精加工中積屑瘤的預(yù)防措施

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，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，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，同時切削溫度也升高。當(dāng)溫度和壓力增加到一定程度時，切屑底層的金屬就會粘結(jié)到前刀面上。在后續(xù)切屑的推動下，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影響會發(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，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，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。積屑瘤不穩(wěn)定的頂部容易破裂，其不斷變動的結(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，切削溫度較低;而在高速切削時 (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，有積屑瘤產(chǎn)生，而在中速時 (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，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，故精加工時一般都采用較大的前角。當(dāng)前角γ0＞35°時，一般不會產(chǎn)生積屑瘤。但前角過大，會削弱刀具的強(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，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，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，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，同時積屑瘤還可保護(hù)刀具，減少磨損，這時積屑瘤是有利的。精加工時，對工件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高，而積屑瘤的存在會影響加工精度和表面質(zhì)量，這時積屑瘤就是不利的。所以在精加工時，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.