论文部分内容阅读
【摘 要】金属切削加工是机械加工制造的广泛采用的加工方法之一。精度要求较高的零件几乎都是经过机械加工。刀具是机械加工重要工具之一，对于刀具的结构和几何参数的改变，不仅能提高工件加工质量、刀具寿命，而且还能提高生产率。本人通过多年车床使用刀具的实践，简单的介绍需要的操作者。有不恰当之处，希望各位老师给予指点。
【关键词】表面质量 刀具几何角度 冷作硬化 刃口圆角
【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）21-
已加工表面粗糙度和表面层的加工硬化程度是衡量加工表面质量的两项标志。
本论文论述其影响因素，为学会分析与粗糙度的问题打下基础（刀具的相关因素都以CD6140车床为例）。
一、已加工表面上缺陷的类型及其成因
切削加工时，在已加工表面的各种不光洁的现象，有的很明显，也有的在放大镜才能观察到，其中较常见的有以下几种：
1、加工硬化
刀具在切削加工过程中，由于工件受到刀具、切屑等高温高压的影响，使工件的已加工表面硬度有所提高，称为加工硬化，主要影响因素是刀具的刃口圆角。
2、残留面积：
在车床车削外圆时，切削层中残留在已加工表面上未被切除的面积称为残留面积。
通常用残留面积高度的大小来衡量不光洁的的程度，如图所示：
由图可以看出减小进给量，减小刀具的主副偏角，增大刀尖的圆弧半径，都可以使残留面积高度减小。
实际上，在残留面积上还叠加着许多的其他的因素造成的已加工表面的不光洁的现象，致使实际的残留高度比计算值要大些。
3、积屑瘤：
积屑瘤即刀尖上的建筑物。在加工过程中，由于工件材料是被挤裂的，因此切屑对刀具的前面产生有很大的压力，并摩擦生成大量的切削热。在这种高温高压下，与刀具前刀面接触的那一部分切屑由于摩擦力的影响，流动速度相对减慢，形成滞留层。当摩擦力一旦大于材料内部晶格之间的结合力时，滞流层中的一些材料就会粘附在刀具附近刀尖的前刀面上，形成积屑瘤。
切削过程中产生积屑瘤时，其突出的切屑粘附在刀尖上，从而代替的刀刃的切入工件，使已加工表面上划出深浅不一的、断断续续的沟纹；当积屑瘤脱落时，部分积屑瘤碎片粘结在已加工表面上形成突出细小的毛刺。
4、鳞刺：
鳞刺实在已加工表面上产生鱼鳞片状的毛刺。出现这种现象使表面粗糙度显著下降。如图所示：
鳞刺的产生原因有四个阶段：
第一阶段是抹拭阶段：前刀面上流出的切屑将润滑膜抹净，润滑膜遭到破坏。
第二阶段是导裂阶段：在前刀面与切屑间存在较大的挤压力和摩擦力，切屑暂时粘结在前刀面上，并代替了前刀面推挤切削层，使切屑与加工表面产生导裂。
第三阶段是层积阶段：前刀面继续推挤切削层，堆积的切削层越来越多，切削力增大，到达一定程度后使切屑克服了与前刀面间的粘结而继续流动。
第四阶段是刮成阶段：刀刃刮过，导裂的部分残留在已加工表面上成了鳞刺。
5、振动：
刀具、工件、机床的部件或系统刚性不足的情况下，产生周期性跳动叫做振动，尤其是切削深度较大时或积屑瘤不断产生消失等而引起的。在工件表面上出现纵向或横向的波纹，是表面光洁度明显降低。
6、刀刃复映：
刀刃不平整、沟痕等在已加工表面留下痕跡。
7、拉毛
拉毛是在车削加工时，切屑向已加工表面排出，切屑缠绕在工件的已加工表面上，从而使本已已加工好的表面，造成划痕、毛刺等。
8、亮斑亮带
由于后刀面磨损产生较剧烈的摩擦与挤压后，在已加工表面形成块状或带状的亮块。
此外，当机床的运动精度低，如主轴跳动、进给运动不均匀等，也会使工件表面质量下降。
二、影响已加工表面质量的因素
影响加工硬化、残留面积、鳞刺、振动等因素都会影响已加工工件表面质量。这些表面的缺陷大致由工件材料、刀具材料、刀具的几何角度、切削用量、切削液等方面造成的。
1、工件的材料
加工塑性材料时，工件材料塑性越低，硬度越高则积屑瘤、鳞刺现象就越少，表面光洁度就越高。因此，高碳钢、中碳钢、调质钢加工后，表面质量比低碳钢要好得多，所以碳钢要经过预先调质热处理，提高钢的综合性能，在进行切削加工能够得到较高的表面质量。
