精切铝活塞环槽过程中刀具对环槽两侧面的熨压研究

摘要：文章分析了活塞环槽精切加工过程中刀具磨损对环槽两侧面的挤压与微切削过程的影响，研究和探讨了刀具两侧副后刀面对环槽两侧面熨压的三个阶段的熨压机理。
关键词：活塞环槽；刀具；熨压

Study on the extrusion process between the cutting tool and the cut surface of workpiece in cutting aluminum alloy piston ring groove
HUAN GBin
Abstract ：The effects of cutting tool wearing on the extrusion and micro – cutting process in cutting aluminum piston ring groove are analyzed. The extrusion mechanism between the cutting tool and the cut surface of workpiece are researched.
Key words ：piston ring groove ；cutting tool ；extrusion

1 引言

铝活塞环槽精切加工过程中利用刀具两侧的副后刀面对环槽两侧面的熨压(或挤压) 是提高环槽两侧表面粗糙度的重要措施。因此，精切环槽的刀具副偏角一般设计成零度，且两侧的副切削刃各有一条零度后角的刃带，以增加熨压效果。研究刀具两侧的副后刀面对环槽两侧面的熨压对提高加工质量、延长刀具寿命有重要意义。

2 刀具对环槽两侧挤压量的计算

切削过程中的摩擦包含两方面的内容：一是刀具前刀面与切屑底层之间的摩擦，简称刀—屑摩擦;二是刀具后刀面与工件已加工表面之间的摩擦，简称刀—工摩擦。

精切环槽刀具的副后刀面对环槽两侧已加工表面的挤压量可以参照图1 来计算。

图1

根据摩擦力方向与摩擦相对运动方向相反的原则可以判断：作用在刀具上的刀—工摩擦区和刀—屑摩擦区的摩擦力方向，均为背离刀具刃口的方向。因此，在刃口钝圆部分必然存在某一点F0，它是刀—屑摩擦区和刀—工摩擦区的分界点。在它的两侧，摩擦力方向相反。既然F0 点是前刀面和后刀面相反方向摩擦力的转折点，该点处的摩擦力必然为零。如果取该点处切屑的一个微单元来进行分析，可以看出：刃口钝圆的切线方向即为摩擦力方向。但在F0 点摩擦力为零，由此可以推断在F0 点平行和垂直于该点切线的两个方向上的切应力均为零。按最大剪应力方向与主应力方向的夹角为45°的原则，并考虑到在切屑与工件母体分离点的剪切滑移方向应与切削速度方向一致，则可以确定在刃口钝圆上切线方向与切削方向成45°的那一点，即为刀—工摩擦区和刀—屑摩擦区的分界点。设切削刃刃口钝圆半径为rn，则最大挤压余量Δacm为：

Δacm = rn (1 – cos45°)≈0. 3 rn

新磨的硬质合金刀具rn= 18～32μm，此时的Δacm约为5. 4～9. 6μm。

3 刀具磨损对挤压与微切削过程的影响

切槽刀的副偏角为0°，所以刀具两侧副后刀面与已加工表面之间接触面积大，摩擦严重。刀尖在切削过程中切削时间最长，切削状况最恶劣，摩擦、磨损最严重。副后刀面与工件的摩擦情况大致可分两段来认识：靠近刀尖部分的副切削刃由于承担金属切除任务，所以靠近刀尖处的副后刀面在切削过程中与工件的挤压最严重，并且在连续切削的过程中，后刀面始终与新鲜金属挤压、擦拭，因此刀—工摩擦面上压力大，摩擦力大。在离刀尖较远处，副切削刃主要担负着切除过高的表面粗糙度凸峰的任务，副后刀面对已加工表面起挤压、熨平的作用。这部分后刀面与已加工表面基本上是峰点式接触，在切削液作用下两者表面都能受到较好的润滑，因此刀—工摩擦面上压力较小，摩擦力较小。

刀—工摩擦必然会引起刀具的磨损。靠近刀尖处的副后刀面磨损后，必然导致后续副切削刃参与对已加工表面的切削及其副后刀面对已加工表面挤压余量的增加。由此可见，刀具两侧副切削刃的切削余量和副后刀面与已加工表面之间的挤压余量大小各处不等，总的规律是离刀尖处由近至远逐渐减少。

精切活塞环槽时，铝合金塑性较大，切削速度较高( 一般大于200m/ min)，刀尖处的切削刃切出的环槽侧面表面粗糙度主要是刀具刃口微观不平的复印。对于新制成的刀具，其宽度可认为是处处相等的，刀尖处的副切削刃及副后刀面在切削过程中将微观不平误差不断复印到已加工表面。在其后的切削过程中，刀尖处的副切削刃初切出的表面的微观凸峰不断地被后续副切削刃及其副后刀面上的凸峰削平或熨平。刀尖部分受力最大，切削时间最长，磨损最速度最快。离刀尖越远，切削时间越短，磨损也越慢。因此，刀具投入使用后，刀尖很快磨损，刀尖圆弧半径逐渐变大，副切削刃各处不均匀磨损导致刃口形状逐渐变成了梯形，如图2 所示。

