機(jī)械工件切削中鱗刺問題的探析

1 鱗刺的成因

鱗刺是在工件已切削加工表面上產(chǎn)生魚鱗片狀的倒刺，其根部晶粒與基體材料的晶粒相互交織，沒有明顯的界限，表面微觀呈一定高度的鱗刺狀，幾乎于切削速度方向垂直。

近年來隨著核心素養(yǎng)的提出與發(fā)展，深度學(xué)習(xí)逐漸成為教育領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，數(shù)學(xué)深度學(xué)習(xí)的研究也已取得了一定的成果．?dāng)?shù)學(xué)深度學(xué)習(xí)是指在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程；它與淺層學(xué)習(xí)相區(qū)別，不是簡單的知識記憶，而是對學(xué)習(xí)內(nèi)容有整體認(rèn)知[9]．?dāng)?shù)學(xué)課堂留白藝術(shù)的運(yùn)用為學(xué)生深度學(xué)習(xí)提供了空間，有助于學(xué)生調(diào)動已有的活動經(jīng)驗(yàn)解決問題，梳理數(shù)學(xué)知識間的聯(lián)系，構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)體系，提升學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)．

在制作鋼筋籠的過程中，會選用分段式方式，所以應(yīng)對鋼筋籠焊接質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)化地檢查。如果鋼筋籠的長度較長，應(yīng)盡量選擇使用套筒連接的方法。選擇在鋼筋頭一般的位置錯開連接，并在滿足鋼筋籠制作工程標(biāo)準(zhǔn)的情況，及時進(jìn)行安放處理。在鋼筋籠入孔方面，要保證其始終處于垂直狀態(tài)，在與孔位對準(zhǔn)的時候即可以較慢的速度下放。而在下放環(huán)節(jié)，不允許出現(xiàn)鋼筋籠主體和孔壁的碰撞問題，以免導(dǎo)致塌孔亦或是鋼筋籠變形的問題發(fā)生。

通過分析金屬切削機(jī)理，得出鱗刺的成因主要有二個方面：一是在低速切削加工時，同于某些金屬物質(zhì)與切削刀具的黏結(jié)存積，而導(dǎo)致即將切離的切屑根部發(fā)生斷裂，從而在已加工表面層留下金屬被撕裂的大量細(xì)裂紋，形成鱗刺；二是工件在積屑瘤產(chǎn)生的高發(fā)切削速度加工時，會在刀具前刀面靠近切削刃的部位上產(chǎn)生積屑瘤。隨著切削繼續(xù)進(jìn)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，積屑瘤破碎分裂片或粘留或刺入在已加工表面上，形成鱗刺。(圖1)

對于懸浮架在列車運(yùn)行過程中幾何方位不斷變化下的測量，通過如下兩種情況進(jìn)行比較分析。第一種情況為：在同一位置時，懸浮架保持水平姿態(tài)進(jìn)行測量，此時4個測量點(diǎn)的坐標(biāo)分別A(x1,z1)、B(x2,z2)、C(x3,z3)、D(x4,z4)。第二種情況為：在水平狀態(tài)的基礎(chǔ)上，沿z向移動b，并繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ，此時4個測量點(diǎn)的坐標(biāo)分別為Am(x1,m,z1,m)、Bm(x2,m,z2,m)、Cm(x3,m,z3,m)、Dm(x4,m,z4,m)。

切削速度是刀具切削刃上的某一點(diǎn)相對于待加工表面在主運(yùn)動方向上的瞬時速度。切削速度主要是通過切削溫度來影響鱗刺，在一定的溫度下，刀具和切屑間的摩擦系數(shù)最大，并容易形成切削層的層積

。切削速度是影響切削溫度的主要因素，在某一適中切削速度范圍內(nèi)容易形成鱗刺。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，積屑瘤與鱗刺是伴隨出現(xiàn)的。切削速度低時，開始出現(xiàn)積屑瘤與鱗刺，但高度較小，高度隨著切削速度的提高而增大，達(dá)到一定速度時便減小，甚至最后消失

。生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)切削速度大于120 m·min

或小于15m·min

時，加工工件表面光潔度良好。因此在實(shí)際加工中，為獲得較高的生產(chǎn)效率，一般采用高性能刀具進(jìn)行高速切削，這樣可以減小工件的表面粗糙度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。(圖2)

2 對工件的危害

在切削加工塑性較低的金屬工件時，宜選取較大前角，最大可達(dá)30°；對于中等塑性變形的金屬材料的切削，其前角應(yīng)在20°以下；對于高錳鋼或銅合金等具有塑性較大的高強(qiáng)度材料進(jìn)行切削時，應(yīng)選擇不超過10°的較前角；在對淬火鋼材進(jìn)行切削時，應(yīng)選擇用0°～10°的前角度。

