轴类工件的车削表面质量与控制【摘要】本文就材料、刀尖圆弧半径和修光刃、积屑瘤、鳞刺、振动切削刃对表面粗糙度的影响进行了详细的分析，并提出了控制措施。【关键词】表面粗糙度 材料 刀尖圆弧半径和修光刃 积屑瘤 鳞刺 振动 影响 防止减小措施表面粗糙度是指被加工表面所具有的较小间距和微小峰谷平面度。它是鉴定加工表面质量的重要指标之一。1、 材料对表面粗糙度的影响加工弹塑性材料时，刀具对金属材料挤压所产生的塑性变形和刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性越小，金属塑性变形越大，加工出的表面粗糙度值越大。因此，为了改善对中碳钢和低碳钢材料工件的切削性能，降低表面粗糙度值，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。加工塑性材料时，切削速度对积屑瘤和鳞刺的影响非常显著。切削速度较低易产生鳞刺，低速至中速易形成积屑瘤，粗糙度也大。避开这个速度区域，表面粗糙度值会减小。加工脆性材料时，切屑发生的塑性变形非常小，切屑成小粒或粉状排出，对刀尖不断地冲击，由于切屑的崩碎而在已加工表面留下许多“坑坑”，不容易得到光洁的表面。因而在精加工时，将车刀前刀面磨成平直切削刃，应用修光刃以及对切削用量进行合理的调整等都是很必要的。切削脆性材料时，还会产生崩碎切屑，切屑崩碎时的裂缝深人到已加工表面之下，使粗糙度增大。此外，排屑状况、机床设备的精度和刚度等，也会影响已加工表面的表面粗糙度。加工脆性材料时，因为一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以切削速度对表面粗糙度基本无影响。2、 刀尖圆弧半径和修光刃对表面粗糙度的作用和改善（1）刀尖圆弧半径的应用 刀具形状对工件的表面粗糙度有着直接影响，当使用刀尖切削轴类工件会留下一定的残留面积，当使用圆弧切削刃时也会留下一定的残留面积。由于表面粗糙度值主要取决于残留面积的高度，所以，切削加工时，选择较大的刀尖圆弧半径以及小的进给量，都可以降低表面粗糙度值。但是，是不是说粗加工中为了切削顺利，应采用小的刀尖圆弧半径，而精加工时，为了提高被加工表面的光洁性，就应该采用大的刀尖圆弧半径呢？事实上，当刀尖圆弧半径增大时，车刀的圆弧刃增长，其主偏角小于直线刃主偏角，容易引起切削中产生振动，并且，会使切屑热增多；但是，车刀切屑刃工作长度的增加，改善了散热条件，使切削温度降低，同时使刀尖强度增大，有利于降低加工表面的表面粗糙度值。刀尖圆弧半径一般选用在0.22mm,它可依据以下几点：1）粗车时，切屑变形严重，切削力大，切削热多，可选用较大的圆弧半径；精车时，考虑加工精度和表面粗糙度值，选用适当的圆弧半径。2）工艺系统（工件、车床、车刀、夹具）刚性较好时，应选用较大的圆弧半径，反之，应选用较小的圆弧半径。3）对较硬材料或容易引起车刀磨损的材料，应选取较大的圆弧半径，反之，应选用较小的圆弧半径。车刀上的刀尖半径常与过渡刃、刃倾角和前角等几个角度有关，有的车刀刀尖处不采用大的圆弧，而是采用直线过渡刃或与前脚、刃倾角等角度协调配合，加工中应根据具体情况合理选用和确定。（2）修光刃的应用 修光刃就是在过渡刃和副切削刃之间磨出一小段直线刃，这样对轴件表面可起到修光作用。修光刃有时与刀尖圆弧半径配合应用，单独使用有车刀圆弧半径的车刀车削出的轴件表面与刀尖圆弧半径和修光刃结合应用的车刀车出的轴件表面比较，后者比前者明显地降低了表面粗糙度值。修光刃是和车刀进给方向相平行的一小段直线切削刃，它有时是在刃磨刀具以后用磨石研磨出来的。