加工铸铁时，由于切屑是崩碎状，，故在同样条件下，切削铸铁的表面质量要比碳钢要低。
通常加工性能好的材料，加工表面质量要高。反之，表面质量要差。改善材料的加工性能，就能提高工件的表面质量。
2、刀具的材料
刀具材料不同，刃口圆角半径的大小的不同。工具钢、锋钢、硬质合金、陶瓷刀片的圆角半径依次增大。圆角半径越大对以加工表面挤压层越厚，对以加工表面的变形和冷作硬化就越厉害，影响工件表面质量。因此，在精车时，应使圆角半径小些。
由于刀具材料的不同，对工件材料的粘附性、摩擦系数也不同，也影响表面质量。例如：加工有色金属采用G8或陶瓷材料、加工不锈钢用W1、中碳钢精车用YT30
3、刀具的几何参数
（1）前后角
增大前角和后角使人口锋利，减小切削抗力和切屑变形，还能较少与工件材料的摩擦。但前后角也不能无限减小，否则切削过程不稳定振动、刀具强度不足等。
（2）主负偏角、刀尖圆弧半径
这三个影响工件的残留面积高度、切削力的大小及振动影响表面质量。主要还是副偏角和刀尖圆弧半径对工件表面质量影响最大。一般情况下，圆弧半径越大，主副偏角大，工件表面质量就越好，反之就越差，工艺系统刚性不足的情况下，容易引起振动，降低了表面质量。 （3）刃倾角
刃倾角主要是控制切屑的流向，使以加工表面不致被切屑排除划伤。
刃倾角为正值时，切屑向待加工表面流出；负值时，向以加工表面流出；零值时，向加工表面流出。
此外，前后刀面的粗糙度的大小也能复映到工件表面上，表面粗糙度越高，越平整，工件的表面质量就越好，还能减少切屑与刀具的粘结、磨损、摩擦，抑制切屑瘤和鳞刺的产生。
4、切削用量
（1）切削速度
切削速度是影响表面质量的重要因素之一。主要影响积屑瘤、鳞刺及振动而影响表面质量的。如在切削45#钢时中等速度V=50m/min加工时容易产生积屑瘤，而低速和高速就不产生积屑瘤。
（2）进给量
降低进给量可以减小残留面积高度，但切削深度较小，对切削层挤压不足，也会影响表面质量。高速精车切削深度一般在0.8～1.5mm；低速精车一般在0.14～0.16mm
5、切削液
合理选择切削液，可以提高工件表面质量，粗糙度可以提高1～2级，可以抑制积屑瘤、鳞刺的产生，因此，正确选择使用切削液会有意想不到的效果。如铰铸铁孔时，使用煤油比5#机油要好。
三、提高加工表面质量的途径
在生产中，车床切削工件的表面粗糙度要求约在Ra3.2，工件表面质量达不到精度要求时，首先对不光洁的的现象和原因进行分析，找出影响其主要因素，提出改善措施，并经时间逐步解决。表面质量达不到精度要求的原因，一般都是残留面积、积屑瘤、鳞刺等现象，因此，通常要考虑到刀具材料、几何参数、切削用量、切削液等途径解决。
1、刀具材料
常用的刀具材料的用途如下表：
2、改变刀具的几何参数
（1）精车的各角度根据加工材质性质而定。根据经验得，加工铸铁：前角约0～10°后角约6～12°主偏角约45～75°；不锈钢：前角约15～30°后角约8～10°主偏角约75～90°；铝合金，前角约20～30°后角约8～12°主偏角约60～90°；黄铜，前角约0～10°后角约8～10°主偏角约93°，所有的副偏角約在3～8°。这些几何角度，在实际运用中与实际加工材质的具体情况来定，几何角度也随之变动，总体都是在这个范围内。
（2）卷屑槽的宽度和深度影响切削的塑性变形大小。前角、反屑角、槽角三个角之和是180°槽角一般约110～120°。当前角确定以后，槽角越小，反屑角就愈大，切屑变形就愈厉害。
（3）刀槽的宽度是确定切削深度的依据。切削深度越大，刀槽就越宽，一般宽为3～5mm。
（4）刃倾角是控制切屑流出的方向。刃倾角为正值时，切屑向待加工表面流出；负值时，向以加工表面流出；零值时，向加工表面流出。
