切削加工时表面粗糙度形成的原因及其影响因素
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技术综合
1 表面粗糙度产生的原因
- 几何因素
- 由于刀具切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等原因，未能将被加工表面上的材料层完全干净地去除掉(只有当刀具上带有刀具的副偏角k
r=0的修光刃、且进给量小于修光刃宽度时，理论上才不产生残留面积)，在已加工表面上遗留下残留面积，残留面积的高度构成了表面粗糙度Rz。- 当f≤2r
esinkr，残留面积是由圆弧过渡刃构成。此时 式中：f——进给量，mm/r；- r
e——刀尖圆弧半径。- 当2r
esinkr≤f≤(re/sinkr)[1-cos(kr+kr]，残留面积是由刀尖圆弧过渡刃和直线副切削刃构成。此时 R z=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。- 当f>(r
e/sinkr)[1-cos(kr+kr)]，残留面积是由刀尖圆弧过渡刃和二直线主、副切削刃构成。此时 Rz=1f-re(tankr+tankr)]×1000cotkr+kr22当re→0时，残留面积是由主、副2条直线切削刃构成。此时 Rz=f×1000cotkr+kr- 刀具切削刃的粗糙度由于直接复映在加工表面上，所以刀具切削刃的粗糙度值，应低于加工表面要求的粗糙度值。
- 实际上加工表面的粗糙度总是大于按以上计算的残留面积的高度，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料时，实际加工表面的粗糙度才比较接近残留面积的高度，说明影响表面粗糙度的还有其他原因。
- 由于刀具切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等原因，未能将被加工表面上的材料层完全干净地去除掉(只有当刀具上带有刀具的副偏角k
- 积屑瘤
- 积屑瘤的产生，是由于切屑在切削过程中的塑性流动及刀具与切屑的外摩擦超过了内摩擦，在刀具和切屑间很大的压力作用下造成切削底层与刀具前面发生冷焊。积屑瘤对表面粗糙度的影响有两方面：①它能刻划出纵向的沟纹来;②它还会在破碎脱落时沾附在已加工表面上。其主要原因是:当积屑瘤处在生长阶段时，它与前刀面的粘结比较牢，因此积屑瘤在已加工表面上刻划纵向沟纹的可能性大于对已加工表面的沾附。当积屑瘤处于最大范围以及消退阶段，它已经不很稳定。这时它一方面虽然还时而刻划沟纹，但更多的是沾附在已加工表面上。
- 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。
- 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F
r太大，或工件系统的的刚度小而引起的。 - 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F
- 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。
2 影响粗糙度的因素
- 刀具方面
- 几何参数
- 刀具几何参数中对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径r
e、副偏角kr和修光刃。- 刀尖圆弧半径r
e对表面粗糙度有双重影响：re增大时，残留高度减小，另一方面变形将增加。由于前一种影响较大，所以当刀尖圆弧半径re增大时，表面粗糙度将降低。因此在刚度允许的条件下，增大刀尖圆弧半径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。但减小副偏角容易引起振动，故减小副偏角，必须视机床系统的刚度而定。当kr大到一定值时，副刃就不参与残留面积的组成，再增大kr，也不会使表面粗糙度值增加。采用一段长度稍大于进给量的修光刃(修光刃上kr=0)是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃来消除残留面积是实际加工工件中常常采用的方法。前角g0对表面粗糙度没有直接的影响，由于g0大时对抑制积屑瘤和鳞刺有利，且增大了。可使刃口圆弧半径re减小，所以在中、低速范围内适当增大g0可有利于减小表面粗糙度。当v>50m/min时，g0就基本上不产生影响。 - 刀具几何参数中对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径r
- 刀具的刃磨质量
- 刀刃前、后刀面，切削刃本身的粗糙度值直接影响被加工面的粗糙度。一般来说，刀刃前、后刀面的粗糙度应比加工面要求的粗糙度小1～2级。
- 刀具的材料
- 刀具材料与被加工材料金属分子的亲和力大时，被加工材料容易与刀具粘结而生成积屑瘤和鳞刺，且被粘结在刀刃上的金属与被加工表面分离时还会形成附加的粗糙度。因此凡是粘结情况严重，摩擦严重的，表面粗糙度都大;反之如果粘结和摩擦不严重的，表面粗糙度都小。
- 几何参数
- 切削条件
- 切削速度v
- 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，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。
- 由此可见，用较高的切削速度，既可提高生产率，同时又可使加工表面粗糙度较小。所以最重要的是发展各种新刀具材料和相应的新刀具结构，以便有可能采用更高的切削速度。
- 进给量f
- 从几何因素中可知，减小进给量f可以降低残留面积的高度。同时也可以降低积屑瘤和鳞刺的高度，因而减小进给量可以使表面粗糙度值减小。但进给量减小到一定值时，再减小，塑性变形要占主导地位，粗糙度值不会明显下降。当进给量更小时，由于塑性变形程度增加，粗糙度反而会有所上升。
- 切削深度ap
- 一般来说，切削深度对加工表面粗糙度的影响是不明显的，在实际工作中可以忽略不计。但当a
p<0.02～0.03mm时，由于刀刃不是绝对尖锐而是有一定的圆弧半径，这时正常切削就不能进行，常挤压滑过加工表面而切不下切屑而将在加工表面上引起附加的塑性变形，从而使加工表面粗糙度增大。所以切削加工不能选用过小的切削深度。但过大的切削深度也会因切削力、切削热剧增而影响加工精度和表面质量。 - 一般来说，切削深度对加工表面粗糙度的影响是不明显的，在实际工作中可以忽略不计。但当a
- 切削液
- 切削液的冷却和润滑作用，能减小切削过程的界面摩擦，降低切削区温度，从而减少了切削过程的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生长，因此对减小加工表面粗糙度有利。
- 切削速度v
- 被加工材料
- 一般来说，材料韧性越好，塑性变形倾向越大，在切削加工中，表面粗糙度就越大。被加工材料对表面粗糙度的影响与其金相组织状态有关。
- 工艺系统的精度和刚度
- 加工后的表面粗糙度要低，必须有高运动精度的机床和高刚度的工艺系统，有较强的抗振性，否则即使有很好的刀具，选择最佳的切削用量也很难获得高质量的加工表面。
3 降低表面粗糙度的措施
e和减小副偏角kr。采用带有kr=0的修光刃的刀具或宽刃精刨刀、精车刀是生产中降低加工表面粗糙度所采用的方法。不论是增大re、减小kr，或用宽刃刀都要注意避免振动。减小进给量f，也能有效地减小残留面积高度，但减小进给量f会降低生产率，所以只有在改变刀具的几何参数后会引起振动或其它不良影响时才考虑减小进给量f。
0，同时适当增大一些后角对抑制积屑瘤和鳞刺有一定的效果。改用润滑性能良好的切削液，必要时对工件先进行正火、调质等热处理，以提高硬度，降低塑性和韧性。
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