切削加工時(shí)表面粗糙度形成的原因及其影響因素

導(dǎo)讀：當(dāng)2resinkr≤f≤(re/sinkr)[1-cos(kr+kr]，殘留面積是由刀尖圓弧過(guò)渡刃和直線(xiàn)副切削刃構(gòu)成。當(dāng)f>(re/sinkr)[1-cos(kr+kr)]，殘留面積是由刀尖圓弧過(guò)渡刃和二直線(xiàn)主、副切削刃構(gòu)成。

　　摘要：通過(guò)詳細(xì)分析切削加工工件時(shí)，工件已加工表面粗糙度產(chǎn)生的各種原因，并對(duì)產(chǎn)生表面粗糙度的因素逐一分析，從而找出減小表面粗糙度的具體措施，為提高工件的表面質(zhì)量提供了理論依據(jù)。

　　1 表面粗糙度產(chǎn)生的原因

　　幾何因素

　　由于刀具切削刃的幾何形狀、幾何參數(shù)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及切削刃本身的粗糙度等原因，未能將被加工表面上的材料層完全干凈地去除掉(只有當(dāng)?shù)毒呱蠋в械毒叩母逼莐r=0的修光刃、且進(jìn)給量小于修光刃寬度時(shí)，理論上才不產(chǎn)生殘留面積)，在已加工表面上遺留下殘留面積，殘留面積的高度構(gòu)成了表面粗糙度Rz。

　　當(dāng)f≤2resinkr，殘留面積是由圓弧過(guò)渡刃構(gòu)成。此時(shí)

f――進(jìn)給量，mm/r；

　　re――刀尖圓弧半徑。

　　當(dāng)2resinkr≤f≤(re/sinkr)[1-cos(kr+kr]，殘留面積是由刀尖圓弧過(guò)渡刃和直線(xiàn)副切削刃構(gòu)成。此時(shí)

　　Rz=re[1-sin(kr+b)]×1,000

　　sinb=1-(f/re)sinkr式中kr，kr――刀具的主偏角、副偏角。

　　當(dāng)f>(re/sinkr)[1-cos(kr+kr)]，殘留面積是由刀尖圓弧過(guò)渡刃和二直線(xiàn)主、副切削刃構(gòu)成。此時(shí)

　　Rz= 1 f-re(tan kr +tan kr )]×1000

　　cotkr+kr 2 2

　　當(dāng)re→0時(shí)，殘留面積是由主、副2條直線(xiàn)切削刃構(gòu)成。此時(shí)

　　Rz= f ×1000

　　cotkr+kr

　　刀具切削刃的粗糙度由于直接復(fù)映在加工表面上，所以刀具切削刃的粗糙度值，應(yīng)低于加工表面要求的粗糙度值。

　　實(shí)際上加工表面的粗糙度總是大于按以上計(jì)算的殘留面積的高度，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料時(shí)，實(shí)際加工表面的粗糙度才比較接近殘留面積的高度，說(shuō)明影響表面粗糙度的還有其他原因。

　　積屑瘤

　　積屑瘤的產(chǎn)生，是由于切屑在切削過(guò)程中的塑性流動(dòng)及刀具與切屑的外摩擦超過(guò)了內(nèi)摩擦，在刀具和切屑間很大的壓力作用下造成切削底層與刀具前面發(fā)生冷焊。積屑瘤對(duì)表面粗糙度的影響有兩方面：①它能刻劃出縱向的溝紋來(lái);②它還會(huì)在破碎脫落時(shí)沾附在已加工表面上。其主要原因是:當(dāng)積屑瘤處在生長(zhǎng)階段時(shí)，它與前刀面的粘結(jié)比較牢，因此積屑瘤在已加工表面上刻劃縱向溝紋的可能性大于對(duì)已加工表面的沾附。當(dāng)積屑瘤處于最大范圍以及消退階段，它已經(jīng)不很穩(wěn)定。這時(shí)它一方面雖然還時(shí)而刻劃溝紋，但更多的是沾附在已加工表面上。

