車刀幾何角度對(duì)零件表面粗糙度的影響分析

　　摘 要：表面粗糙度對(duì)零件使用性能有很大影響，本文從幾何角度和物理角度對(duì)車削加工過(guò)程進(jìn)行分析，指出車刀幾何角度的合理選擇對(duì)切削殘留高度、積屑瘤以及刀具和工件的相對(duì)剛度都有影響，進(jìn)而影響表面粗糙度的大小。
　　關(guān)鍵詞：表面粗糙度 殘留高度 積屑瘤 車刀幾何角度
　　中圖分類號(hào)：TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2012）09（a）-0063-02
　　表面粗糙度作為表面質(zhì)量的一項(xiàng)重要衡量指標(biāo)，不僅直接決定了機(jī)械產(chǎn)品的外觀精美程度，而且對(duì)機(jī)器的裝配質(zhì)量以及零件的使用壽命都有著很大的影響。表面粗糙度形成的主要原因是切削痕跡殘留高度以及積屑瘤對(duì)已加工表面的刮擦。刀具的幾何角度對(duì)切削痕跡殘留高度以及積屑瘤的形成乃至車削力的大小都有一定程度的影響，因此，選擇合適的車刀幾何角度是降低表面粗糙度的有效措施。
　　1 車刀幾何角度對(duì)表面粗糙度的影響
　　從幾何角度來(lái)說(shuō)，表面粗糙度的大小主要取決于車削時(shí)的刀具殘留痕跡高度，而此高度主要與進(jìn)給量、車刀主偏角、副偏角以及刀尖圓弧半徑有關(guān)。
　　1.1 車削殘留痕跡分析
　　1.1.1 不考慮刀尖圓弧半徑時(shí)的刀具殘留痕跡高度分析
　　圖1中三角形ABC為車削過(guò)程中工件轉(zhuǎn)過(guò)兩周，車刀沿進(jìn)給方向移動(dòng)一個(gè)進(jìn)給量后，在工件表面沿軸向的殘留痕跡，其中，，，邊長(zhǎng)。
　　則△ABC的面積：
　　1.1.2 刀尖圓弧半徑對(duì)殘留高度的影響
　　如圖2所示，當(dāng)考慮到刀尖圓弧半徑時(shí)，車削殘留面積近似等于三角形的面積，其中，， ，邊長(zhǎng)，且刀尖圓弧半徑半徑越大，則邊長(zhǎng)越小。
　　根據(jù)公式（1）和（2）可知，考慮到刀尖圓弧半徑時(shí)，殘留高度 。因此，刀尖圓弧半徑越大，則殘留高度越小，即表面粗糙度值越小。
　　1.2 刀具角度對(duì)積屑瘤的影響
　　1.2.1 積屑瘤產(chǎn)生原因
　　在切削工件時(shí)，由于前刀面的擠壓和磨擦作用，使切屑的底層金屬因流動(dòng)緩慢而形成滯留層，同時(shí)形成大量的切削熱，此時(shí)切屑上的一些小顆粒在高溫高壓的作用下就會(huì)融化軟化黏附在前刀面的刀尖處，因加工硬化形成硬度很高的楔狀物，也就是積屑瘤。
　　當(dāng)積屑瘤因振動(dòng)、沖擊或摩擦而脫落時(shí)，又逐漸形成新的積屑瘤。積屑瘤的脫落和重新生成、長(zhǎng)大，使得切削過(guò)程產(chǎn)生局部波動(dòng)，嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量。
　　1.2.2 刀具角度對(duì)積屑瘤生成的影響
　　產(chǎn)生積屑瘤主要是因?yàn)榍行寂c前刀面摩擦和擠壓產(chǎn)生切削熱，融化小顆粒而形成的楔形硬化物，合理的選擇車刀幾何角度可以有效地防止減小積屑瘤的產(chǎn)生。
　　（1）刀具前角。刀具前角增大可減小切屑的變形、切屑與前刀面的摩擦、切削力和切削熱，從而抑制積屑瘤的產(chǎn)生或減小積屑瘤的高度。（2）刀具后角。后角用以減少刀具主后刀面與零件過(guò)渡表面間的摩擦和主后刀面的磨損，配合前角調(diào)整切削刃的鋒利程度與強(qiáng)度；直接影響加工表面質(zhì)量和刀具耐用度。
　　1.3 車刀幾何角度對(duì)工藝系統(tǒng)剛度的影響
　　1.3.1 加工工藝系統(tǒng)剛度
