件材料硬度低、塑性大时，切削过程中的金属变形大，切屑与前刀面间的摩擦系数和接触区长度增加，容易产生积屑瘤。相反，当工件材料硬度高、塑性小时，积屑瘤产生的可能性和高度均减小。

刀具前角：刀具前角的大小直接影响切屑的变形和前刀面的摩擦。前角增大可以减小切屑变形、切削力和切削热，从而抑制积屑瘤的产生或减小其高度。

切削速度：切削速度通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤。在极低的切削速度下，不产生积屑瘤；随着切削速度增加，切削温度提高，积屑瘤的高度逐渐减小；在高速切削时，由于切削温度极高，积屑瘤将消失。

积屑瘤对切削过程的影响

积屑瘤对切削过程的影响既有积极的一面，也有消极的一面：

积极影响：

保护刀具：积屑瘤的硬度比工件材料高，能够代替切削刃进行切削，从而减少切削刃的磨损，提高刀具的耐用度。

增大实际工作前角：积屑瘤的存在使刀具实际工作前角增大，减小切削变形和切削力，使切削过程变得轻快，尤其在粗加工时有利于切削加工。

消极影响：

影响工件尺寸精度：积屑瘤的顶端会伸出切削刃之外，且积屑瘤不断地产生和脱落，导致切削层公称厚度不断变化，从而影响工件的尺寸精度。

增大工件表面粗糙度：积屑瘤碎片可能粘附在工件已加工表面上，形成硬点和毛刺，增大工件表面粗糙度。

引起振动：积屑瘤的大小和存在状态不稳定，导致切削力产生波动，进而引起振动，影响加工稳定性。

影响刀具寿命：积屑瘤破裂后若被切屑带走，可能划伤刀面，加快刀具磨损，尤其在使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂可能导致刀具颗粒剥落，加剧磨损。

防止积屑瘤的措施

为了减少积屑瘤对切削过程的不利影响，可以采取以下措施：

调整切削速度：在刀具耐热性允许范围内采用高速切削，或采用低速切削，以防止积屑瘤的产生。

增大刀具前角：通过增大刀具前角来减小切屑变形和切削力，抑制积屑瘤的形成。

减小切削厚度：在精加工时，采用减小进给量或刀具主偏角的方法来减小切削厚度，降低生成积屑瘤的可能性。

使用切削液：通过添加切削液来降低切削温度和摩擦系数，从而减少积屑瘤的形成。

综上所述，积屑瘤是金属切削过程中一个复杂的物理现象，其形成与切削条件、工件材料和刀具前角等因素密切相关。了解积屑瘤的形成机制及其对切削过程的影响，有助于我们采取有效措施，提高加工质量和刀具耐用度。