使用切削液可以有效地控制切削溫度，降低摩擦力。選用具有良好潤滑冷卻效果的切削液，配合使用與工件材料化學(xué)親和性較低的刀具材料，可以預(yù)防和抑制鱗刺生成。粗加工時，應(yīng)選用較高冷卻效果的切削液，如低濃度的乳化液；在高速或低速精加工時，應(yīng)選用具有良好潤滑性能的高濃度乳化液或極壓切削油等；在銅合金及有色金屬切削過程中，一般不采用含有硫化物的切削液，以免產(chǎn)品工件被腐蝕

。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用CA6140型普通臥式車床車削15#鋼(外圓直徑Φ60mm，長度200mm)、切削速度60m/min、切削深度0.8mm、進(jìn)給量0.4mm/r的相同的車削條件下，僅改變刀具的前角，對工件的表面粗糙度有著明顯的影響

。(表1)

3 對策

鱗刺增大了工件的表面粗糙度，從而降低了產(chǎn)品的合格率。要降低工件表面的粗糙程度，改善工件的表面質(zhì)量，就需要對其進(jìn)行預(yù)防和減少鱗刺的產(chǎn)生。影響鱗刺的主要因素是：切削速度、切削進(jìn)給量、背吃刀量、刀具的前角、刀具的材質(zhì)、工件的材質(zhì)和切削液。改善措施的實(shí)施主要是為了解決以上問題。

3.1 盡量采用高速切削

在所有切削加工工序中，都可能產(chǎn)生鱗刺。因材料不同、切削用量不同、刀具刃幾何角度不同，表現(xiàn)出來的鱗刺高低程度也不同。特別是在較低的切削速度下(小于15m·min

)，用高速鋼、硬質(zhì)合金或陶瓷刀具，切削一些常用的塑性金屬材料時，更容易出現(xiàn)鱗刺

。

3.2 減小切削進(jìn)給量

待在家里的那幾天，父親的臉笑成了一朵花，我卻犯了愁：一是連著幾日，我都沒有找到合適的養(yǎng)老院；二是我不知道該怎樣跟父親提這件事。

3.3 減小背吃刀量

背吃刀量即切削深度：垂直于進(jìn)給速度方向的切削層最大尺寸，也就是工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離。在安排工件車削用量時，必須嚴(yán)格遵守機(jī)床使用說明書規(guī)定的允許切削用量。背吃刀量的選擇要根據(jù)機(jī)床、夾具和工件的剛度以及機(jī)床的功率來確定。在工藝系統(tǒng)允許的情況下，粗車盡可能選取較大的背吃刀量；精車則相反，盡量選擇較小的背吃刀量，這樣可以使機(jī)床的剛性加工性更容易地對工件進(jìn)行切削，從而避免或減少工件表面鱗刺。(圖4)

3.4 增大刀具前角

刀具前角是指正交平面中測量的前刀面與基面之間的夾角。前角增大時，使切削刃更加鋒利，同時減小前刀面與切屑底層的摩擦，減小刀具與切屑接觸區(qū)的壓力，切削溫度降低，切屑變形減小。當(dāng)切削速度低時，鱗刺的高度隨前角增大而下降，但切削速度高時，隨著切削溫度的升高，鱗刺的高度卻隨著前角增大而增大。

填充層采用直流反接工藝，焊接過程中由于在熄弧處易出現(xiàn)弧坑裂紋，所以在收弧時應(yīng)使焊條向后回壓收弧，或采用斷弧2～3次的方式進(jìn)行熄弧，以增加熄弧處的厚度，減小裂紋的形成幾率。由于熔池的流動性較差、凝結(jié)速度較快，中間易出現(xiàn)凸起兩側(cè)夾溝的現(xiàn)象，所以在焊接過程中，可采用反月牙運(yùn)條方式，擺動寬度最大不得超過焊條直徑的3倍，當(dāng)單道寬度超過此值時，應(yīng)進(jìn)行分道焊接。

鱗刺的存在不僅影響機(jī)械產(chǎn)品的外觀精美程度，還將直接導(dǎo)致工件表面質(zhì)量下降，工件的表面粗糙度值增大2～4級，從而降低了產(chǎn)品的合格率，是加工工件獲得較小表面粗糙度的一大障礙。

