關于數控車削過程中積屑瘤成因與消除研究

在數控車削過程中，積屑瘤是一個繞不開的話題。關于它的形成和控制，業界已經有相當的研究。它在科學上的定義是:黏附在刀具切削刃上的工件材料。那么工件材料它是如何粘附在刀具切削刃上的呢？它的形成是有一定條件的。首先，車削加工是一個擠壓過程，刀具切削刃在對工件材料進行快速高溫高壓擠壓時，工件材料的部分高溫切屑會粘附在刀具刃上，如果該部分刀具刃急速冷化，那么這部分切屑就自動粘接在刀具刃上，形成積屑瘤;然后，假使該部分積屑瘤有足夠的硬度，那么它就會代替刀具刃進行切削，硬度不夠就會黏附在被加工體切面，影響到加工產品的質量。從這兩個積屑瘤形成條件出發，我們就可以找到控制積屑瘤的方法。在實際的切削過程中，我們常常可以看見積屑瘤的存在，它一般是以顆粒的形式存在于刀具的刀尖上，呈白色，像焊錫一樣的金屬，與刀刃一樣牢固，很難去除，可以參與切削，這就是我們常見的積屑瘤。從積屑瘤的定義我們明白，第一，積屑瘤不是刀削刃的一部分，而是加工過程中形成的粘附物，所以它具有不穩定性不規則性;第二，在加工材料時它會參與切削，對加工尺寸產生偏移作用，進而影響到加工零件表面美觀和粗糙度。作為對外表美觀和精密度要求非常高的數控車削實踐來說，這些都是不可容忍的。所以，分析積屑瘤的形成，研究如何控制預防積屑瘤有著特別重大的現實意義。

1 積屑瘤的物理成因及其對在切削加工中的作用

1.1 積屑瘤的物理成因

數控車削加工過程，就是利用刀具切削刃對工件材料進行擠壓裂開，成型為機械產品的組成部分或其半成品。在這個擠壓過程中，切削刀具前刀面與工件材料之間有很大的摩擦力，它使兩者接觸部分產生高壓高溫，破壞了切削刃的保護層，為切屑粘附在切削刃上提供條件;同時，由于這種摩擦力的存在，與刀具刃面最近的切屑受力運動緩慢，黏附在刀具刃上，并同時硬化，隨著刀具的日復一日的工作，黏附在刀具刃的硬化的切屑便成為了積屑瘤。

1.2 客觀看待積屑瘤在數控切削中的作用

積屑瘤作為在切削加工過程中出現的產物，它在加工過程中所起的正面作用是極其有限的。雖然，由于積屑瘤足夠硬化，能夠參與刀具切削刃的切削，減小加工材料對刀具的損害，在粗加工時有一定作用。但是，如果對積屑瘤進行機械清除又會加快刀具磨損，不清除的話它又會不斷“長大”影響刀具削切力度，降低其使用壽命。特別是相對于要求更高的數控切削加工，它的不穩定性和不規則性及存在的隨意性，會嚴重影響到加工部件對精度的要求，甚至導致返工，報廢現象的出現。積屑瘤最重要的不利影響就是使加工后的零件表面粗糙度增大。

2 積屑瘤導致的表面粗糙度增大對機械產品的幾點重大影響

2.1 表面粗糙度增大直接降低了機械產品的精度

機械產品的裝配是從零件到套件，部件，組件一步步組裝成的，它們是一個有機的整體。零件是機械產品的最小單元，它的粗糙度不符合要求就會影響到套件，部件等的精度，零件與零件之間配合質量(零件配合表面之間達到規定的配合間隙和過盈的程度)影響到裝配后機械產品的配合性質，積屑瘤通過影響粗糙度增大，使裝配配合質量下降，改變了零部件的配合性質，降低了機械產品的精度，使產品出現品質隱患。

2.2 表面粗糙度對機械產品的零件抗磨損能力有重要影響

據不完全統計，機械產品超過四分之三的報廢零件是因為磨損，所以，零件抗磨損能力直接影響到機械產品的質量。雖然零件的耐磨性和其材料屬性，潤滑因素有關，但存在積屑瘤的情況下造成的零件表面粗糙度增大影響很大。粗造度增大，零件與零件之間表面接觸首先是突起點接觸，這樣突出點受力增大，會出現擠裂變形，造成機械性質的磨粒磨損，隨著機械產品的不斷運轉，零件受損越來越嚴重。

2.3 表面粗糙度對零件疲勞極限和抗腐蝕的直接影響

機械產品的零件是有疲勞極限的，表面粗糙度越低，應力集中越小，疲勞極限也越高。而積屑瘤對零件表面粗糙度的增大作用，拉低了零件的疲勞極限，增加了零件無效的概率。同時，表面粗糙度的增大，零件與零件接觸面之間微小的空隙也就增多增大，空隙間的氣體(普遍含有水分)會對零件表面產生腐蝕，使零件的金屬性能發生改變，影響零件的使用壽命。

