刘文萍
切削温度对零件表面质量的影响
刘文萍
(大连海洋大学 应用技术学院机械工程系,辽宁 瓦房店 116300)
零件表面质量优劣对零件使用性能和使用寿命有着重要影响,切削温度是影响表面质量的主要原因之一。本研究首先论述在工件表面的形成过程中产生的积屑瘤、刀具磨损、表面金相组织变化等物理现象与切削温度的必然联系,然后依据金属切削原理和生产实践经验,深入探讨各物理现象对零件表面粗糙度、加工硬化和表面残余应力影响的内在原因,最后结合实际加工中积累的经验和理论分析结果,提出一些降低切削温度改善表面质量有效措施。
表面质量;切削温度;刀具磨损;残余应力
已加工表面质量是指工件经过切削加工后表面层所处于的状态,包括表面微观几何形状即表面粗糙度、表面层的加工硬化和表面的残余应力。表面粗糙的零件,因其实际接触面积远远小于理论接触面积,会降低部件的接触刚度,增加系统变形。对于配合表面,会因磨损使配合间隙加大,改变配合性质,影响运动平稳性。已加工表面层的不均匀硬化现象会增加零件的脆性,零件受冲击力作用时表层金属易裂纹或剥落,导致表面快速破损或疲劳破坏。表面层在残余拉应力作用下会出现微裂纹,抗疲劳性变差,使刚度差的零件发生变形影响形状精度[1]。总之,工件表面质量对工件使用性能有很大影响。由金属切削原理可知,刀具切削过程中所消耗的功(变形功和摩擦功),大部分都转换成切削热。切削热产生以后,将由三个变形区向刀具、已加工表面和切屑传散,整个切削区的温度逐渐升高。吸热多又不易散热的部位温度最高。加工方法不同传散的比例也不一样。一般车削加工切屑带走热量较多,磨削加工由于形成碎屑,若不使用切削液绝大多数热量传散到已加工表面,对表面质量影响很大。
表面粗糙度的形成主要有两方面:一是由于刀具与工件的相对运动和刀具几何参数形成的理论粗糙度;二是切削过程中不稳定因素如积屑瘤、刀具磨损等原因形成的实际粗糙度。而积屑瘤、刀具磨损都是因为受切削温度影响而产生的重要物理现象。
积屑瘤是切屑与前刀面剧烈摩擦而产生的一个物理现象。切削速度对切屑与刀面之间的摩擦系数有很大影响。在低速阶段,因为切削温度低,切屑与前刀面的实际接触面积小,所以摩擦系数小。随着切削速度的提高,切削温度也随着升高,底层金属延展性变好,切屑与前刀面间的实际接触面积增大,摩擦系数也增大[2]。所以在中等速度范围内摩擦系数最大。
此时当切削塑性材料,切屑沿前刀面流出,与前刀面产生剧烈摩擦,结果使底层金属晶粒被拉伸纤维化,切屑流动速度逐渐降低,这层流速较慢的金属称为滞流层。在适当的温度和压力下,滞流层金属就粘附在前刀面上。当粘结面积足够大时,与前刀面的粘结力足以抵抗切削力沿前刀面的切向分力,底层金属就会停留在前刀面上成为积屑瘤[3]。所以生成积屑瘤的必要条件之一就是适宜的温度。形成的积屑瘤如图1所示(H为积屑瘤的高度)。
在切削中积屑瘤时而成长,时而脱落,一方面脱落的碎片会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,粘附在前刀面上的积屑瘤较为稳定时还包过刃口,虽然能代替刀刃切削,但切出的表面是不平整的。由于积屑瘤的轮廓是不规则的,最终在已加工表面上沿着切削刃相对于工件运动的方向,会刻划出一道道大小不一的沟痕[3]。虽然刀刃不平整也能在表面形成沟痕,通常深10 μm左右,但积屑瘤切出的沟痕深度可达100 μm。如高速钢机用铰刀铰孔,只要条件合适,积屑瘤便在主、副刀刃连接的地方生成,会在孔壁上切出螺旋形沟痕;非高速切削螺纹时,在螺纹两侧面也会由积屑瘤切出深沟,加大了表面粗糙度值。
图1 积屑瘤
