切削溫度對零件表面質量的影響

劉文萍

?

切削溫度對零件表面質量的影響

劉文萍

（大連海洋大學 應用技術學院機械工程系，遼寧 瓦房店 116300）

零件表面質量優劣對零件使用性能和使用壽命有著重要影響，切削溫度是影響表面質量的主要原因之一。本研究首先論述在工件表面的形成過程中產生的積屑瘤、刀具磨損、表面金相組織變化等物理現象與切削溫度的必然聯系，然后依據金屬切削原理和生產實踐經驗，深入探討各物理現象對零件表面粗糙度、加工硬化和表面殘余應力影響的內在原因，最后結合實際加工中積累的經驗和理論分析結果，提出一些降低切削溫度改善表面質量有效措施。

表面質量；切削溫度；刀具磨損；殘余應力

已加工表面質量是指工件經過切削加工后表面層所處于的狀態，包括表面微觀幾何形狀即表面粗糙度、表面層的加工硬化和表面的殘余應力。表面粗糙的零件，因其實際接觸面積遠遠小于理論接觸面積，會降低部件的接觸剛度，增加系統變形。對于配合表面，會因磨損使配合間隙加大，改變配合性質，影響運動平穩性。已加工表面層的不均勻硬化現象會增加零件的脆性，零件受沖擊力作用時表層金屬易裂紋或剝落，導致表面快速破損或疲勞破壞。表面層在殘余拉應力作用下會出現微裂紋，抗疲勞性變差，使剛度差的零件發生變形影響形狀精度[1]。總之，工件表面質量對工件使用性能有很大影響。由金屬切削原理可知，刀具切削過程中所消耗的功（變形功和摩擦功），大部分都轉換成切削熱。切削熱產生以后，將由三個變形區向刀具、已加工表面和切屑傳散，整個切削區的溫度逐漸升高。吸熱多又不易散熱的部位溫度最高。加工方法不同傳散的比例也不一樣。一般車削加工切屑帶走熱量較多，磨削加工由于形成碎屑，若不使用切削液絕大多數熱量傳散到已加工表面，對表面質量影響很大。

1 切削溫度對實際表面粗糙度的影響

表面粗糙度的形成主要有兩方面：一是由于刀具與工件的相對運動和刀具幾何參數形成的理論粗糙度；二是切削過程中不穩定因素如積屑瘤、刀具磨損等原因形成的實際粗糙度。而積屑瘤、刀具磨損都是因為受切削溫度影響而產生的重要物理現象。

1.1 積屑瘤的生成

積屑瘤是切屑與前刀面劇烈摩擦而產生的一個物理現象。切削速度對切屑與刀面之間的摩擦系數有很大影響。在低速階段，因為切削溫度低，切屑與前刀面的實際接觸面積小，所以摩擦系數小。隨著切削速度的提高，切削溫度也隨著升高，底層金屬延展性變好，切屑與前刀面間的實際接觸面積增大，摩擦系數也增大[2]。所以在中等速度范圍內摩擦系數最大。

此時當切削塑性材料，切屑沿前刀面流出，與前刀面產生劇烈摩擦，結果使底層金屬晶粒被拉伸纖維化，切屑流動速度逐漸降低，這層流速較慢的金屬稱為滯流層。在適當的溫度和壓力下，滯流層金屬就粘附在前刀面上。當粘結面積足夠大時，與前刀面的粘結力足以抵抗切削力沿前刀面的切向分力，底層金屬就會停留在前刀面上成為積屑瘤[3]。所以生成積屑瘤的必要條件之一就是適宜的溫度。形成的積屑瘤如圖1所示（H為積屑瘤的高度）。

1.2 積屑瘤對實際粗糙度的影響

在切削中積屑瘤時而成長，時而脫落，一方面脫落的碎片會粘附在已加工表面上，增大了已加工表面的粗糙度值；另一方面，粘附在前刀面上的積屑瘤較為穩定時還包過刃口，雖然能代替刀刃切削，但切出的表面是不平整的。由于積屑瘤的輪廓是不規則的，最終在已加工表面上沿著切削刃相對于工件運動的方向，會刻劃出一道道大小不一的溝痕[3]。雖然刀刃不平整也能在表面形成溝痕，通常深10 μm左右，但積屑瘤切出的溝痕深度可達100 μm。如高速鋼機用鉸刀鉸孔，只要條件合適，積屑瘤便在主、副刀刃連接的地方生成，會在孔壁上切出螺旋形溝痕；非高速切削螺紋時，在螺紋兩側面也會由積屑瘤切出深溝，加大了表面粗糙度值。

