機械工件切削中積屑瘤問題的改善對策

蔡 楊

（浙江永成機械有限公司，諸暨 311800）

1 積屑瘤產(chǎn)生機理

在機械工件加工切削的整個過程中，當一定切削速度范圍內(nèi)切削塑性金屬材料能形成連續(xù)切屑時，塑性金屬材料的一小部分積屑通常會粘結(jié)在刀具前刀面靠近切削刃的部位上，形成一塊剖面似鼻狀、硬度為工件材料2～3倍的金屬楔形物，即積屑瘤，如圖1所示。

圖1 積屑瘤產(chǎn)生機理示意圖

積屑瘤是由于切屑與前刀面之間擠壓和摩擦作用而引起的粘結(jié)造成的。隨著切削繼續(xù)進行，積屑瘤將逐漸增大，增大到一定尺寸后，由于切削過程中的沖擊和振動等，積屑瘤或破碎或脫落，之后重復(fù)此過程。

2 影響積屑瘤產(chǎn)生的主要因素

積屑瘤的產(chǎn)生需要具備一定的條件，如切削塑性材料、中等切削速度和形成帶狀切屑。工件的材質(zhì)和切削速度是產(chǎn)生積屑瘤的關(guān)鍵因素。此外，影響積屑瘤產(chǎn)生的因素還有切削厚度、刀具前角以及切削溫度。

具有高塑性變形的工件材料，如低碳鋼、低合金鋼、鋁青銅及鉛青銅等，切削時具有較大的塑性變形，很容易產(chǎn)生積屑瘤。

當切削速度很低（小于15 m·min-1）時，切屑分子的結(jié)合力大于切屑底面與前刀面之間的摩擦力，不易出現(xiàn)積屑瘤。中速切削時，如45#鋼的切削速度為20 m·min-1[1]、切削溫度300 ℃左右時，摩擦系數(shù)最大，積屑瘤容易堆積。當切削速度大于120 m·min-1[2]、切屑溫度較高時，切屑與刀刃接觸面的金屬分子呈微液化狀態(tài)，大大降低了摩擦阻力，不易產(chǎn)生積屑瘤，如圖2所示。

圖2 切削速度對積屑瘤的影響（45#鋼）

當加工塑性金屬材料、切削速度較高、刀具前角較大和刃口鋒利，切屑的滑移尚未到達破裂程度時[3]，則形成連續(xù)不斷且外表面呈毛茸狀而內(nèi)表面光滑的帶狀切屑[4]。帶狀切屑與刀具長時間連續(xù)不斷地磨擦產(chǎn)生高溫，增加了生成積屑瘤的可能性。

3 積屑瘤存在的弊端

3.1 增大已加工表面粗糙度

積屑瘤突出在切削刃上，會刺入工件表面，在工件表面劃出一些與切削速度方向一致的縱向溝紋[5]。一旦瘤體破裂，瘤體一部分附著在切屑底部而排出，另一部分碎片會嵌入工件已加工表面，還有一部分會粘結(jié)在車刀上，對工件表面和車刀產(chǎn)生機械擦傷，從而增大加工表面的粗糙度。

3.2 影響刀具耐用度

由于積屑瘤是一個形成脫落、再形成再脫落的循環(huán)過程，一部分脫落碎片會粘結(jié)在刀刃上，易給刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損。瘤體破碎脫落的瞬間，刀具很可能會受力不勻而導(dǎo)致硬質(zhì)合金顆粒剝落，還會產(chǎn)生輕微的震動沖擊，對切削加工過程可能產(chǎn)生崩刀或報廢的后果，從而一定程度上影響刀具的耐用度。

3.3 影響加工精度

由于積屑瘤的存在，預(yù)先設(shè)定的背吃刀量發(fā)生變化，改變了刀刃的實際位置，將嚴重影響工件的表面光潔度和尺寸公差要求。另外，積屑瘤伸出切削刃之外，會導(dǎo)致切削層深度發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)品工件過度切削，影響工件的尺寸精度。

