机械工件切削中积屑瘤问题的改善对策

蔡 杨

（浙江永成机械有限公司，诸暨 311800）

1 积屑瘤产生机理

在机械工件加工切削的整个过程中，当一定切削速度范围内切削塑性金属材料能形成连续切屑时，塑性金属材料的一小部分积屑通常会粘结在刀具前刀面靠近切削刃的部位上，形成一块剖面似鼻状、硬度为工件材料2～3倍的金属楔形物，即积屑瘤，如图1所示。

图1 积屑瘤产生机理示意图

积屑瘤是由于切屑与前刀面之间挤压和摩擦作用而引起的粘结造成的。随着切削继续进行，积屑瘤将逐渐增大，增大到一定尺寸后，由于切削过程中的冲击和振动等，积屑瘤或破碎或脱落，之后重复此过程。

2 影响积屑瘤产生的主要因素

积屑瘤的产生需要具备一定的条件，如切削塑性材料、中等切削速度和形成带状切屑。工件的材质和切削速度是产生积屑瘤的关键因素。此外，影响积屑瘤产生的因素还有切削厚度、刀具前角以及切削温度。

具有高塑性变形的工件材料，如低碳钢、低合金钢、铝青铜及铅青铜等，切削时具有较大的塑性变形，很容易产生积屑瘤。

当切削速度很低（小于15 m·min-1）时，切屑分子的结合力大于切屑底面与前刀面之间的摩擦力，不易出现积屑瘤。中速切削时，如45#钢的切削速度为20 m·min-1[1]、切削温度300 ℃左右时，摩擦系数最大，积屑瘤容易堆积。当切削速度大于120 m·min-1[2]、切屑温度较高时，切屑与刀刃接触面的金属分子呈微液化状态，大大降低了摩擦阻力，不易产生积屑瘤，如图2所示。

图2 切削速度对积屑瘤的影响（45#钢）

当加工塑性金属材料、切削速度较高、刀具前角较大和刃口锋利，切屑的滑移尚未到达破裂程度时[3]，则形成连续不断且外表面呈毛茸状而内表面光滑的带状切屑[4]。带状切屑与刀具长时间连续不断地磨擦产生高温，增加了生成积屑瘤的可能性。

3 积屑瘤存在的弊端

3.1 增大已加工表面粗糙度

积屑瘤突出在切削刃上，会刺入工件表面，在工件表面划出一些与切削速度方向一致的纵向沟纹[5]。一旦瘤体破裂，瘤体一部分附着在切屑底部而排出，另一部分碎片会嵌入工件已加工表面，还有一部分会粘结在车刀上，对工件表面和车刀产生机械擦伤，从而增大加工表面的粗糙度。

3.2 影响刀具耐用度

由于积屑瘤是一个形成脱落、再形成再脱落的循环过程，一部分脱落碎片会粘结在刀刃上，易给刀具产生粘结磨损。瘤体破碎脱落的瞬间，刀具很可能会受力不匀而导致硬质合金颗粒剥落，还会产生轻微的震动冲击，对切削加工过程可能产生崩刀或报废的后果，从而一定程度上影响刀具的耐用度。

3.3 影响加工精度

由于积屑瘤的存在，预先设定的背吃刀量发生变化，改变了刀刃的实际位置，将严重影响工件的表面光洁度和尺寸公差要求。另外，积屑瘤伸出切削刃之外，会导致切削层深度发生变化，导致产品工件过度切削，影响工件的尺寸精度。

4 抑制和消除积屑瘤的对策

4.1 采用低速或高速切削

积屑瘤产生的关键因素是切屑面内的工作压力和温度，而切削速度对切削温度的高低至关重要。实际生产中，当切削速度大于120 m·min-1或小于15 m·min-1时，表面光洁度较好，说明积屑瘤很小或没有。实际加工中，通常选用低速精车外圆或配合使用高性能刀具高速切削，使切屑既不受积屑瘤的影响又可获得较高的光洁度，从而提高生产效率。

4.2 合理选择切削用量

在工件粗加工时，应选择较大的切削用量，使余量尽量一次切削完成。对于切削表层有硬皮的铸件或锻件时，应使背吃刀量大于硬皮或硬化层深度。粗加工时，一般选择背吃刀量为2～6 mm，每转进给量为0.3～0.6 mm·r-1， 切削速度为1 m·s-1或中速以下。在工件精加工中，应选用较小的背吃刀量、较小的进给量、较高或较低的切削速度。精加工时，一般选择背吃刀量为0.3～1.0 mm，每转进给量为0.03～0.08 mm·r-1，切削速度大于120 m·s-1或＜20 m·s-1。尽量避开积屑瘤产生的区域。

4.3 增大刀具前角

增大刀具前角可以减小刀具与切屑接触区的压力[6]，降低切削温度，降低工件加工硬化，延长刀具寿命。

切削加工塑性变形小的金属材料时，选取较大前角，最大可达30°。当加工中等塑性变形的金属材料时，应选取前角小于20°。加工高锰钢或钛合金等塑性变形较大的难加工材料时，应选用小于10°的较小前角。加工淬硬钢时，选用0°～10°的前角。

粗加工时，前角应选小些。精加工时，可选择前角大些。如果操作者具有丰富的切削经验，则在特定切削过程中可以将车刀的实际工作前角再增大2°～3°，使车刀变得更锋利，以产生更小的切削热。

4.4 降低前刀面的表面粗糙度

工件切削时由于金属的变形和摩擦，使切屑和前刀面之间产生很大的工作压力和很高的温度。前刀面越粗糙，切屑与前刀面的摩擦越大，会使更多的切屑金属分子粘结在前刀面上靠近切削刃处，形成积屑瘤；反之，则切屑与前刀面的摩擦越小，产生的切削热越低，切屑金属分子黏结在前刀面上的机率也越小。因此，合理精细的刃磨车刀能减小切屑与前刀面的摩擦，防止产生积屑瘤。

4.5 提高工件材料硬度

某些工件材料的塑性越大，切削过程中变形越大，车刀面与切屑面间的摩擦系数和接触长度就越大，此时最易产生积屑瘤。

适度的热处理是目前改善材料特性的主要途径。例如，对低碳钢、低合金钢、铝青铜和铅青铜等进行正火或调质等，可提高其硬度，改善切削加工性能且易断屑。

4.6 使用润滑及冷却性能好的切削液

在切削易产生积屑瘤的工件材料和加工精度要求高的工件时，采用润滑性能好的极压切削油，可使切屑和刀具间形成吸附膜，减小摩擦，使刀具切削刃上不易生成积屑瘤。

粗加工时，应选用低浓度的乳化液等冷却效率高的切削液；高速或低速精加工时，应使用润滑效果好的高浓度乳化液或极压切削油等。加工铜合金和有色金属时，通常不使用含硫化油的切削液，防止产品工件腐蚀。

5 结语

在精加工过程中产生的积屑瘤，严重影响了工件加工精度。避免中速切削速、增大刀具前角、减小进给量、降低前刀面粗糙度、提高工件材料硬度以及正确选择使用冷却润滑液，均可抑制或减小积屑瘤产生，从而提高机械工件的加工合格率，对类似的机械加工有一定的参考价值。