论积屑瘤的形成与前刀面摩擦特性的内在联系

刘文萍， 赵书强

（大连海洋大学 应用技术学院机械系，辽宁 瓦房店 116300）

0引 言

积屑瘤是金属切削过程中比较常见的一种物理现象。它包围着刃口，且覆盖着部分前刀面，如图1所示。实验证明，积屑瘤具有比工件材料和切屑都高的硬度，可达工件材料硬度的2～3.5倍，积屑瘤包围着切削刃，能够代替切削刃进行切削，使切削刃和刀面得到了保护，减少刀具磨损，但是积屑瘤伸出切削刃之外（如图1中的ΔhD），影响工件加工尺寸精度；而且积屑瘤切出的犁沟以及脱落的残片会粘附在已加工表面上恶化表面粗糙度，所以精加工时应避免积屑瘤的产生。下面探究一下积屑瘤的成因与刀具前刀面的摩擦特性的必然联系。

图1 积屑瘤形状示意图

1 金属切削过程的实质

在讨论积屑瘤与前刀面摩擦特性联系之前，首先了解一下金属切削过程的实质。金属切削过程的实质是切削层金属在刀具刃口和前刀面的挤压作用下，发生塑性变形形成切屑沿前刀面流出的过程。根据金属切削实验可知，工件上的被切削层在刀具的挤压作用下，沿切削刃附近的金属首先产生弹性变形，接着由剪应力引起的应力达到金属材料的屈服极限以后，切削层金属便沿倾斜的剪切面产生塑性变形［1］，然后沿前刀面流出去的过程中，刀具前刀面对切屑因挤压而产生剧烈磨擦作用，使靠近前刀面切屑底面的一薄层金属晶粒纤维化，再一次发生变形后形成切屑流出刀面。可见，在前刀面上存在着摩擦现象，这种摩擦不但影响切削变形，还为积屑瘤的形成提供了有力的条件。

2 切屑与前刀面的摩擦分析

切屑从前刀面流出过程中，它们之间将产生剧烈摩擦。切屑与前刀面之间的摩擦同一般的机械副相对运动时产生的摩擦情况有很大不同。正常负荷下，机械副摩擦面间的接触实际上是一些峰点相接触，实际接触面积A实不到名义接触面积A名义的千分之一，如图2（a）所示。但在切削过程中，切屑与前刀面之间在高温高压下相对运动，会使前刀面上的油污层、氧化膜等被刮拭干净，切屑与前刀面之间的接触几乎无第三介质存在。另外，高温作用使切屑底层金属变软，高压作用使变软的金属在靠近刀刃一定范围有可能嵌入到前刀面的微观凹凸不平中，存在完全贴合的情况，如图2（b）所示。切屑与前刀面之间有全面积接触，为粘结提供了有力保障。这与一般机械副摩擦面间的接触情况不同。当切屑从前刀面流出一段距离后，压力减小，切屑与前刀面之间的全面积接触情况相应减弱，即实际接触面积减少。这时的摩擦情况就近似于一般机械副间的摩擦情况了。

图2 摩擦面接触示意图

图3 前刀面摩擦示意图

根据上述切削条件把切屑与前刀面间的摩擦分为两部分：

1）靠近刀刃附近出现粘结现象的部分（如图3中lfi位置）。其摩擦特征是，由于切屑与前面产生粘结，并且实际接触面积所占比例很大，甚至等于名义接触面积，所以它们之间的相对位移面不在界面上，而移向靠近前刀面的切屑内部。即切屑底层金属内部剪切滑移代替了接触面间的相对滑动，一般称为内摩擦部分。

2）切屑与前刀面脱离接触前的一段滑动部分（如图3中lfo位置）。随着切屑向后移动，对前刀面的压力减弱，实际接触面积也将减小，粘结现象减轻，使切屑与前刀面之间的移动又出现在交界面上，一般称为外摩擦部分。

内摩擦与外摩擦构成切削过程中前刀面的摩擦现象，以内摩擦为主。由于内摩擦区内的金属发生剪切滑移即塑性变形现象，使切屑底层的晶粒被拉长，趋向与前刀面平行而形成纤维状，其接近前刀面部分切屑流动速度降低，这层流速较慢的金属称为滞流层。积屑瘤产生于滞流层内部。

3 积屑瘤的成因

积屑瘤的成因可归纳为以下几点：

1）刀和屑之间因内摩擦而产生的粘结现象。在刀屑冷焊（即粘结）面积足够大、且温度达到一定值时，滞流层中流动速度为零的切削层因切屑底层材料中摩擦力超过材料的屈服极限，被剪切断裂粘结覆盖在前刀面上，使得切屑底层金属被剪断停留在刀面上成为积屑瘤，然后新的切削层又在上述基础上粘结、堆积，积屑瘤逐渐变大。

2）底层金属的加工硬化。靠近刀具前面的金属因内摩擦现象产生了剪切滑移现象，使得切屑底层的晶粒纤维化程度很高，几乎和前刀面平行，底层有比上一层更高的硬度和强度，代替刀刃继续剪切较软的金属层，层层堆积周而复始就形成了较大的积屑瘤。长高的积屑瘤在外力或振动作用下会发生局部的破裂和脱落，继而重复生长与脱落［2］。没有硬化现象，底层金属不能稳定地停留在前刀面上成为积屑瘤。

3）适当的切削温度和压力。适当的切削温度和压力能保持底层金属的粘结和硬化现象。温度过低，不足以产生粘结现象；温度过高，积屑瘤将失去它因加工硬化而获得的硬度和强度，将被流动的切屑所带走，直至完全消失脱落。

4结语

综上所述，积屑瘤是切屑与前刀面剧烈摩擦而产生的一个重要物理现象，积屑瘤的形成与前刀面摩擦特性有着必然的内在联系。所以若控制积屑瘤生成，必须采取合理措施减轻前刀面的摩擦现象。比如采用低速或高速范围切削就可有效抑制积屑瘤生成，由于中等速度时摩擦因数最大；因为增大刀具前角能减小变形和摩擦，所以也能有效减小积屑瘤；此外提高刀面的表面质量、合理使用切削液以及减小切削层厚度，都能有效地抑制积屑瘤的生成。

［1］ 陆剑中，孙家宁．金属切削原理与刀具［M］．北京：机械工业出版社，2011：36-39．

［2］ 陈日曜．金属切削原理［M］．北京：机械工业出版社，2005：25-29．