随着切削过程进行,刀面上的金属微粒一点点流失,使刀具丧失了原有的几何形状,这种现象称为刀具磨损。刀具磨损是加工过程中又一对加工质量有很大影响的物理现象。造成刀具磨损的主要原因就是热效应磨损,即由切削热引起的物理化学综合作用所造成的,一般包括粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损[3]。
在中等速度范围温度适宜,摩擦系数最大,刀面和切屑之间最易产生粘结现象,粘结点由于相对运动会破裂,破裂面发生在刀面上,造成刀具粘结磨损。扩散磨损是由于在高温下元素的化学活性高,刀具和工件中的化学元素扩散到彼此中去,降低了刀具原有的硬度,加剧了磨损,温度越高,元素扩散的速度越快,故扩散磨损成为高温下切削刀具磨损的重要原因。在高温条件下切削,还会有氧化反应,就是空气中的氧或者切削液中的硫磷等元素与刀具中的元素发生化学反应生成硬度较低的化合物,造成刀面的微粒流失[4]。为了提高切削效率,实际生产大都是中高速范围切削。综上所述,造成刀具磨损的根本原因就是切削温度,温度越高,刀具磨损越快。
刀具磨损后,会在前刀面上出现形如跑道的环状凹面,边缘逼近刀刃,削弱刀刃强度,而在后刀面上会出现宽度不一、后角为零的磨损棱面,棱面平均宽度用表示,如图2所示。磨损的刀具丧失了原有的形貌和参数,刀面的粗糙度值加大,刃口钝圆半径增大,锋利性下降,摩擦挤压现象严重,为积屑瘤的形成提供有利条件,将在已加工表面上挤压出明显的隆起;同时刀刃不再平整,呈细小锯齿状,会在已加工表面切出许多互相平行的划痕,表面微观的形状误差变大;刀具磨损还增大摩擦,切削温度升高,进一步加剧刀具磨损甚至破损,表面质量越来越差。
图2 刀具磨损示意图
在无外力作用下,零件表层存在的暂时保持平衡的力称为残余应力,其产生的过程是一个复杂的过程,伴随着严重不均匀的变形。通常引起的原因主要有两个方面:一是热应力引起的不均匀热弹塑性变形,其次是切削热引起表层金属的相变。
由金属切削过程知道,被切金属转变为切屑时,因经历几次强烈的塑性变形而产生变形热,同时后刀面与加工表面之间摩擦面上也还将产生摩擦热。实验表明,高速切削碳钢时,刀面与切屑底层因剧烈摩擦产生的热量多、又不易传散,温度可高达600~800 ℃。金属表面会因受热膨胀发生热塑性变形,温度高的工件表层体积增大,深层温度低金属体积变化不大。故里层金属要牵制表层热膨胀,表层因塑性变形产生压应力,里层产生拉应力[5]。在切削过后,内外层的温度下降到室温,表层冷却收缩多,由于已产生塑性变形,且受到下层的牵制,使表层存在残余拉应力,里层存在残余压应力。例如,使用YT15刀具,切削45钢外圆表面,刀具前角γ=0°,钝圆半径r=0.06 mm,切削速度v=1.67 m/s,外圆表面层由热塑性变形产生的残余拉应力大约180 MPa左右;拉削圆孔时,孔壁在主运动方向残余应力性质为拉应力,也是热塑性变形引起的。
高速切削或磨削加工时,由于产生了大量的切削热,在工件的加工区及其邻近的区域,温度会急剧升高,当切削温度达到工件材料的金相组织变化的临界温度时,会发生金相组织改变。不同的金相组织因体积不同导致表面残余应力的产生。若加工时表层金属发生相变形成奥氏体,使用冷却液冷却后就变为马氏体。马氏体的体积比奥氏体大,所以表面膨胀却受里层金属的牵制,则表面呈现压应力,里层存在拉应力[6]。如果温度达到马氏体转变温度,马氏体将转变为体积较小的组织,则表面应力性质正相反。例如干磨淬火钢,产生大量磨削热,使工件表层温度达到相变温度Ac3,马氏体转变为奥氏体,体积缩小,但又受到底层金属的阻碍作用不让收缩,这样表层金属就产生残余拉应力,里层金属产生残余压应力。当残余应力超过工件材料的强度极限时,工件表面就会产生磨削裂纹,深约0.1~0.4 mm。残余应力较小时,在工件使用过程中因应力失去平衡也会形成裂纹,降低使用性能。对于重要表面必须采用先进工艺技术,消除残余应力的影响,保证工件表面的完整性。