圖1 積屑瘤

1.3 切削溫度對刀具磨損影響

隨著切削過程進行，刀面上的金屬微粒一點點流失，使刀具喪失了原有的幾何形狀，這種現象稱為刀具磨損。刀具磨損是加工過程中又一對加工質量有很大影響的物理現象。造成刀具磨損的主要原因就是熱效應磨損，即由切削熱引起的物理化學綜合作用所造成的，一般包括粘結磨損、氧化磨損和擴散磨損[3]。

在中等速度范圍溫度適宜，摩擦系數最大，刀面和切屑之間最易產生粘結現象，粘結點由于相對運動會破裂，破裂面發生在刀面上，造成刀具粘結磨損。擴散磨損是由于在高溫下元素的化學活性高，刀具和工件中的化學元素擴散到彼此中去，降低了刀具原有的硬度，加劇了磨損，溫度越高，元素擴散的速度越快，故擴散磨損成為高溫下切削刀具磨損的重要原因。在高溫條件下切削，還會有氧化反應，就是空氣中的氧或者切削液中的硫磷等元素與刀具中的元素發生化學反應生成硬度較低的化合物，造成刀面的微粒流失[4]。為了提高切削效率，實際生產大都是中高速范圍切削。綜上所述，造成刀具磨損的根本原因就是切削溫度，溫度越高，刀具磨損越快。

1.4 刀具磨損對表面粗糙度影響

刀具磨損后，會在前刀面上出現形如跑道的環狀凹面，邊緣逼近刀刃，削弱刀刃強度，而在后刀面上會出現寬度不一、后角為零的磨損棱面，棱面平均寬度用表示，如圖2所示。磨損的刀具喪失了原有的形貌和參數，刀面的粗糙度值加大，刃口鈍圓半徑增大，鋒利性下降，摩擦擠壓現象嚴重，為積屑瘤的形成提供有利條件，將在已加工表面上擠壓出明顯的隆起；同時刀刃不再平整，呈細小鋸齒狀，會在已加工表面切出許多互相平行的劃痕，表面微觀的形狀誤差變大；刀具磨損還增大摩擦，切削溫度升高，進一步加劇刀具磨損甚至破損，表面質量越來越差。

圖2 刀具磨損示意圖

2 切削溫度對殘余應力的影響

在無外力作用下，零件表層存在的暫時保持平衡的力稱為殘余應力，其產生的過程是一個復雜的過程，伴隨著嚴重不均勻的變形。通常引起的原因主要有兩個方面：一是熱應力引起的不均勻熱彈塑性變形，其次是切削熱引起表層金屬的相變。

2.1 熱應力引起的不均勻熱彈塑性變形

由金屬切削過程知道，被切金屬轉變為切屑時，因經歷幾次強烈的塑性變形而產生變形熱，同時后刀面與加工表面之間摩擦面上也還將產生摩擦熱。實驗表明，高速切削碳鋼時，刀面與切屑底層因劇烈摩擦產生的熱量多、又不易傳散，溫度可高達600～800 ℃。金屬表面會因受熱膨脹發生熱塑性變形，溫度高的工件表層體積增大，深層溫度低金屬體積變化不大。故里層金屬要牽制表層熱膨脹，表層因塑性變形產生壓應力，里層產生拉應力[5]。在切削過后，內外層的溫度下降到室溫，表層冷卻收縮多，由于已產生塑性變形，且受到下層的牽制，使表層存在殘余拉應力，里層存在殘余壓應力。例如，使用YT15刀具，切削45鋼外圓表面，刀具前角γ＝0°，鈍圓半徑r＝0.06 mm，切削速度v＝1.67 m/s，外圓表面層由熱塑性變形產生的殘余拉應力大約180 MPa左右；拉削圓孔時，孔壁在主運動方向殘余應力性質為拉應力，也是熱塑性變形引起的。

2.2 切削熱引起表層金屬的相變

高速切削或磨削加工時，由于產生了大量的切削熱，在工件的加工區及其鄰近的區域，溫度會急劇升高，當切削溫度達到工件材料的金相組織變化的臨界溫度時，會發生金相組織改變。不同的金相組織因體積不同導致表面殘余應力的產生。若加工時表層金屬發生相變形成奧氏體，使用冷卻液冷卻后就變為馬氏體。馬氏體的體積比奧氏體大，所以表面膨脹卻受里層金屬的牽制，則表面呈現壓應力，里層存在拉應力[6]。如果溫度達到馬氏體轉變溫度，馬氏體將轉變為體積較小的組織，則表面應力性質正相反。例如干磨淬火鋼，產生大量磨削熱，使工件表層溫度達到相變溫度Ac3，馬氏體轉變為奧氏體，體積縮小，但又受到底層金屬的阻礙作用不讓收縮，這樣表層金屬就產生殘余拉應力，里層金屬產生殘余壓應力。當殘余應力超過工件材料的強度極限時，工件表面就會產生磨削裂紋，深約0.1～0.4 mm。殘余應力較小時，在工件使用過程中因應力失去平衡也會形成裂紋，降低使用性能。對于重要表面必須采用先進工藝技術，消除殘余應力的影響，保證工件表面的完整性。