進(jìn)給量是指刀具在進(jìn)給運(yùn)動方向上相對工件的位移量。切削過程中，減小進(jìn)給量可以減少由于鱗刺與積屑瘤造成的工件粗糙度值。當(dāng)進(jìn)給量增加時，在進(jìn)給方向上切削殘余面積將會增加，刀具切削的載荷也會隨之增大，因此工件的表面粗糙度也會隨之增加。同時隨著金屬去除率的增加，單位時間內(nèi)切削力和切削溫度升高，增大了工件材料塑性變形；同時由于機(jī)床加工功率提高，也會使機(jī)床的振動變得更大，使工件的表面粗糙程度更高。在切削過程中，刀具的進(jìn)給量越小，切削力越小，切削過程中工件的振動越小，工件的溫度越低，表面質(zhì)量越好。(圖3)

對于裝配工件，裝配后實(shí)際接觸表面減少，接觸剛度降低，從而影響設(shè)備的整體配合度和設(shè)備的工作精度。

3.5 選用具有優(yōu)良潤滑特性的切削液

鱗刺使已加工工件表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而使工件表面容易產(chǎn)生細(xì)微裂紋，從而導(dǎo)致其抗疲勞強(qiáng)度下降。

3.6 使用硬質(zhì)合金刀具高速切削

硬質(zhì)合金刀具的摩擦系數(shù)小，耐用度好，在金屬切削加工中具有較高的應(yīng)用價值。鎢鈷合金(YG)的刀具主要應(yīng)用于鋼的切削加工；鎢鈷鈦合金(YT)刀具耐磨性、耐熱性和抗氧化性能好，適合于鋼鐵的加工；碳化鎢(Yw)刀具有良好的耐磨性能，適用于冷硬鑄鐵類產(chǎn)品加工。采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行高速切削(大于120 m·min

)，可以得到更小的工件表面粗糙度和更長的刀具使用壽命。

3.7 預(yù)調(diào)質(zhì)處理

在實(shí)踐中，淬火+高溫回火稱為調(diào)質(zhì)工藝。根據(jù)材質(zhì)的特點(diǎn)，采用個性化的方法，使工件得到細(xì)密的組織，得到較好的回火索氏體和屈氏體，提高其力學(xué)性能，使工件的內(nèi)外應(yīng)力接近平衡狀態(tài)，改善材料的切削性能。實(shí)踐應(yīng)用表明，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的工件，在高速切削加工時，可以減少工件鱗刺的產(chǎn)生，降低工件的表面粗糙度。

3.8 局部加熱切削區(qū)

局部加熱切削加工方法，是一種以金屬組織形態(tài)發(fā)生變化為基礎(chǔ)的切削加工技術(shù)，是將材料科學(xué)的固態(tài)相變理論擴(kuò)展用于切削加工領(lǐng)域。該方法巧妙地利用了高能熱源的熱能效應(yīng)，對被切削工件進(jìn)行加熱，使材料切削部分的硬度和強(qiáng)度降低，從而產(chǎn)生塑性變形(圖5)。加熱溫度升高后，工件材料的剪切強(qiáng)度下降，減少了切削力，減少了功耗，減少了振動，從而提高了切削速度，改善了工件的表面粗糙度；同時由于刀具的耐用性與工件的溫度有關(guān)(當(dāng)工件溫度在810℃左右時刀具的耐用度最大)，因此刀具使用壽命也得到了提高

。

用于切削加工的熱源，常用的方法有：通電加熱、火焰加熱、感應(yīng)局部加熱、傳導(dǎo)電加熱等方法。等離子弧加熱、激光加熱是當(dāng)前最先進(jìn)的加熱方式。這類熱梯度很陡的熱源，加熱溫度能在幾毫秒內(nèi)達(dá)到需要值，并且容易控制和調(diào)節(jié)溫度。許多材料的組織都具有發(fā)生相變時的超塑性特征，在該狀態(tài)下，材料的組織分子間的粘附力最小，切削性能大幅提高；而此狀態(tài)的溫度又大大低于材料熔化前軟化的溫度，因此可以擺脫當(dāng)前難加工材料切削加工難題。

4 結(jié)語

綜上所述，鱗刺的形成受多種因素的影響，不僅影響工件的外觀精美程度，還將直接導(dǎo)致工件表面質(zhì)量下降，粗糙度值增大。通過對加工工藝的分析和生產(chǎn)實(shí)踐證明：采用高速切削、減小切削進(jìn)給量、增大刀具前角、選用具有優(yōu)良潤滑特性的切削液、使用硬質(zhì)合金刀具高速切削、加工前對工件進(jìn)行預(yù)調(diào)質(zhì)處理、局部加熱切削區(qū)域等有關(guān)防止措施后，工件已加工表面的鱗刺大大減少甚至于消失，表面粗糙度大大減小，因而可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。以上幾種工藝如果能結(jié)合加工設(shè)備、加工材質(zhì)等實(shí)際情況綜合應(yīng)用，可以更好的抑制鱗刺的生長，從而提高加工后工件表面的質(zhì)量。

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