　　鱗刺

　　鱗刺是指已加工表面上鱗片狀的毛刺，是用高速鋼刀具低速切削時(shí)，經(jīng)常見(jiàn)到的一種現(xiàn)象。鱗刺一般是在積屑瘤增長(zhǎng)階段的前期里形成的。甚至在沒(méi)有積屑瘤的時(shí)候，以及在更低一些的切削速度范圍內(nèi)也有鱗刺發(fā)生。刀具的后角小的時(shí)候特別容易產(chǎn)生鱗刺。鱗刺對(duì)已加工表面質(zhì)量有嚴(yán)重的影響，它往往使表面粗糙度等級(jí)降低2～4級(jí)。鱗刺的成因是前刀面上摩擦力的周期變化造成的。

　　振動(dòng)

　　切削過(guò)程中如果有振動(dòng)，表面粗糙度就會(huì)顯著變大。振動(dòng)是由于徑向切削力Fr太大，或工件系統(tǒng)的的剛度小而引起的。

其他因素

　　副切削刃對(duì)殘留面積的擠壓，使殘留面積向與進(jìn)給相反方向變形，使殘留面積頂歪斜而產(chǎn)生毛刺，加大了表面粗糙度。過(guò)渡刃圓弧分的切削厚度是變化的，近刀尖處的切削厚度很小。當(dāng)進(jìn)給量小于一定限度后，這分的切削厚度小于刃口圓弧所能切下的最小厚度時(shí)，就有分金屬未能切除，就會(huì)使表面粗糙度增大。切削脆性材料時(shí)，產(chǎn)生崩碎切屑，切屑崩碎時(shí)的裂縫深人到已加工表面之下，使粗糙度增大。此外，排屑狀況、機(jī)床設(shè)備的精度和剛度等，也會(huì)影響已加工表面的表面粗糙度。

　　2 影響粗糙度的因素

　　刀具方面

　　幾何參數(shù)

　　刀具幾何參數(shù)中對(duì)表面粗糙度影響最大的是刀尖圓弧半徑re、副偏角kr和修光刃。

　　刀尖圓弧半徑re對(duì)表面粗糙度有雙重影響：re增大時(shí)，殘留高度減小，另一方面變形將增加。由于前一種影響較大，所以當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑re增大時(shí)，表面粗糙度將降低。因此在剛度允許的條件下，增大刀尖圓弧半徑re是降低表面粗糙度的好方法。副偏角kr愈小，表面粗糙度愈低。但減小副偏角容易引起振動(dòng)，故減小副偏角，必須視機(jī)床系統(tǒng)的剛度而定。當(dāng)kr大到一定值時(shí)，副刃就不參與殘留面積的組成，再增大kr，也不會(huì)使表面粗糙度值增加。采用一段長(zhǎng)度稍大于進(jìn)給量的修光刃(修光刃上kr=0)是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃來(lái)消除殘留面積是實(shí)際加工工件中常常采用的方法。前角g0對(duì)表面粗糙度沒(méi)有直接的影響，由于g0大時(shí)對(duì)抑制積屑瘤和鱗刺有利，且增大了。可使刃口圓弧半徑re減小，所以在中、低速范圍內(nèi)適當(dāng)增大g0可有利于減小表面粗糙度。當(dāng)v>50m/min時(shí)，g0就基本上不產(chǎn)生影響。

　　刀具的刃磨質(zhì)量

　　刀刃前、后刀面，切削刃本身的粗糙度值直接影響被加工面的粗糙度。一般來(lái)說(shuō)，刀刃前、后刀面的粗糙度應(yīng)比加工面要求的粗糙度小1～2級(jí)。

　　刀具的材料

　　刀具材料與被加工材料金屬分子的親和力大時(shí)，被加工材料容易與刀具粘結(jié)而生成積屑瘤和鱗刺，且被粘結(jié)在刀刃上的金屬與被加工表面分離時(shí)還會(huì)形成附加的粗糙度。因此凡是粘結(jié)情況嚴(yán)重，摩擦嚴(yán)重的，表面粗糙度都大;反之如果粘結(jié)和摩擦不嚴(yán)重的，表面粗糙度都小。

　　切削條件

　　切削速度v

　　加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)積屑瘤和鱗刺的影響非常顯著。切削速度較低易產(chǎn)生鱗刺，低速至中速易形成積屑瘤，粗糙度也大。避開(kāi)這個(gè)速度區(qū)域，表面粗糙度值會(huì)減小。加工脆性材料時(shí)，因?yàn)橐话悴粫?huì)形成積屑瘤和鱗刺，所以切削速度對(duì)表面粗糙度基本無(wú)影響。