（5）刀尖圆弧半径在不影响清根的情况下，半径越大越好，并且圆弧要与副切削刃相切（这点用文字表述不清，最好在实践中边讲解边演示）。圆弧半径的大小直接影响进给量的选择。
（6）刃磨质量是减少刀具复映、鳞刺、积屑瘤的重要因素，因此刀具的刃磨质量是非常重要。刀具刃磨工艺过程和零件加工的过程几乎是相似的，一般过程是粗磨、半精磨、精磨等。例如刃磨硬质合金YT30的90°外圆精车刀。一把新的手磨刀，先选用80#碳化硅砂轮粗磨，各角度都合格后；其次，选用120#碳化硅砂轮半精磨；最后选用金刚石180～3000#砂轮进行精磨。这样既能使各刀面平整光洁，也能减小刃口圆角，还能保证过度圆弧与副刃的过渡性。如用其他方法精磨很难达到刃磨质量，如用油石备刀、用薄铸铁轮子研磨等。
上述所用的方法，因每个人的技能水平和经验不同，刀具切削时所达到的效果也有些差异，还需要在实践中慢慢学习掌握。
3、切削用量
切削速度是车床切削产生切削热的主要因素之一，也是影响工件表面质量的重要因素之一。切削速度主要通过积屑瘤、鳞刺及振动影响表面质量。如：在一定的条件下45#钢，中等切削速度（=50m/min）产生积屑瘤，表面质量降低，而低速（<50m/min）和高速（>120 m/min）加工时表面质量就高，但速度不能过高，否则会产生振动和加剧刀具磨损，不能保证加工精度要求。
进给量是影响残留面积高度，提高表面质量。进给量不能太小，否则会由于切削深度过小，是切削层挤压的比例过大，对表面质量是不利的，而且还会影响生产率的提高。
4、切削液
在低速切削精加工中，切削液合理选择可以减少工件与刀具加工表面的摩擦，降低切削温度，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，还可以提高工件的表面质量，可以提高1～2级，在表面质量起了突出的制作用。例如在低速精车45#钢时，要采用机油加煤油混合作切削液，还可用酱油，还可肥皂水等。
总之，机械加工中所用刀具是很神奇的，它受多种因素的影响。同一种材料名、刀具名等对各种金属的成分的含量都有差异的，因此加工时，刀具的几何角度也不是固定不变的，需要丰富的实践经验及掌握现场加工的情况而调整影响工件质量的不利因素。
【关键词】表面质量 刀具几何角度 冷作硬化 刃口圆角
【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）21-
已加工表面粗糙度和表面层的加工硬化程度是衡量加工表面质量的两项标志。
本论文论述其影响因素，为学会分析与粗糙度的问题打下基础（刀具的相关因素都以CD6140车床为例）。
一、已加工表面上缺陷的类型及其成因
切削加工时，在已加工表面的各种不光洁的现象，有的很明显，也有的在放大镜才能观察到，其中较常见的有以下几种：
1、加工硬化
刀具在切削加工过程中，由于工件受到刀具、切屑等高温高压的影响，使工件的已加工表面硬度有所提高，称为加工硬化，主要影响因素是刀具的刃口圆角。
2、残留面积：
在车床车削外圆时，切削层中残留在已加工表面上未被切除的面积称为残留面积。
通常用残留面积高度的大小来衡量不光洁的的程度，如图所示：
由图可以看出减小进给量，减小刀具的主副偏角，增大刀尖的圆弧半径，都可以使残留面积高度减小。
实际上，在残留面积上还叠加着许多的其他的因素造成的已加工表面的不光洁的现象，致使实际的残留高度比计算值要大些。
3、积屑瘤：
积屑瘤即刀尖上的建筑物。在加工过程中，由于工件材料是被挤裂的，因此切屑对刀具的前面产生有很大的压力，并摩擦生成大量的切削热。在这种高温高压下，与刀具前刀面接触的那一部分切屑由于摩擦力的影响，流动速度相对减慢，形成滞留层。当摩擦力一旦大于材料内部晶格之间的结合力时，滞流层中的一些材料就会粘附在刀具附近刀尖的前刀面上，形成积屑瘤。
切削过程中产生积屑瘤时，其突出的切屑粘附在刀尖上，从而代替的刀刃的切入工件，使已加工表面上划出深浅不一的、断断续续的沟纹；当积屑瘤脱落时，部分积屑瘤碎片粘结在已加工表面上形成突出细小的毛刺。