3 積屑瘤對數控車削實際操作的影響

在數控車削實際操作過程中，積屑瘤會時刻影響到我們。積屑瘤在具體操作中的存在是一個動態的過程，甚至時有時無，這種動態的存在會改變前刀面和基面間傾斜程度，使得前刀面對工件材料的切削力度有偏差，引起切削過程中刀具刃的微震動，使刀具刃磨損加快。

3.1 積屑瘤對刀具刃的保護作用

黏附在刀具刃上的積屑瘤硬度高過刀具刃口，會參與到切削工作中來，從這一方面來說，間接減緩了刀具刃的磨損速度。這是積屑瘤在切屑過程中的一個有利影響。

3.2 積屑瘤加大了工件材料的誤差值

積屑瘤是加工過程中黏附在刀具刃上的，其大小寬窄具不可控制性，在加工圖紙中無法預估其數值，加大了加工后零件的誤差值。

3.3 積屑瘤增大了加工零件的粗糙度。

由于黏附在刀具刃上的積屑瘤形狀極其不規則和不穩定，在進行數控車削操作時，便會在已加工零件表面形成凹凸不平，寬窄不一的犁溝。不單單在平面切削時會有犁溝的出現，在進行鉸孔加工時，由于積屑瘤在主刀具刃和副刀具刃交界處的的存在，會在孔壁上加工出螺旋形的犁溝;在使用慢速切削進行螺紋加工時，積屑瘤也會在螺紋內外留下犁溝的痕跡。這些犁溝的存在，使得零件的粗糙度增大，這種影響是時時刻刻無處不在的。

4 影響積屑瘤形成的因素和積屑瘤的預防與控制

積屑瘤產生在高壓力高溫度和強摩擦力的切削環境中，工件材料和刀具刃的相互作用之下，刀具的使用環境，工件材料的屬性，以及切削的速度和厚度都對積屑瘤的形成有直接的影響，而通過對這些因素的研究，就可以預防和控制積屑瘤。

4.1 影響積屑瘤形成的因素

(1)工件材料的屬性。金屬的硬度和塑性成反比，硬度越低，塑性越大，其產生積屑瘤的可能性越高。實踐證明，在切削硬度極高塑性極大的脆性材料時幾乎不產生積屑瘤。

(2)刀具前角的大小。通過增大前刀面和基面間的夾角(即刀具前角)可以改變切屑在切削過程中的形狀以及和前刀面的摩擦力，調低切削力和切削熱，達到減小積屑瘤產生的目的。

(3)切削速度的快慢。在極低速度下操作不會產生積屑瘤。切削速度越快，刀具刃與工件材料的摩擦越大，導致溫度升高，積屑瘤增加。但這種增加是有一定極限的。在切削速度快到一定值，溫度升高到某點時，積屑瘤反而越來越小。在切削中碳鋼的操作時發現，這個溫度臨界點是300°C。在低于零界點時，速度越快，積屑瘤越多;高于臨界點時，速度越快，積屑瘤越少，達到800°C時，積屑瘤現象將消失。

(4)切屑厚度的大小。在切削硬度小，塑性大的工件材料時，切屑與前刀面接觸面積會隨著切削厚度的增加而增大，切削力也會隨之增大，增加積屑瘤形成的幾率。

4.2 積屑瘤的預防與控制

在要求精度不高的粗加工時，積屑瘤的存在增大了工作前角，降低了加工時的溫度，減少了刀具刃的磨損。但在對精度要求相對高的精加工時，由于積屑瘤的不規則和不穩定性，會影響到機械產品的質量，必須采取有效措施，防止和控制積屑瘤的產生。

(1)在條件允許下，運用一定的物理方法，提高工件材料的硬度屬性。例如使用淬火工藝，可以增加碳素鋼的硬度，減少積屑瘤。實踐證明，當工件材料的硬度達到50HRC(洛氏硬度)時，不會產生積屑瘤。

(2)適當增大刀具前角。增大刀具前角，可以減小切屑與刀具刃的摩擦力，降低切削溫度，減小積屑瘤生成的可能性。

(3)掌握不同工件材料的切削速度與積屑瘤形成的關系。切削速度與切削時的溫度正向相關，切削時的溫度與積屑瘤產生有密切關系，不同材料切削速度與積屑瘤產生的關系是不一樣的。例如，一般鋼材，切削速度大于120米每秒或小于5米每秒時，積屑瘤的產生可能性較低。

(4)采用質量較好的切削液。在切削一些硬度低，塑性大的工件材料時，采用一些潤滑性能好的切削液，不但可以減少刀具刃的磨損，還能減少切屑和刀具刃前刀面的摩擦，間接降低了加工區域的溫度，減少積屑瘤的產生。

(5)經常檢查和矯正刀具前刀面的粗糙度。加工時，前刀面和工件材料直接接觸，如果它的粗糙度太大，不但會影響到工件材料的粗糙度，而且會加大切屑與前刀面的摩擦力，給積屑瘤產生創造了機會。

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