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鳞刺对表面质量的影响及抑制措施 |
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作者：十堰职业技术学院 许明涛 余元强 |
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1 鳞剌现象
金属材料在切削过程中，往往在零件表面上出现不同程度的鳞刺现象，而且因材料不同、切削用量不同、刀具刃几何角度不同，表现出来的鳞刺高低程度也不同。有资料表明，在较低的切削速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀具，切削一些常用的塑性金属材料时，在车、刨、插、钻、拉、滚齿、车螺纹、铰螺纹、板牙等加工工序中，都可能出现鳞刺。鳞刺对零件表面质量有严重影响，使零件表面层产生残余应力，进而使零件表面容易产生微裂纹，降低零件的疲劳强度。对于装配零件，装配后，实际接触表面减小、接触刚度降低，影响机器的工作精度。由此可知，鳞刺是切削加工中获得较好的表面质量的一大障碍。
2 鳞刺的形成过程及原因
鳞刺形成的开始是抹拭阶段，这时前一鳞刺已经形成，新鳞刺还未出现，切屑沿着前刀面流出，切屑以刚切离的新鲜表面抹拭刀的前面，将前刀面上起润滑作用的吸附膜逐渐拭净，切屑和前刀面的摩擦系数逐渐加大，切屑底层金属流速降低，金属纤维被拉长，出现“滞流”现象，当接触面间切削刃处的压力、温度增加到一定程度时，切屑底层中的切应力超过材料的剪切强度，滞流层金属流速为零，此时切屑和刀具就发生冷焊现象如图1(a)所示，切屑停留在前刀面上，暂时不沿前刀面流出，且代替前刀面挤压待切削层，这时切削刃的前下方切屑与加工表面之间出现一裂口，如图1(b)所示，由于切削运动的连续性，切屑一旦滞留在前刀面上，便代替刀具继续挤压切削层，使切削层中受到挤压的金属转化为切屑，而这部分新成为切屑的金属，将逐层地积聚在起挤压作用的那部分切屑的下方，这些金属一旦积聚并转化为切屑，便立即参加挤压切削层的作用，如图1(c)所示。随着层积过程的发展，切削厚度将逐渐增大，切削力随之增大，切削抗力也随之增大，切屑沿前面流出时的水平推力也增大。
图1 鳞刺形成过程各阶段示意图
当层积金属达到一定厚度后，水平分力也随之增大到能够推动切屑重新流出的程度，于是切屑又重新开始沿前刀面流出，同时切削刃便刮出鳞刺的顶部，一个鳞刺的形成过程使告结束，紧接着又开始另一个新鳞刺的形成过程，如图1(d)所示。
从前面的鳞刺形成的过程看，金属材料尤其是塑性金属材料在切削加工过程中，导致鳞刺形成的原因是前刀面与切屑摩擦形成粘结层并逐渐堆积，切屑在刀具的前刀面上周期性地停滞，代替刀具的前刀面挤压切削层，加剧了金属的塑性变形。切削层金属的积聚，使切削层增大并向切削线以下延伸，导致切削刃前方的加工面上产生导裂，当切削力超过粘结力时，切屑流出并被切离而导裂层残留在已加工表面上形成鳞刺。需要说明的是积屑瘤对鳞刺也有影响：金属在切削加工过程中，常常有一些从切屑或工件上带来的金属层积并冷焊在前刀面上，形成硬度很高的金属块，它能代替刀面和刀刃进行切削，这一小硬块就是积屑瘤。由于积屑瘤使用其圆钝的前端挤压切削层，使切削层中的金属大部分成为切屑流出，而很小一部分周期地冷焊和层积在积屑瘤的前端，层积到一定高度后，便被积屑瘤刮顶而成为鳞刺。从另一个方面讲，积削瘤的存在，导致刀具的切削角度变化，由切削瘤代替切削刃切削，刀具的锋利程度下降，刀具变钝，更容易造成切削层在刀具的前刀面上层积，增大切削抗力，致使切削表面撕裂，形成鳞刺(如图2)，积屑瘤周期地形成鳞刺并使积削瘤前端周期地破碎(为此，积屑瘤加剧鳞刺的形成，使加工表面质量严重下降。
图2 积屑瘤对鳞刺的影响示意图
3 切削因素的影响及抑制措施
影响鳞刺的主要因素有：切削速度、切削深度、刀具的前角、工件的材质和切削液。
1）切削速度
切削速度主要是通过切削温度来影响鳞刺，温度在一定范围时，刀和屑间的摩擦系数最大，容易产生切削层的层积，切削速度是影响切削温度的主要因素，在某一适中切削速度范围内容易形成鳞刺。通过实践发现，切削速度低时，开始出现鳞刺但高度较小，鳞刺的高度随着切削速度的提高而增大，达到一定速度时便减小，最后消失。
2）切削厚度
如果在同一切削速度下，切削厚度增大时，切削温度和力及与切屑接触长度随之增大，因此，鳞刺形成及高度随着切削厚度增大而增大。
3）刀具的前角
刀具的前角增大时，前刀面上的法向力减小，切削温度降低，切屑变形减小，当切削速度低时，鳞刺的高度随前角增大而下降，但切削速度高时，随着切削温度的升高，鳞刺的高度却随着前角增大而增大。
4）材质
在实践中发现，在较低的切削速度下，经过调质处理的工件，切削后鳞刺较大；正火处理的工件较小。但在较高的切削速度下，情况完全不一样，经调质处理的工件产生鳞刺高度较小，正火退火处理的工件较高。
5）切削液及其他
切削液的使用，可以有效控制切削温度，减少摩擦，采用润滑冷却性能很好的切削液可以防止和抑制鳞刺产生和生长。选用与工件材料化学亲和性差的刀具材料，也可以抑制鳞刺产生。
4 结语
综上所述，影响鳞刺的因素有很多，但不难发现，切削速度是影响鳞刺产生的关键，我们从实际生产过程中总结发现。在车螺纹、钻孔、攻丝等切削速度较低的情况下，可以采用以下措施来抑制鳞刺。减少切削深度，适当增大前角，采用润滑性能较好的冷却液，进一步降低切削速度或人工加热切削区。若在精加工表面时，切削速度较高，可以采用硬质合金刀具，并进一步提高切削速度，或将工件切削加工前作调质处理，适当减小刀具的前角等，采取这些措施的目的在于提高切削温度，抑制鳞刺的生长，达到提高表面的质量的目的。 (end)
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(12/28/2006) |
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