3 切削溫度對加工硬化的影響

如前所述，溫度升高加速刀具磨損，后刀面形成一段后角等于零的磨損棱面，而且原來鋒利的刃口變鈍化，鈍圓半徑r增大。在這種條件下，金屬層受到刃口強烈的擠壓作用和磨損的后角為零的后刀面劇烈磨擦作用，加工表面下的一薄層金屬晶粒受到扭曲、破碎、拉長等破壞，塑性變形加劇，由于變形強化，使表面層的硬度比被切金屬的原始硬度有了很大的提高，這就是加工硬化現象[7]。刀具磨損越嚴重塑性變形越劇烈，硬化程度和硬化層深度也越大。在表面層內部由于塑性變形逐漸減小，硬化程度逐漸弱化。摩擦擠壓硬化示意圖如圖3所示。塑性高的材料，如不銹鋼1Cr18Ni9Ti，伸長率為40%，約是45鋼的2.5倍，切削后表面層硬度是金屬材料基體硬度的2.2倍，硬化嚴重。實驗表明，對磨鈍后鈍圓半徑r達到0.5 mm的刀具，重新刃磨減小到0.005 mm時，能使硬化層深度降低40%。

圖3 表面加工硬化形成

已加工表面的冷硬現象除給下一道工序的加工造成困難，硬化層金屬因包含著很多微觀裂紋及互相不連接的脆性結構，因而容易產生局部磨損，且集中于裂紋上的應力使加工表面的疲勞強度、耐沖擊性降低和抗腐能力減弱。

4 結語

綜上所分析不難發現，切削溫度會影響表面質量。降低切削溫度有助于提高零件的表面質量。降低溫度主要從兩方面著手：一是減少切削熱的產生，二是充分的冷卻，改善散熱性。綜合實踐中的經驗，可以采用以下措施來降低切削溫度：適當增大刀具前角，提高刀具的鋒利性，減小切削力，減小功率消耗，由此減少切削熱的生成；精加工時采用具有一定潤滑性能水溶性冷卻液如高濃度乳化液，一方面減少因摩擦帶來的熱量，另一方面還可帶走大量的切削熱降低表面層溫度；可以采用耐熱性好的刀具，進一步提高切削速度,避開生成積屑瘤的速度范圍，不但有助于減小表面粗糙度，還能提高加工效率[8]；也可適當減小進給量、提高刀具刃磨質量等。合理運用以上措施，能較好的減少熱量的產生，改善散熱性降低溫度，有效的提高表面質量。

[1]翟元盛. 精密超薄切削加工機理及其表面質量的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[2]谷萬龍. 鈦合金的金剛石精密切削技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[3]周澤華. 金屬切削原理與刀具[EB/OL]. http://www.doc88.com/p-639728136836.html，2008-01-05.

[4]李建華. 刀具磨損原因分析及改善措施[J]. 機械制造與自動化，2009（6）：39-40.

[5]王素玉. 高速銑削加工表面質量的研究[D]. 濟南：山東大學，2007.

[6]金志博. 基于有限元方法的鎳基高溫合金拉削性能研究[D]. 沈陽：東北大學，2010.

[7]李德寶. 金屬切削中工件表層加工硬化模擬[J]. 工具技術，2004，38（4）：14-16.

[8]楊曉俊. 平面銑削表面質量與加工效率的理實對照研究[J]. 機械，2016（11）：63-64.

The Influence of Cutting Temperature on the Surface Quality of Parts

LIU Wenping

( Department of Mechanical Engineering, Applied Technology College of Dalian Ocean University, Wafangdian 116300, China )

The surface quality of parts has an important influence on the service performance and service life of the parts, and cutting temperature is one of the main factors affecting the surface quality. This study mainly analyzes the effect of cutting temperature on the surface quality. Firstly, the author discusses the inevitable connection between physical phenomena, such asbuilt-up edge, tool wear and the change of surface metallographic structure and cutting temperature during the formation process of the surface of the workpiece, and then based on metal-cutting principles and practical experience in production, discuss the inherent reasons of the physical phenomenon of stress influence on surface roughness, the work-harden and the residual stress. Finally, some effective measures to reduce the cutting temperature to improve the surface quality are put forward in combination with the accumulated experience and theoretical analysis in actual processing.

surface quality；cutting temperature；tool wear；residual stress

TG506

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.006

1006－0316 (2018) 10－0028－04

2018－01－26

劉文萍（1970－），女，遼寧普蘭店人，碩士，副教授，主要研究方向為機械加工。