4、鳞刺：
鳞刺实在已加工表面上产生鱼鳞片状的毛刺。出现这种现象使表面粗糙度显著下降。如图所示：
鳞刺的产生原因有四个阶段：
第一阶段是抹拭阶段：前刀面上流出的切屑将润滑膜抹净，润滑膜遭到破坏。
第二阶段是导裂阶段：在前刀面与切屑间存在较大的挤压力和摩擦力，切屑暂时粘结在前刀面上，并代替了前刀面推挤切削层，使切屑与加工表面产生导裂。
第三阶段是层积阶段：前刀面继续推挤切削层，堆积的切削层越来越多，切削力增大，到达一定程度后使切屑克服了与前刀面间的粘结而继续流动。
第四阶段是刮成阶段：刀刃刮过，导裂的部分残留在已加工表面上成了鳞刺。
5、振动：
刀具、工件、机床的部件或系统刚性不足的情况下，产生周期性跳动叫做振动，尤其是切削深度较大时或积屑瘤不断产生消失等而引起的。在工件表面上出现纵向或横向的波纹，是表面光洁度明显降低。
6、刀刃复映：
刀刃不平整、沟痕等在已加工表面留下痕跡。
7、拉毛
拉毛是在车削加工时，切屑向已加工表面排出，切屑缠绕在工件的已加工表面上，从而使本已已加工好的表面，造成划痕、毛刺等。
8、亮斑亮带
由于后刀面磨损产生较剧烈的摩擦与挤压后，在已加工表面形成块状或带状的亮块。
此外，当机床的运动精度低，如主轴跳动、进给运动不均匀等，也会使工件表面质量下降。
二、影响已加工表面质量的因素
影响加工硬化、残留面积、鳞刺、振动等因素都会影响已加工工件表面质量。这些表面的缺陷大致由工件材料、刀具材料、刀具的几何角度、切削用量、切削液等方面造成的。
1、工件的材料
加工塑性材料时，工件材料塑性越低，硬度越高则积屑瘤、鳞刺现象就越少，表面光洁度就越高。因此，高碳钢、中碳钢、调质钢加工后，表面质量比低碳钢要好得多，所以碳钢要经过预先调质热处理，提高钢的综合性能，在进行切削加工能够得到较高的表面质量。
加工铸铁时，由于切屑是崩碎状，，故在同样条件下，切削铸铁的表面质量要比碳钢要低。
通常加工性能好的材料，加工表面质量要高。反之，表面质量要差。改善材料的加工性能，就能提高工件的表面质量。
2、刀具的材料
刀具材料不同，刃口圆角半径的大小的不同。工具钢、锋钢、硬质合金、陶瓷刀片的圆角半径依次增大。圆角半径越大对以加工表面挤压层越厚，对以加工表面的变形和冷作硬化就越厉害，影响工件表面质量。因此，在精车时，应使圆角半径小些。
由于刀具材料的不同，对工件材料的粘附性、摩擦系数也不同，也影响表面质量。例如：加工有色金属采用G8或陶瓷材料、加工不锈钢用W1、中碳钢精车用YT30
3、刀具的几何参数
（1）前后角
增大前角和后角使人口锋利，减小切削抗力和切屑变形，还能较少与工件材料的摩擦。但前后角也不能无限减小，否则切削过程不稳定振动、刀具强度不足等。
（2）主负偏角、刀尖圆弧半径
这三个影响工件的残留面积高度、切削力的大小及振动影响表面质量。主要还是副偏角和刀尖圆弧半径对工件表面质量影响最大。一般情况下，圆弧半径越大，主副偏角大，工件表面质量就越好，反之就越差，工艺系统刚性不足的情况下，容易引起振动，降低了表面质量。 （3）刃倾角
刃倾角主要是控制切屑的流向，使以加工表面不致被切屑排除划伤。
刃倾角为正值时，切屑向待加工表面流出；负值时，向以加工表面流出；零值时，向加工表面流出。
此外，前后刀面的粗糙度的大小也能复映到工件表面上，表面粗糙度越高，越平整，工件的表面质量就越好，还能减少切屑与刀具的粘结、磨损、摩擦，抑制切屑瘤和鳞刺的产生。
4、切削用量
（1）切削速度
切削速度是影响表面质量的重要因素之一。主要影响积屑瘤、鳞刺及振动而影响表面质量的。如在切削45#钢时中等速度V=50m/min加工时容易产生积屑瘤，而低速和高速就不产生积屑瘤。
（2）进给量
降低进给量可以减小残留面积高度，但切削深度较小，对切削层挤压不足，也会影响表面质量。高速精车切削深度一般在0.8～1.5mm；低速精车一般在0.14～0.16mm