4 抑制和消除積屑瘤的對策

4.1 采用低速或高速切削

積屑瘤產(chǎn)生的關(guān)鍵因素是切屑面內(nèi)的工作壓力和溫度，而切削速度對切削溫度的高低至關(guān)重要。實際生產(chǎn)中，當切削速度大于120 m·min-1或小于15 m·min-1時，表面光潔度較好，說明積屑瘤很小或沒有。實際加工中，通常選用低速精車外圓或配合使用高性能刀具高速切削，使切屑既不受積屑瘤的影響又可獲得較高的光潔度，從而提高生產(chǎn)效率。

4.2 合理選擇切削用量

在工件粗加工時，應(yīng)選擇較大的切削用量，使余量盡量一次切削完成。對于切削表層有硬皮的鑄件或鍛件時，應(yīng)使背吃刀量大于硬皮或硬化層深度。粗加工時，一般選擇背吃刀量為2～6 mm，每轉(zhuǎn)進給量為0.3～0.6 mm·r-1， 切削速度為1 m·s-1或中速以下。在工件精加工中，應(yīng)選用較小的背吃刀量、較小的進給量、較高或較低的切削速度。精加工時，一般選擇背吃刀量為0.3～1.0 mm，每轉(zhuǎn)進給量為0.03～0.08 mm·r-1，切削速度大于120 m·s-1或＜20 m·s-1。盡量避開積屑瘤產(chǎn)生的區(qū)域。

4.3 增大刀具前角

增大刀具前角可以減小刀具與切屑接觸區(qū)的壓力[6]，降低切削溫度，降低工件加工硬化，延長刀具壽命。

切削加工塑性變形小的金屬材料時，選取較大前角，最大可達30°。當加工中等塑性變形的金屬材料時，應(yīng)選取前角小于20°。加工高錳鋼或鈦合金等塑性變形較大的難加工材料時，應(yīng)選用小于10°的較小前角。加工淬硬鋼時，選用0°～10°的前角。

粗加工時，前角應(yīng)選小些。精加工時，可選擇前角大些。如果操作者具有豐富的切削經(jīng)驗，則在特定切削過程中可以將車刀的實際工作前角再增大2°～3°，使車刀變得更鋒利，以產(chǎn)生更小的切削熱。

4.4 降低前刀面的表面粗糙度

工件切削時由于金屬的變形和摩擦，使切屑和前刀面之間產(chǎn)生很大的工作壓力和很高的溫度。前刀面越粗糙，切屑與前刀面的摩擦越大，會使更多的切屑金屬分子粘結(jié)在前刀面上靠近切削刃處，形成積屑瘤；反之，則切屑與前刀面的摩擦越小，產(chǎn)生的切削熱越低，切屑金屬分子黏結(jié)在前刀面上的機率也越小。因此，合理精細的刃磨車刀能減小切屑與前刀面的摩擦，防止產(chǎn)生積屑瘤。

4.5 提高工件材料硬度

某些工件材料的塑性越大，切削過程中變形越大，車刀面與切屑面間的摩擦系數(shù)和接觸長度就越大，此時最易產(chǎn)生積屑瘤。

適度的熱處理是目前改善材料特性的主要途徑。例如，對低碳鋼、低合金鋼、鋁青銅和鉛青銅等進行正火或調(diào)質(zhì)等，可提高其硬度，改善切削加工性能且易斷屑。

4.6 使用潤滑及冷卻性能好的切削液

在切削易產(chǎn)生積屑瘤的工件材料和加工精度要求高的工件時，采用潤滑性能好的極壓切削油，可使切屑和刀具間形成吸附膜，減小摩擦，使刀具切削刃上不易生成積屑瘤。

粗加工時，應(yīng)選用低濃度的乳化液等冷卻效率高的切削液；高速或低速精加工時，應(yīng)使用潤滑效果好的高濃度乳化液或極壓切削油等。加工銅合金和有色金屬時，通常不使用含硫化油的切削液，防止產(chǎn)品工件腐蝕。

5 結(jié)語

在精加工過程中產(chǎn)生的積屑瘤，嚴重影響了工件加工精度。避免中速切削速、增大刀具前角、減小進給量、降低前刀面粗糙度、提高工件材料硬度以及正確選擇使用冷卻潤滑液，均可抑制或減小積屑瘤產(chǎn)生，從而提高機械工件的加工合格率，對類似的機械加工有一定的參考價值。