魏飛

(南陽理工學(xué)院，河南南陽 473004)

圖1 零件圖

某校車間在加工一批零件孔 (見圖1)時(shí)，在最后的一道精加工工序，總是不能保證被加工錐孔的粗糙度，造成零件不合格，成了生產(chǎn)中的一大難題。工件材料為45號鋼，毛坯經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，熱處理硬度為HB 210～250。最后的一道精加工工序所用刀具是材料為W18Cr4V的成型刀，切削速度為vc=80～106 m/min，單邊進(jìn)給量為f=0.05mm/r。加工的結(jié)果是在整個(gè)壁厚中間位置出現(xiàn)粗糙度偏高的現(xiàn)象。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，是刀具上的積屑瘤所致。分別從工件材料、刀具前角、切削速度、切削液等幾方面分析積屑瘤的形成原因，并采取以下措施進(jìn)行改進(jìn):(1)降低或提高切削速度;(2)采用潤滑性能好的切削液;(3)增大刀具前角;(4)適當(dāng)提高工件材料的硬度;(5)降低前刀面的表面粗糙度。改進(jìn)后，再進(jìn)行加工就不再產(chǎn)生積屑瘤，孔的粗糙度值合格。通過這一實(shí)例對積屑瘤在加工過程中對工件精度的影響進(jìn)行全面的分析。

1 積削瘤的產(chǎn)生過程

在加工工件的過程中，切屑沿前刀面流出時(shí)，與前刀面發(fā)生摩擦，以其剛切離的新鮮表面擦拭前刀面，將前刀面上有潤滑作用的氧化膜和吸附膜帶走。隨著切削的不斷進(jìn)行，切削底面與前刀面之間的接觸面積增大，壓力增大，同時(shí)切削溫度也升高。當(dāng)溫度和壓力增加到一定程度時(shí)，切屑底層的金屬就會(huì)粘結(jié)到前刀面上。在后續(xù)切屑的推動(dòng)下，切屑底層便與上層發(fā)生剪切滑移而分離開來，切屑底層金屬粘附在前刀面上，與切屑脫離。如此逐層在前刀面上堆積，最后長成積屑瘤。長成后的積屑瘤受外力作用或振動(dòng)影響會(huì)發(fā)生局部斷裂或脫落。積屑瘤的產(chǎn)生、成長、脫落過程是在短期內(nèi)進(jìn)行的，并在切削過程中不斷地周期出現(xiàn)。如圖2所示，它是在一定的壓力和溫度條件下，切屑的底層部分 (稱為滯留層)與切屑分離并粘接在前刀面上形成的。

圖2 積屑瘤

2 積屑瘤的特點(diǎn)及對加工工件的影響

(1)積屑瘤的硬度很高，一般為被加工材料的2～3倍，當(dāng)它覆蓋在切削刃上，在相對穩(wěn)定時(shí)，可以代替切削刃進(jìn)行切削，從而減少刀具磨損，對切削刃有一定的保護(hù)作用，提高刀具耐用度。但是在積屑瘤不穩(wěn)定的情況下，使用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具切削時(shí)，積屑瘤的碎片還可能嵌入工件表面造成硬質(zhì)點(diǎn)，積屑瘤的破裂有可能使高速鋼或硬質(zhì)合金顆粒脫落，使刀具磨損加劇。

(2)積屑瘤使刀具的實(shí)際前角增大 (如圖2所示)，減小了切削變形，而使切削力減小。積屑瘤越高 (Hb)實(shí)際前角越大。

(3)影響工件尺寸和表面粗糙度。積屑瘤的前端伸出在切削刃之外，伸出量為Δac，即切削厚度增大了Δac，因而影響了工件的加工尺寸。由于積屑瘤的產(chǎn)生、長大與脫落有一定的周期性，故Δac值是變化的，因而有可能引起振動(dòng)。積屑瘤不穩(wěn)定的頂部容易破裂，其不斷變動(dòng)的結(jié)果是使加工表面非常粗糙。破碎的積屑瘤，除一部分被切屑帶走外，一部分會(huì)流入刀具—工件接觸區(qū)，對工件表面形成“犁溝”，使加工表面變得粗糙。

3 減小積屑瘤的措施

由上可見，積屑瘤對切削過程的影響，既有有利的一面，也有不利的一面。但是，在精加工中必須注意抑制或避免積屑瘤。作者采取的措施如下:

