切削加工時表面粗糙度形成的原因及其影響因素

導讀：當2resinkr≤f≤(re/sinkr)[1-cos(kr+kr]，殘留面積是由刀尖圓弧過渡刃和直線副切削刃構成。當f>(re/sinkr)[1-cos(kr+kr)]，殘留面積是由刀尖圓弧過渡刃和二直線主、副切削刃構成。

　　摘要：通過詳細分析切削加工工件時，工件已加工表面粗糙度產(chǎn)生的各種原因，并對產(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)、進給運動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?shù)毒呱蠋в械毒叩母逼莐r=0的修光刃、且進給量小于修光刃寬度時，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，殘留面積的高度構成了表面粗糙度Rz。

　　當f≤2resinkr，殘留面積是由圓弧過渡刃構成。此時

f――進給量，mm/r；

　　re――刀尖圓弧半徑。

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

　　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f>(re/sinkr)[1-cos(kr+kr)]，殘留面積是由刀尖圓弧過渡刃和二直線主、副切削刃構成。此時

　　Rz= 1 f-re(tan kr +tan kr )]×1000

　　cotkr+kr 2 2

　　當re→0時，殘留面積是由主、副2條直線切削刃構成。此時

　　Rz= f ×1000

　　cotkr+kr

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

　　實際上加工表面的粗糙度總是大于按以上計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，實際加工表面的粗糙度才比較接近殘留面積的高度，說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程中的塑性流動及刀具與切屑的外摩擦超過了內(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。積屑瘤對表面粗糙度的影響有兩方面：①它能刻劃出縱向的溝紋來;②它還會在破碎脫落時沾附在已加工表面上。其主要原因是:當積屑瘤處在生長階段時，它與前刀面的粘結比較牢，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已加工表面的沾附。當積屑瘤處于最大范圍以及消退階段，它已經(jīng)不很穩(wěn)定。這時它一方面雖然還時而刻劃溝紋，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，經(jīng)常見到的一種現(xiàn)象。鱗刺一般是在積屑瘤增長階段的前期里形成的。甚至在沒有積屑瘤的時候，以及在更低一些的切削速度范圍內(nèi)也有鱗刺發(fā)生。刀具的后角小的時候特別容易產(chǎn)生鱗刺。鱗刺對已加工表面質量有嚴重的影響，它往往使表面粗糙度等級降低2～4級。鱗刺的成因是前刀面上摩擦力的周期變化造成的。

　　振動

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

其他因素

　　副切削刃對殘留面積的擠壓，使殘留面積向與進給相反方向變形，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。當進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，就有分金屬未能切除，就會使表面粗糙度增大。切削脆性材料時，產(chǎn)生崩碎切屑，切屑崩碎時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、機床設備的精度和剛度等，也會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對表面粗糙度有雙重影響：re增大時，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?shù)都鈭A弧半徑re增大時，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，故減小副偏角，必須視機床系統(tǒng)的剛度而定。當kr大到一定值時，副刃就不參與殘留面積的組成，再增大kr，也不會使表面粗糙度值增加。采用一段長度稍大于進給量的修光刃(修光刃上kr=0)是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃來消除殘留面積是實際加工工件中常常采用的方法。前角g0對表面粗糙度沒有直接的影響，由于g0大時對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)適當增大g0可有利于減小表面粗糙度。當v>50m/min時，g0就基本上不產(chǎn)生影響。

　　刀具的刃磨質量

　　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。一般來說，刀刃前、后刀面的粗糙度應比加工面要求的粗糙度小1～2級。

　　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，被加工材料容易與刀具粘結而生成積屑瘤和鱗刺，且被粘結在刀刃上的金屬與被加工表面分離時還會形成附加的粗糙度。因此凡是粘結情況嚴重，摩擦嚴重的，表面粗糙度都大;反之如果粘結和摩擦不嚴重的，表面粗糙度都小。

　　切削條件

　　切削速度v

　　加工塑性材料時，切削速度對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。避開這個速度區(qū)域，表面粗糙度值會減小。加工脆性材料時，因為一般不會形成積屑瘤和鱗刺，所以切削速度對表面粗糙度基本無影響。

　　由此可見，用較高的切削速度，既可提高生產(chǎn)率，同時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的新刀具結構，以便有可能采用更高的切削速度。

　　進給量f

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

　　切削深度ap

　　一般來說，切削深度對加工表面粗糙度的影響是不明顯的，在實際工作中可以忽略不計。但當ap<0.02～0.03mm時，由于刀刃不是絕對尖銳而是有一定的圓弧半徑，這時正常切削就不能進行，常擠壓滑過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小的切削深度。但過大的切削深度也會因切削力、切削熱劇增而影響加工精度和表面質量。

　　切削液

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

　　被加工材料

　　一般來說，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。被加工材料對表面粗糙度的影響與其金相組織狀態(tài)有關。

　　工藝系統(tǒng)的精度和剛度

　　加工后的表面粗糙度要低，必須有高運動精度的機床和高剛度的工藝系統(tǒng)，有較強的抗振性，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，說明影響表面粗糙度的主要因素是幾何因素，就應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的修光刃的刀具或寬刃精刨刀、精車刀是生產(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。減小進給量f，也能有效地減小殘留面積高度，但減小進給量f會降低生產(chǎn)率，所以只有在改變刀具的幾何參數(shù)后會引起振動或其它不良影響時才考慮減小進給量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，并配合較小的進給量，可有效地抑制積屑瘤和鱗刺的生長。在中、低速切削時加大前角g0，同時適當增大一些后角對抑制積屑瘤和鱗刺有一定的效果。改用潤滑性能良好的切削液，必要時對工件先進行正火、調質等熱處理，以提高硬度，降低塑性和韌性。

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