图2 磨损后的刀具刃形示意图

图3是磨损后刀尖处圆弧半径变大的照片。

图3 磨损后的刀尖形貌(40 倍)。

在图2 中，随着刀尖处副切削刃径向磨损量Δ的增加，留给远离刀尖处的副后刀面的挤压量逐渐加大，当Δ> 0. 3 rn 时，副切削刃便参与切削，同时副后刀面的挤压量达到最大值，如图中l1 段。此段在切削加工过程中，既有微切削，又有后刀面对工件已加工表面的挤压，挤压层厚度理论上达到最大值0. 3 rn，刀- 工接触面以面接触为主，切削液难以到达刀- 工接触区。此段副后刀面对环槽侧面的挤压严重，已加工表面塑性变形大，刀具对环槽两侧面的熨压效果较差。图中l2 段，由于副后刀面的最大磨损量小于或等于0. 3 rn，理论上没有微切削现象，只有刀具对工件已加工表面的挤压，并且挤压层厚度较小。此段刀- 工接触面以点接触为主，在切削液作用下两者表面都能受到较好的润滑，副后刀面对环槽两侧面的熨压效果较好。由于l1 段与l2 段刀具副后刀面对已加工表面的挤压层厚度不等，两段刀具副后刀面所受正压力大小不同，因此摩擦力大小不同，磨损速度也不同。随着刀尖磨损量的增加，l1逐渐增长，l2 逐渐减小。l1 、l2 两段所对应的已加工表面质量由于所受到的挤压程度不同也有所不同，l1 段与l2 段对应的已加工表面之间有明显界限，如图4 所示，左侧是l2 段对应的已加工表面，右侧是l1 段对应的已加工表面。

图4 环槽侧面不同光亮度的表面(20 倍)

刀刃钝圆半径与切削、挤压余量大小也有密切关系。根据前文最大挤压量计算公式，随着刀具的磨损，刃口钝圆半径不断加大，副后刀面对环槽侧面的最大挤压量也不断增加，从而引起副后刀面上压力、刀—工摩擦力以及刀—工接触区温度不断升高。当挤压量增大到一定程度时，将引起加工过程中环槽两侧的刀—工摩擦面上出现滞流与冷焊，从而导致已加工表面出现鳞刺，使已加工表面质量恶化。

4 刀具对环槽两侧面的熨压机理

刀具两侧副后刀面对环槽两侧面的熨压机理随着熨压层厚度的变化而有所不同。熨压层厚度较小时，刀具与工件表面微观凸峰相互接触，切削过程中刀具副后刀面上微观凸峰对工件表面上较高的微观凸峰进行切削、划擦，若刀具副后刀面上微观凸峰的切削厚度达到临界值，则形成碎小切屑;否则，刀具副后刀面表面凸峰只对工件已加工表面凸峰进行耕犁，迫使被耕犁的凸峰向周边波谷流动，从而降低已加工表面微观凸峰高度。在这一阶段中，刀—工接触面以峰点之间的接触为主，因此摩擦力较小，工件表面材料变形小。随着熨压层厚度的增加，刀—工接触面上的缝隙被填满。由于环槽两侧对称，环槽两侧与刀具两侧接触区容让条件很差，从而使刀—工接触面上正压力急剧升高，被挤压层金属塑性变形加剧。随着熨压层厚度的进一步增加，刀具两侧副切削刃前方出现切削层金属的隆起、滞流，此时刀—工接触面上正压力、摩擦力及挤压层塑性变形均达到最大值，已加工表面晶粒大量破碎并且开始出现细小的鳞刺，肉眼看上去亮度较差，出现苍白的已加工表面。

在切削加工过程中，随着刀具的磨损，刀具刃口钝圆半径也逐渐增大，从而使最大挤压层厚度逐渐增大，刀具两侧副切削刃前方隆起、滞流现象越来越严重。隆起高度超过临界值的部分即变为切屑。此时流入刀—工挤压面的已不再是具有润滑油膜的已加工表面，而是副切削刃前方滞流层底下导裂后形成的新鲜表面。在此情况下，刀—工接触面极易发生冷焊现象。冷焊现象发生后，已加工表面质量急剧恶化，刀具失效。图5 是环槽切削刀具刀尖处副后刀面发生冷焊现象后的粘屑情况照片。

图5 副后刀面的粘屑照片(50 倍)

5 结束语

综上所述，精切活塞环槽过程中，随着刀具的逐渐磨损，刀尖圆弧及刀刃钝圆半径不断增加，从而导致刀具两侧副后刀面对环槽两侧面熨压量的增加。刀具对环槽两侧的熨压(或挤压与摩擦) 分为三个阶段：第一阶段主要是刀具两侧面对环槽两侧面进行峰点式熨压，熨压后表面光亮，如图2 中的l2 段，第二阶段主要是刀具两侧面对环槽两侧面进行面接触式的熨压，熨压后表面苍白，该阶段对应于图2 中的l1 段，第三阶段是刀具两侧面对环槽两侧面的挤压过程中出现大面积冷焊现象，此时刀具因不能保证已加工表质量而失效。

在生产实践中，上述第一、第二阶段在刀具寿命周期内一般都会出现，第三阶段是否出现与刀具刃磨质量、切削用量参数等因素有关。多数情况下第三阶段出现之前刀具因宽度方向磨损已失效。