如前所述,温度升高加速刀具磨损,后刀面形成一段后角等于零的磨损棱面,而且原来锋利的刃口变钝化,钝圆半径r增大。在这种条件下,金属层受到刃口强烈的挤压作用和磨损的后角为零的后刀面剧烈磨擦作用,加工表面下的一薄层金属晶粒受到扭曲、破碎、拉长等破坏,塑性变形加剧,由于变形强化,使表面层的硬度比被切金属的原始硬度有了很大的提高,这就是加工硬化现象[7]。刀具磨损越严重塑性变形越剧烈,硬化程度和硬化层深度也越大。在表面层内部由于塑性变形逐渐减小,硬化程度逐渐弱化。摩擦挤压硬化示意图如图3所示。塑性高的材料,如不锈钢1Cr18Ni9Ti,伸长率为40%,约是45钢的2.5倍,切削后表面层硬度是金属材料基体硬度的2.2倍,硬化严重。实验表明,对磨钝后钝圆半径r达到0.5 mm的刀具,重新刃磨减小到0.005 mm时,能使硬化层深度降低40%。
图3 表面加工硬化形成
已加工表面的冷硬现象除给下一道工序的加工造成困难,硬化层金属因包含着很多微观裂纹及互相不连接的脆性结构,因而容易产生局部磨损,且集中于裂纹上的应力使加工表面的疲劳强度、耐冲击性降低和抗腐能力减弱。
综上所分析不难发现,切削温度会影响表面质量。降低切削温度有助于提高零件的表面质量。降低温度主要从两方面着手:一是减少切削热的产生,二是充分的冷却,改善散热性。综合实践中的经验,可以采用以下措施来降低切削温度:适当增大刀具前角,提高刀具的锋利性,减小切削力,减小功率消耗,由此减少切削热的生成;精加工时采用具有一定润滑性能水溶性冷却液如高浓度乳化液,一方面减少因摩擦带来的热量,另一方面还可带走大量的切削热降低表面层温度;可以采用耐热性好的刀具,进一步提高切削速度,避开生成积屑瘤的速度范围,不但有助于减小表面粗糙度,还能提高加工效率[8];也可适当减小进给量、提高刀具刃磨质量等。合理运用以上措施,能较好的减少热量的产生,改善散热性降低温度,有效的提高表面质量。
[1]翟元盛. 精密超薄切削加工机理及其表面质量的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.
[2]谷万龙. 钛合金的金刚石精密切削技术研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.
[3]周泽华. 金属切削原理与刀具[EB/OL]. http://www.doc88.com/p-639728136836.html,2008-01-05.
[4]李建华. 刀具磨损原因分析及改善措施[J]. 机械制造与自动化,2009(6):39-40.
[5]王素玉. 高速铣削加工表面质量的研究[D]. 济南:山东大学,2007.
[6]金志博. 基于有限元方法的镍基高温合金拉削性能研究[D]. 沈阳:东北大学,2010.
[7]李德宝. 金属切削中工件表层加工硬化模拟[J]. 工具技术,2004,38(4):14-16.
[8]杨晓俊. 平面铣削表面质量与加工效率的理实对照研究[J]. 机械,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
刘文萍(1970-),女,辽宁普兰店人,硕士,副教授,主要研究方向为机械加工。