　　在車削加工中，由車床、夾具、工件和車刀構(gòu)成的車削加工過(guò)程整體稱為加工工藝系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)力變形的大小取決于工藝系統(tǒng)抵抗變形的能力，衡量這種能力的指標(biāo)是工藝系統(tǒng)剛度。在切削力、傳動(dòng)力、慣性力、夾緊力以及重力的作用下，各組成要素將產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，從而改變了刀具和工件間的正確位置，引起加工誤差，不僅影響零件的加工精度，而且影響其表面粗糙度。
　　1.3.2 車刀幾何角度對(duì)系統(tǒng)剛度的影響
　　（1）主偏角。主偏角的大小影響切削斷面形狀和切削分力的大小。減小主偏角，則主切削刃參加切削長(zhǎng)度增加，增大了散熱面積，使刀具壽命得到提高。但減小主偏角卻使吃刀抗力增加。當(dāng)加工剛性差的零件時(shí)，為了避免零件產(chǎn)生變形和振動(dòng)，常采用較大的主偏角。（2）副偏角。副偏角的作用是為了減少副切削刃與零件已加工表面之間的摩擦，防止切削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。（3）刀具前角和刀具后角。刀具前角和刀具后角的大小決定了車刀的鋒利程度，同時(shí)也會(huì)對(duì)車刀的剛度產(chǎn)生影響。刀具前角和刀具后角越大，則車刀越鋒利，產(chǎn)生的摩擦熱和切削力越小，但是刀尖處的剛度勢(shì)必也會(huì)降低。
　　2 車刀幾何角度的合理選用
　　2.1 刀具角度選擇的幾何因素
　　切削殘留痕跡的形狀是刀具幾何形狀的復(fù)映，其殘留高度的大小與刀具的進(jìn)給量、刀具刀尖圓弧半徑及刀具的主偏角、副偏角有關(guān)。
　　（1）適當(dāng)選擇主偏角，雖然從幾何因素分析主偏角越小，則殘留高度越小，表面粗糙度值越小；但在背吃刀量一定的情況下，如果主偏角越小，則刀具與工件間接觸長(zhǎng)度越大，產(chǎn)生的切削熱越多，則更容易產(chǎn)生積屑瘤。（2）一般減小副偏角尤其是使用=0°的修光刃，對(duì)減小表面粗糙度甚為有效。但修光刃不能過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)引起振動(dòng)，反而使表面粗糙度增大。一般只要比進(jìn)給量稍大一些即可。（3）適當(dāng)增大刀尖圓弧半徑。但如果機(jī)床剛性不足，刀尖圓弧半徑過(guò)大，會(huì)使徑向切削分力增大而產(chǎn)生振動(dòng)，反而使表面粗糙度值增大。
　　2.2 刀具角度選擇的物理因素
　　從積屑瘤的產(chǎn)生機(jī)理來(lái)看，增大前角可以有效地抑制積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，從而降低表面粗糙度。
　　（1）適當(dāng)增大刀具前角和后角。在保證刀尖剛度的前提下，增大刀具前角，可以有效地抑制積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，從而達(dá)到降低表面粗糙度的目的。當(dāng)前角一定時(shí)，后角越大，切削刃鈍圓半徑越小，刀刃越鋒利；增大后角還能減小后刀面與已加工表面間的摩擦和擠壓，有利于減小加工表面粗糙度值。但后角太大時(shí)，積屑瘤易于流到后刀面，同時(shí)容易產(chǎn)生切削振動(dòng)，使加工表面粗糙度值反而增加。（2）合理刃磨，降低前刀面的表面粗糙度。前刀面的表面粗糙度直接影響著車削工件的表面粗糙度。
　　在選擇車削刀具時(shí)，除了合理的選擇刀具材料，通過(guò)刀具的刃磨來(lái)得到合理的車刀幾何角度就顯得十分重要。
　　3 結(jié)語(yǔ)
　　車削零件的表面粗糙度主要取決于殘留高度的大小以及積屑瘤的影響，為了提高零件表面質(zhì)量，在減小進(jìn)給量，增大工件轉(zhuǎn)速并選擇合適的切削液的同時(shí)，選擇合理的車刀幾何角度，有利于降低車削零件的表面粗糙度。
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