(1)控制加工時(shí)的切削速度。由圖3可以看出:在低速切削 (vc≤3 m/min)中碳鋼時(shí)，切削溫度較低;而在高速切削時(shí) (vc≥60 m/min)，切削溫度較高，在這兩種情況下，刀具和切屑之間的摩擦均較小，不易粘結(jié)，也就不易形成積屑瘤;切削速度在兩者之間時(shí)，有積屑瘤產(chǎn)生，而在中速時(shí) (vc=20 m/min)積屑瘤高度最大。很低或很高的切削速度，即是避開積屑瘤產(chǎn)生的速度范圍。切削速度與積屑瘤高度Hb的關(guān)系如圖3所示。

(2)采用潤滑性能好的切削液。切削時(shí)能否正確使用切削液對刀具壽命、工件的加工質(zhì)量都有重大的影響。正確選用切削液，可以降低切削力和切削溫度，減緩刀具磨損，減小工件、刀具熱變形和表面粗糙度值，達(dá)到保證加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率的目的。由于硫化油在高溫時(shí)形成牢固的吸附膜，潤滑和冷卻效果非常好，因此在生產(chǎn)中廣泛使用。硫化油是在礦物油中加入動(dòng)植物油和硫化鯨油或硫化棉籽油配置而成的，其含硫量為10%～15%。作者在最后一道精加工工序時(shí)，為保證工件的精度和表面質(zhì)量、延長刀具的使用壽命，選用含硫化棉籽油的切削油。

(3)增大刀具前角。刀具前角增大，可以減小切屑的變形、切屑與前刀面的摩擦、切削力和切削熱，可以減小作用在前刀面上的正壓力從而有效抑制積屑瘤的生成，減小積屑瘤的高度，故精加工時(shí)一般都采用較大的前角。當(dāng)前角γ0＞35°時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。但前角過大，會(huì)削弱刀具的強(qiáng)度，刀具的散熱條件也變差，刀具溫度升高快，會(huì)加快刀具的磨損，對切削不利。通過綜合考慮，采用前角γ0=25°～30°的高速鋼車刀。

(4)適當(dāng)提高工件材料的硬度。材料塑性太大的工件，切削時(shí)塑性變形大，容易產(chǎn)生積屑瘤。工件材料適宜加工的硬度為HB160～230，硬度過高時(shí)，不但難以加工，而且刀具容易磨損，能量耗費(fèi)較多;但硬度過低時(shí)，切削加工中易粘刀，使刀具發(fā)熱和磨損，且加工后零件表面光潔度也很差。由于零件要求具有較好的綜合機(jī)械性能，所以作者對毛坯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。鋼經(jīng)正火和調(diào)質(zhì)處理后的硬度值很接近，但重要的結(jié)構(gòu)零件一般都進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理而不采用正火。這是因?yàn)檎{(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體，其中滲碳體成顆粒狀，而正火得到的索氏體中滲碳體成片狀，因此，鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后不僅強(qiáng)度高，而且塑性與韌性更顯著地超過了正火狀態(tài)。這樣可以有效抑制積屑瘤的產(chǎn)生，便于切削加工，并能獲得較好的光潔度。表1所示為45鋼 (φ20～φ40)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理與正火后的機(jī)械性能的比較。

表1 45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)和正火后的性能比較

圖3 切削速度對積屑瘤的影響

(5)降低前后、刀面的表面粗糙度。降低刀具前刀面的表面粗糙度，提高前刀面的刃磨質(zhì)量，用油石打磨光滑，使粗糙度值為Ra0.2～0.1 μm。這樣可以減小前刀面與切屑的摩擦力，降低切削溫度，抑制積屑瘤的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)加工的性質(zhì)和要求，判斷積屑瘤的利弊。粗加工時(shí)，對工件表面質(zhì)量要求不高，生成的積屑瘤可減小切削力，降低能耗，或者可加大切削用量，提高生產(chǎn)率，同時(shí)積屑瘤還可保護(hù)刀具，減少磨損，這時(shí)積屑瘤是有利的。精加工時(shí)，對工件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高，而積屑瘤的存在會(huì)影響加工精度和表面質(zhì)量，這時(shí)積屑瘤就是不利的。所以在精加工時(shí)，必須設(shè)法避免和抑制其產(chǎn)生。

［1］王運(yùn)炎.金屬材料與熱處理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［2］高美蘭.金工實(shí)習(xí)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［3］凌二虎，徐浩.車削加工禁豈實(shí)例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］冀秀煥.金工實(shí)習(xí)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］劉世雄.金工實(shí)習(xí)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2005.

［6］李華.機(jī)械制造技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［7］李永增.金工實(shí)習(xí)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［8］于文強(qiáng)，張麗萍.金工實(shí)習(xí)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.