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切削塑性金屬材料能形成連續切屑時，塑性金屬材料的一小部分積屑通常會粘結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造成的。隨著切削繼續進行，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，之后重復此過程。

2 影響積屑瘤產生的主要因素

積屑瘤的產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。工件的材質和切削速度是產生積屑瘤的關鍵因素。此外，影響積屑瘤產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，很容易產生積屑瘤。

當切削速度很低（小于15 m·min-1）時，切屑分子的結合力大于切屑底面與前刀面之間的摩擦力，不易出現積屑瘤。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，大大降低了摩擦阻力，不易產生積屑瘤，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]，則形成連續不斷且外表面呈毛茸狀而內表面光滑的帶狀切屑[4]。帶狀切屑與刀具長時間連續不斷地磨擦產生高溫，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，還有一部分會粘結在車刀上，對工件表面和車刀產生機械擦傷，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過程，一部分脫落碎片會粘結在刀刃上，易給刀具產生粘結磨損。瘤體破碎脫落的瞬間，刀具很可能會受力不勻而導致硬質合金顆粒剝落，還會產生輕微的震動沖擊，對切削加工過程可能產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，預先設定的背吃刀量發生變化，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，會導致切削層深度發生變化，導致產品工件過度切削，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

積屑瘤產生的關鍵因素是切屑面內的工作壓力和溫度，而切削速度對切削溫度的高低至關重要。實際生產中，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，從而提高生產效率。

4.2 合理選擇切削用量

在工件粗加工時，應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。盡量避開積屑瘤產生的區域。

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，產生的切削熱越低，切屑金屬分子黏結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和接觸長度就越大，此時最易產生積屑瘤。

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質等，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，防止產品工件腐蝕。

5 結語

在精加工過程中產生的積屑瘤，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。