　　由此可見(jiàn)，用較高的切削速度，既可提高生產(chǎn)率，同時(shí)又可使加工表面粗糙度較小。所以最重要的是發(fā)展各種新刀具材料和相應(yīng)的新刀具結(jié)構(gòu)，以便有可能采用更高的切削速度。

　　進(jìn)給量f

　　從幾何因素中可知，減小進(jìn)給量f可以降低殘留面積的高度。同時(shí)也可以降低積屑瘤和鱗刺的高度，因而減小進(jìn)給量可以使表面粗糙度值減小。但進(jìn)給量減小到一定值時(shí)，再減小，塑性變形要占主導(dǎo)地位，粗糙度值不會(huì)明顯下降。當(dāng)進(jìn)給量更小時(shí)，由于塑性變形程度增加，粗糙度反而會(huì)有所上升。

　　切削深度ap

　　一般來(lái)說(shuō)，切削深度對(duì)加工表面粗糙度的影響是不明顯的，在實(shí)際工作中可以忽略不計(jì)。但當(dāng)ap<0.02～0.03mm時(shí)，由于刀刃不是絕對(duì)尖銳而是有一定的圓弧半徑，這時(shí)正常切削就不能進(jìn)行，常擠壓滑過(guò)加工表面而切不下切屑而將在加工表面上引起附加的塑性變形，從而使加工表面粗糙度增大。所以切削加工不能選用過(guò)小的切削深度。但過(guò)大的切削深度也會(huì)因切削力、切削熱劇增而影響加工精度和表面質(zhì)量。

　　切削液

　　切削液的冷卻和潤(rùn)滑作用，能減小切削過(guò)程的界面摩擦，降低切削區(qū)溫度，從而減少了切削過(guò)程的塑性變形并抑制積屑瘤和鱗刺的生長(zhǎng)，因此對(duì)減小加工表面粗糙度有利。

　　被加工材料

　　一般來(lái)說(shuō)，材料韌性越好，塑性變形傾向越大，在切削加工中，表面粗糙度就越大。被加工材料對(duì)表面粗糙度的影響與其金相組織狀態(tài)有關(guān)。

　　工藝系統(tǒng)的精度和剛度

　　加工后的表面粗糙度要低，必須有高運(yùn)動(dòng)精度的機(jī)床和高剛度的工藝系統(tǒng)，有較強(qiáng)的抗振性，否則即使有很好的刀具，選擇最佳的切削用量也很難獲得高質(zhì)量的加工表面。

　　3 降低表面粗糙度的措施

　　如果已加工表面的走刀痕跡比較清楚，說(shuō)明影響表面粗糙度的主要因素是幾何因素，就應(yīng)該首先考慮減小殘留面積高度。減小殘留面積高度的方法，首先是改變刀具的幾何參數(shù)，增大刀尖圓弧半徑re和減小副偏角kr。采用帶有kr=0的修光刃的刀具或?qū)捜芯俚?、精?chē)刀是生產(chǎn)中降低加工表面粗糙度所采用的方法。不論是增大re、減小kr，或用寬刃刀都要注意避免振動(dòng)。減小進(jìn)給量f，也能有效地減小殘留面積高度，但減小進(jìn)給量f會(huì)降低生產(chǎn)率，所以只有在改變刀具的幾何參數(shù)后會(huì)引起振動(dòng)或其它不良影響時(shí)才考慮減小進(jìn)給量f。

　　如果已加工表面出現(xiàn)鱗刺或切削速度方向有積屑瘤引起的溝槽，那么就應(yīng)從消滅積屑瘤和鱗刺著手?？刹扇∮酶突蜉^高的切削速度，并配合較小的進(jìn)給量，可有效地抑制積屑瘤和鱗刺的生長(zhǎng)。在中、低速切削時(shí)加大前角g0，同時(shí)適當(dāng)增大一些后角對(duì)抑制積屑瘤和鱗刺有一定的效果。改用潤(rùn)滑性能良好的切削液，必要時(shí)對(duì)工件先進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)等熱處理，以提高硬度，降低塑性和韌性。

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