[摘要]切削加工中影响加工表面粗糙度有各种因素,改善表面质量有诸多方法。
[关键词]金属切削 加工精度 粗糙度
中图分类号:TG5 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2008)1020103-01
各种机床都有其最经济、最适合达到的表面粗糙度范围,如果要求达到的粗糙度水平超过其经济水平,将导致成本急剧上升,如果要求达到的粗糙度水平太低则会造成资源浪费。因此,要综合考虑与分析切削加工中影响表面粗糙度的各种因素,包括刀具的选择与利用、切削速度和进给量等,来达到要求的表面粗糙度。
一、切削加工时影响表面粗糙度的主要因素分析
(一)刀具几何形状及切削运动的影响
刀具相对于工件作进给运动时,在加工表面留下了切削层残留面积,从而产生了表面粗糙度,残留面积的形状是刀具几何形状的复映,其高度H受刀具的几何角度和切削用量大小的影响。一般,使用直线刀刃切削时,H=f/ctgkr+ctgkr’,使用圆弧刀刃切削时,H=f2/8rε。从式中可知,减少进给量f、主偏角Kr、副偏角Kr’以及增大刀尖圆弧半径r,均可减小残留面积的高度,从而降低表面粗糙度。
(二)积屑瘤的影响
在切削过程中,当刀具前刀面上存在积屑瘤时,由于积屑瘤的顶部很不稳定,容易破裂,一部分连附于切屑低部而排出,一部分则残留在加工表面上,使表面粗糙度增大。
(三)工件材料性质的影响
加工塑性材料时,由于刀具对加工表面的挤压和摩擦,使之产生较大的塑性变形,加之刀具迫使切屑与工件分离时的撕裂作用,使表面粗糙度值加大。一般来说,材料塑性变形趋势越大或韧性越大,被加工表面粗糙度就越大。切削脆性材料时,塑性变形小些,控制好切屑崩碎现象,就容易达到表面粗糙度的要求。对于同样的材料,金相组织越是粗大,切削加工后的表面粗糙度值也会越大。
(四)切削用量的影响
切削用量中,切削速度对表面粗糙度的影响比较复杂。在切削塑性材料时,一般情况下低速或高速切削时因不会产生积屑瘤,加工表面粗糙度值较小。但在中等速度下,塑性材料由于容易产生积屑瘤与鳞刺,且塑性变形较大,因此表面粗糙度值会变大。加工脆性材料时,由于塑性变形很小,主要形成崩碎切屑,切削速度的变化对表面粗糙度影响较小。减少进给量f可以减少切削残留面积高度,使表面粗糙度值减小。但进给量f太小刀刃不能切削而形成挤压,增大了工件的塑性变形,反而会增大表面粗糙度值。一般,背吃刀量ap对表现粗糙度影响不明显。
(五)鳞刺
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2~4级。鳞刺的成因是前刀面上摩擦力的周期变化造成的。
(六)振动
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Fy太大,或工件系统的的刚度小而引起的。
(七)其他因素
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。切削脆性材料时,产生崩碎切屑,切屑崩碎时的裂缝深入到已加工表面之下,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。
二、切削加工金属件表面粗糙度的控制措施
通过对切削加工金属件表面粗糙度形成的理论分析,可以看出控制表面粗糙度主要应从合理选择刀具材料、切削用量、刀具几何参数;改善加工材料以及控制运动机构本身的精度等几方面入手,采取相应的措施,现分析如下:
(一)增加运动机构本身的精度,减少振动
调整车床主轴,使轴向窜动和径向跳动小于0.01mm;增加跟刀架瓜脚支承面积,选用精度比较理想的顶针,增加工件装夹刚性;调整机床各拖板的塞铁松紧程度,消除大拖板的爬行现象。
(二)改善工件材料加工性能,保证加工质量
在不影响工件性能的条件下,适当调整化学成份,加入少量的硫、锰、铝等元素,降低材料塑性,减少刀具粘结磨损,抑制积屑瘤的产生。材料加工前进行适当的热处理,改善其硬度、塑性。
(三)合理选用切削液
切削液的合理选用,可减少切屑、刀具、工件接触面间的摩擦,减轻粘结现象,抑制积屑瘤的产生,改善已加工面表面粗糙度。其使用效果与刀具的材料、加工要求、工件材料、加工方法等因素有关,应综合考虑。
(四)合理选择刀具切削部分材料
不同的加工材料,不同的加工情况,对刀具切削部分材料性能要求也不同,因而所选用的材料也应不同。目前在车床高速精加工有色金属及非金属材料时一般使用金刚刀。其硬度高、耐磨性好,切削刃锋利,摩擦系数小,切屑与刀具不易产生粘结,不产生积屑瘤。
(五)选择刀具合理的几何参数
前角一般应取大些,以减少振动。但在切削有足够刚度的钢件外圆时,也可采用小负前角-2°——15°,提高工件加工精度。
主后角 大时,刀刃锋锐,工件表面弹性恢复减少,因而减少了恢复层与后刀面的接触长度,减少了后刀面与加工表面间的摩擦,利于提高表面质量,降低表面粗糙度。
主偏角kr在工艺系统刚性较好,精加工时,为减少残留高度,提高工件表面质量,kr应尽量取小值。
副偏角kr"为减少残留高度,条件许可时,kr"应尽量小,可取5°——10°。有时为提高已加工表面质量还可使用kr=0的带修光刃的车刀,此时理论上残留高度不存在。
刀尖形状:根据刀具材料选用大的圆弧过渡刃 ,还可以在刀尖处磨有修光刃以减少残留高度,改善表面粗糙度。
刃倾角:选用,控制切屑流出方向,使其与进给方向一致,保护已加工表面。
(六)合理选择切削用量
进给量f:选用小的进给量f,降低残留高度。
切削速度V:避免积屑瘤产生的区域以及自激振动的临界速度。一般推荐或用低速( V在38m/min之间)降低切削温度;或用高速(V在80---100m/min以上)消除积屑瘤不利影响,并利用因切削热增加而产生的高温,进一步减少切屑变形,降低表面粗糙度。
切削厚度ap:选用小的切削厚度ap,减小工艺系统变形以及振动,降低表面粗糙度。
三、结论
本文论述了切削加工中,金属加工件表面粗糙度形成的一系列相关因素以及控制措施。各措施相互联系、相互影响。企业生产产品时综合考虑各因素选择出符合质量、效益要求的合理值,为制订加工工艺、选择设计刀具,提供直接依据。
参考文献:
[1]周泽华,金属切削原理[M].上海:上海科学技术出版社.
[2]王生力,重型机器制造工艺学[M].北京:冶金出版社.
[3]陈宏钧,实用机械工艺手册[M].北京:机械工业出版社.
作者简介:
苏雯,女,本科,西安理工大学,理论与应用力学专业;刘海廷,男,西安理工大学,通信工程专业;李雯露,女,陕西电大。