它之所以起到使轴件表面光洁的作用，主要是因为这一段直线切削刃可以把工件表面刮平。它的宽度应合理选择，太宽了刀具切削困难（阻力大、振动大），太窄了起不到修光的作用。通常它的宽度比进给量大一些，采用1.11.2倍进给量的数值。3、 积屑瘤的作用和影响车削时，经常可以看到在刀尖附近黏附着一小块金属，这就是积屑瘤。由于积屑瘤本身硬度很高，同时又突出在刀尖处，所以，随着积屑瘤的产生增长消失而变化，其刀具对背吃刀量也不断发生变化，这样就提高了加工出来的表面粗糙度，并且，被工件带走的积屑瘤 ，有的附着在工件表面，有的则嵌入加工表面内，因而又可造成工件表面的硬度不均。还应指出的是，积屑瘤的出现，固然有上述缺点，但由于它的产生，使得刀具的刃部受到一定的保护，且使刀具后刀面与加工表面的磨损大大的减小。特别是积屑瘤长在刀尖上呈楔形，就相当于增大了刀具的前角，利于降低切削力，因而对于粗加工是有好处的。防止积屑瘤产生的主要措施是：1）降低刀具前刀面的表面粗糙度，使切屑刀具前刀面摩擦减少。 2）采用较高或较低的切削速度，避开易产生积屑瘤的速度值3）控制刀具的前角，低速切削时，用较大的前角，高速时用较小的前角。4）充分使用切削液。5）减小进给量和减小主偏角数值。6）提高材料的硬度和降低工件的塑性，也可减少积屑瘤的可能性。4.刀具磨损对表面粗糙度的影响车刀的前刀面磨损或后刀面磨损都直接影响着轴件的表面粗糙度。车刀磨损主要是由以下几方面原因造成的：车床上切削工件，金属层发生着十分剧烈的挤压和切屑变形，产生出很大的热量。这时刀尖的局部温度可达500甚至1000.在高温作用下，刀具切削刃的金属组织渐渐变软，硬度降低，甚至失去切削性能，这样，切削刃就会卷边，刀具明显变钝。刀具能维持切削性能的最高温度和刀具材料有关，高速钢刀具在500600时失去硬度，硬质合金刀具在8001000时失去硬度。切削时，金属层经受变形，材料的力学性能发生变化，硬度和断裂强度增加，而塑性降低，这时，表面硬化层得金属极限强度和屈服点都提高了，并且切削力和热应力多次反复，使刀具表面层达到疲劳强度极限，当切削温度较高时，容易出现这种磨损。使用硬质合金刀具进行车削时，大量切削热会使硬质合金中的碳、钴、钨、钛等元素逐渐扩散到工件和切屑中去，这样改变了刀具表层的化学成分，使硬质合金刀具的硬度下降，从而加剧刀具的磨损。在车床上进行断续切削时，刀尖和刀齿的前刀面受到时大时小的背向力，同时，刀齿表面要受到很大的压力，并且摩擦速度很高，机械摩擦力很大，这几种综合力致使车刀刀尖和刀齿前刀面的磨损加快。车刀在切削中的磨损速度并不一致，一把新车刀或刃磨过的车刀，当它们进入切削后，在较短的一段时间内磨损是较快的这是因为新车刀的切削刃和前后刀面微观有高低不平等缺陷，当车刀和工件表面接触的初期切削刃和前后刀面很快被磨平。所以，有经验的车工师傅在使用前都用磨石仔细认真的研磨。以制约和缩减初期的磨损。当进入正常切削后，刀齿表面粗糙不平的各点已被磨平，刀具的磨损情况也就稳定下来了。这时的磨损值与切削时间成正比的增加，这段磨损为正常磨损阶段；紧接着。由于切削温度的上升、车刀的切削性能下降、金属材料组织的变化、摩擦条件的较大变化以及切削力增大等因素影响，导致切削条件恶化，刀具磨损加剧，这时如果继续使用下去，刀具就会损坏了。 一把新刀具如果在使用前经过背刀，在使用过一段时间，进入正常磨损阶段后，再进行一次背刀将大大增大其使用期限。及时地背刀，可以减缓刀齿磨损，延长刀具寿命。光滑平整的刀齿会大大降低初期磨损阶段的磨损量，会延长正常磨损阶段的时间。 