5、切削液
合理选择切削液，可以提高工件表面质量，粗糙度可以提高1～2级，可以抑制积屑瘤、鳞刺的产生，因此，正确选择使用切削液会有意想不到的效果。如铰铸铁孔时，使用煤油比5#机油要好。
三、提高加工表面质量的途径
在生产中，车床切削工件的表面粗糙度要求约在Ra3.2，工件表面质量达不到精度要求时，首先对不光洁的的现象和原因进行分析，找出影响其主要因素，提出改善措施，并经时间逐步解决。表面质量达不到精度要求的原因，一般都是残留面积、积屑瘤、鳞刺等现象，因此，通常要考虑到刀具材料、几何参数、切削用量、切削液等途径解决。
1、刀具材料
常用的刀具材料的用途如下表：
2、改变刀具的几何参数
（1）精车的各角度根据加工材质性质而定。根据经验得，加工铸铁：前角约0～10°后角约6～12°主偏角约45～75°；不锈钢：前角约15～30°后角约8～10°主偏角约75～90°；铝合金，前角约20～30°后角约8～12°主偏角约60～90°；黄铜，前角约0～10°后角约8～10°主偏角约93°，所有的副偏角約在3～8°。这些几何角度，在实际运用中与实际加工材质的具体情况来定，几何角度也随之变动，总体都是在这个范围内。
（2）卷屑槽的宽度和深度影响切削的塑性变形大小。前角、反屑角、槽角三个角之和是180°槽角一般约110～120°。当前角确定以后，槽角越小，反屑角就愈大，切屑变形就愈厉害。
（3）刀槽的宽度是确定切削深度的依据。切削深度越大，刀槽就越宽，一般宽为3～5mm。
（4）刃倾角是控制切屑流出的方向。刃倾角为正值时，切屑向待加工表面流出；负值时，向以加工表面流出；零值时，向加工表面流出。
（5）刀尖圆弧半径在不影响清根的情况下，半径越大越好，并且圆弧要与副切削刃相切（这点用文字表述不清，最好在实践中边讲解边演示）。圆弧半径的大小直接影响进给量的选择。
（6）刃磨质量是减少刀具复映、鳞刺、积屑瘤的重要因素，因此刀具的刃磨质量是非常重要。刀具刃磨工艺过程和零件加工的过程几乎是相似的，一般过程是粗磨、半精磨、精磨等。例如刃磨硬质合金YT30的90°外圆精车刀。一把新的手磨刀，先选用80#碳化硅砂轮粗磨，各角度都合格后；其次，选用120#碳化硅砂轮半精磨；最后选用金刚石180～3000#砂轮进行精磨。这样既能使各刀面平整光洁，也能减小刃口圆角，还能保证过度圆弧与副刃的过渡性。如用其他方法精磨很难达到刃磨质量，如用油石备刀、用薄铸铁轮子研磨等。
上述所用的方法，因每个人的技能水平和经验不同，刀具切削时所达到的效果也有些差异，还需要在实践中慢慢学习掌握。
3、切削用量
切削速度是车床切削产生切削热的主要因素之一，也是影响工件表面质量的重要因素之一。切削速度主要通过积屑瘤、鳞刺及振动影响表面质量。如：在一定的条件下45#钢，中等切削速度（=50m/min）产生积屑瘤，表面质量降低，而低速（<50m/min）和高速（>120 m/min）加工时表面质量就高，但速度不能过高，否则会产生振动和加剧刀具磨损，不能保证加工精度要求。
进给量是影响残留面积高度，提高表面质量。进给量不能太小，否则会由于切削深度过小，是切削层挤压的比例过大，对表面质量是不利的，而且还会影响生产率的提高。
4、切削液
在低速切削精加工中，切削液合理选择可以减少工件与刀具加工表面的摩擦，降低切削温度，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，还可以提高工件的表面质量，可以提高1～2级，在表面质量起了突出的制作用。例如在低速精车45#钢时，要采用机油加煤油混合作切削液，还可用酱油，还可肥皂水等。
总之，机械加工中所用刀具是很神奇的，它受多种因素的影响。同一种材料名、刀具名等对各种金属的成分的含量都有差异的，因此加工时，刀具的几何角度也不是固定不变的，需要丰富的实践经验及掌握现场加工的情况而调整影响工件质量的不利因素。