车刀几何角度对零件表面粗糙度的影响分析

　　摘 要：表面粗糙度对零件使用性能有很大影响，本文从几何角度和物理角度对车削加工过程进行分析，指出车刀几何角度的合理选择对切削残留高度、积屑瘤以及刀具和工件的相对刚度都有影响，进而影响表面粗糙度的大小。
　　关键词：表面粗糙度 残留高度 积屑瘤 车刀几何角度
　　中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）09（a）-0063-02
　　表面粗糙度作为表面质量的一项重要衡量指标，不仅直接决定了机械产品的外观精美程度，而且对机器的装配质量以及零件的使用寿命都有着很大的影响。表面粗糙度形成的主要原因是切削痕迹残留高度以及积屑瘤对已加工表面的刮擦。刀具的几何角度对切削痕迹残留高度以及积屑瘤的形成乃至车削力的大小都有一定程度的影响，因此，选择合适的车刀几何角度是降低表面粗糙度的有效措施。
　　1 车刀几何角度对表面粗糙度的影响
　　从几何角度来说，表面粗糙度的大小主要取决于车削时的刀具残留痕迹高度，而此高度主要与进给量、车刀主偏角、副偏角以及刀尖圆弧半径有关。
　　1.1 车削残留痕迹分析
　　1.1.1 不考虑刀尖圆弧半径时的刀具残留痕迹高度分析
　　图1中三角形ABC为车削过程中工件转过两周，车刀沿进给方向移动一个进给量后，在工件表面沿轴向的残留痕迹，其中，，，边长。
　　则△ABC的面积：
　　1.1.2 刀尖圆弧半径对残留高度的影响
　　如图2所示，当考虑到刀尖圆弧半径时，车削残留面积近似等于三角形的面积，其中，， ，边长，且刀尖圆弧半径半径越大，则边长越小。
　　根据公式（1）和（2）可知，考虑到刀尖圆弧半径时，残留高度 。因此，刀尖圆弧半径越大，则残留高度越小，即表面粗糙度值越小。
　　1.2 刀具角度对积屑瘤的影响
　　1.2.1 积屑瘤产生原因
　　在切削工件时，由于前刀面的挤压和磨擦作用，使切屑的底层金属因流动缓慢而形成滞留层，同时形成大量的切削热，此时切屑上的一些小颗粒在高温高压的作用下就会融化软化黏附在前刀面的刀尖处，因加工硬化形成硬度很高的楔状物，也就是积屑瘤。
　　当积屑瘤因振动、冲击或摩擦而脱落时，又逐渐形成新的积屑瘤。积屑瘤的脱落和重新生成、长大，使得切削过程产生局部波动，严重影响工件的表面质量。
　　1.2.2 刀具角度对积屑瘤生成的影响
　　产生积屑瘤主要是因为切屑与前刀面摩擦和挤压产生切削热，融化小颗粒而形成的楔形硬化物，合理的选择车刀几何角度可以有效地防止减小积屑瘤的产生。
　　（1）刀具前角。刀具前角增大可减小切屑的变形、切屑与前刀面的摩擦、切削力和切削热，从而抑制积屑瘤的产生或减小积屑瘤的高度。（2）刀具后角。后角用以减少刀具主后刀面与零件过渡表面间的摩擦和主后刀面的磨损，配合前角调整切削刃的锋利程度与强度；直接影响加工表面质量和刀具耐用度。
　　1.3 车刀几何角度对工艺系统刚度的影响
　　1.3.1 加工工艺系统刚度
　　在车削加工中，由车床、夹具、工件和车刀构成的车削加工过程整体称为加工工艺系统。工艺系统力变形的大小取决于工艺系统抵抗变形的能力，衡量这种能力的指标是工艺系统刚度。在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力的作用下，各组成要素将产生弹性变形和塑性变形，从而改变了刀具和工件间的正确位置，引起加工误差，不仅影响零件的加工精度，而且影响其表面粗糙度。
　　1.3.2 车刀几何角度对系统刚度的影响
　　（1）主偏角。主偏角的大小影响切削断面形状和切削分力的大小。减小主偏角，则主切削刃参加切削长度增加，增大了散热面积，使刀具寿命得到提高。但减小主偏角却使吃刀抗力增加。当加工刚性差的零件时，为了避免零件产生变形和振动，常采用较大的主偏角。（2）副偏角。副偏角的作用是为了减少副切削刃与零件已加工表面之间的摩擦，防止切削时产生振动。（3）刀具前角和刀具后角。刀具前角和刀具后角的大小决定了车刀的锋利程度，同时也会对车刀的刚度产生影响。刀具前角和刀具后角越大，则车刀越锋利，产生的摩擦热和切削力越小，但是刀尖处的刚度势必也会降低。
　　2 车刀几何角度的合理选用
　　2.1 刀具角度选择的几何因素
　　切削残留痕迹的形状是刀具几何形状的复映，其残留高度的大小与刀具的进给量、刀具刀尖圆弧半径及刀具的主偏角、副偏角有关。
　　（1）适当选择主偏角，虽然从几何因素分析主偏角越小，则残留高度越小，表面粗糙度值越小；但在背吃刀量一定的情况下，如果主偏角越小，则刀具与工件间接触长度越大，产生的切削热越多，则更容易产生积屑瘤。（2）一般减小副偏角尤其是使用=0°的修光刃，对减小表面粗糙度甚为有效。但修光刃不能过长，否则会引起振动，反而使表面粗糙度增大。一般只要比进给量稍大一些即可。（3）适当增大刀尖圆弧半径。但如果机床刚性不足，刀尖圆弧半径过大，会使径向切削分力增大而产生振动，反而使表面粗糙度值增大。
　　2.2 刀具角度选择的物理因素
　　从积屑瘤的产生机理来看，增大前角可以有效地抑制积屑瘤和鳞刺的产生，从而降低表面粗糙度。
　　（1）适当增大刀具前角和后角。在保证刀尖刚度的前提下，增大刀具前角，可以有效地抑制积屑瘤和鳞刺的产生，从而达到降低表面粗糙度的目的。当前角一定时，后角越大，切削刃钝圆半径越小，刀刃越锋利；增大后角还能减小后刀面与已加工表面间的摩擦和挤压，有利于减小加工表面粗糙度值。但后角太大时，积屑瘤易于流到后刀面，同时容易产生切削振动，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响着车削工件的表面粗糙度。
　　在选择车削刀具时，除了合理的选择刀具材料，通过刀具的刃磨来得到合理的车刀几何角度就显得十分重要。
　　3 结语
　　车削零件的表面粗糙度主要取决于残留高度的大小以及积屑瘤的影响，为了提高零件表面质量，在减小进给量，增大工件转速并选择合适的切削液的同时，选择合理的车刀几何角度，有利于降低车削零件的表面粗糙度。
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