5、鳞刺的影响鳞刺是指已加工表面上鳞片状的毛刺，是用高速钢刀具低速切削时，经常见到的一种现象。鳞刺一般是在积屑瘤增长阶段的前期里形成的。甚至在没有积屑瘤的时候，以及在更低一些的切削速度范围内也有鳞刺发生。刀具的后角小的时候特别容易产生鳞刺。鳞刺对已加工表面质量有严重的影响，它往往使表面粗糙度等级降低24级。鳞刺的成因是前刀面上摩擦力的周期变化造成的。鳞刺的形成分为： 抹拭阶段：前一鳞刺已经形成，新鳞刺还未出现；而切屑沿着前刀面流出，切屑以刚切离的新鲜表面 抹拭刀屑摩擦面，将摩擦面上有润滑作用的吸附膜逐渐拭净，以致摩擦系数逐渐增大，并使刀具和切屑实际接触面积增大，为这两相摩擦材料的冷焊创造条件。导裂阶段：由于在第一阶段里，切屑将前刀面上的摩擦面抹拭干净，而前刀面与切屑之间又有巨大的压力作用着，于是切屑与刀具就发生冷焊现象，切屑便停留在前刀面上，暂时不再沿前刀面流出。这时切屑代替前刀面进行挤压，刀具只起支撑切削的作用。其特点是在切削刃前下方，切屑与加工表面之间出现一裂口。层积阶段：由于切削运动的连续性，切屑一旦停留在前刀面上，便代替刀具继续挤压切削层，使切削层中受到挤压的金属转变为切屑。而这部分新成为切屑的金属，只好逐层的积聚在起挤压作用的那部分切屑的下方。；这些金属一旦积聚并转化为切屑，便立即参与挤压 切削层的工作；同时，随着层积过程的发展，切削厚度将逐渐增大，切削力也随之增大。刮成阶段：由于切削厚度逐渐增大，切削抗力也随之增大，推动切屑沿前刀面流出的分力也增大。当层积金属达到一定厚度后，该分力便也随之增大到能够推动切屑重新流出的程度，于是切屑又重新开始沿前刀面流出，同时对切削刃便刮出鳞刺的顶部，至此，一个鳞刺的形成过程便告结束。紧接着，又开始另一个新鳞刺的形成过程。如此周而复始，在工件加工表面上便不断地生成一系列鳞刺。影响鳞刺的主要因素有：切削速度、切削深度、刀具的前角、工件的材质和切削液。 1)切削速度 切削速度主要是通过切削温度来影响鳞刺，温度在一定范围时，刀和屑间的摩擦系数最大，容易产生切削层的层积，切削速度是影响切削温度的主要因素，在某一适中切削速度范围内容易形成鳞刺。通过实践发现，切削速度低时，开始出现鳞刺但高度较小，鳞刺的高度随着切削速度的提高而增大，达到一定速度时便减小，最后消失。 2)切削厚度 如果在同一切削速度下，切削厚度增大时，切削温度和力及与切屑接触长度随之增大，因此，鳞刺形成及高度随着切削厚度增大而增大。 3) 刀具的前角 刀具的前角增大时，前刀面上的法向力减小，切削温度降低，切屑变形减小，当切削速度低时，鳞刺的高度随前角增大而下降，但切削速度高时，随着切削温度的升高，鳞刺的高度却随着前角增大而增大。 4)材质 在实践中发现，在较低的切削速度下，经过调质处理的工件，切削后鳞刺较大；正火处理的工件较小。但在较高的切削速度下，情况完全不一样，经调质处理的工件产生鳞刺高度较小，正火退火处理的工件较高。 5) 切削液及其他 切削液的使用，可以有效控制切削温度，减少摩擦，采用润滑冷却性能很好的切削液可以防止和抑制鳞刺产生和生长。选用与工件材料化学亲和性差的刀具材料，也可以抑制鳞刺产生。6、振动的影响切削过程中如果有振动，表面粗糙度就会显著变大。振动是由于径向切削力Fr太大，或工件系统的的刚度小而引起的。7、副切削刃的影响副切削刃对残留面积的挤压，使残留面积向与进给相反方向变形，使残留面积顶部歪斜而产生毛刺，加大了表面粗糙度。过渡刃圆弧部分的切削厚度是变化的，近刀尖处的切削厚度很小。当进给量小于一定限度后，这部分的切削厚度小于刃口圆弧所能切下的最小厚度时，就有部分金属未能切除，就会使表面粗糙度增大。