多刃車刀改善加工表面質量的機理分析

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:2988

 

1 引言


在車削加工中,加工表面質量通常隨著切削深度的增加而降低,因此,為達到加工表面質量要求,往往不得不減小切削深度,采用多次車削來切除加工余量。多刃車刀的應用則可有效緩解加工表面質量與加工效率之間的矛盾。







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圖1 兩刃車刀加工原理


多刃車刀的結構相當于將多把單刃車刀組合在一起。以兩刃車刀為例,其加工原理如圖1所示。設第一切削刃的切削深度為ap1,第二切削刃的切削深度為ap2,其最大切削深度為各切削刃切削深度之和,即ap=ap1+ap2。當切削深度小于ap2時,第一切削刃懸空,只有第二切削刃工作。根據“先粗后精”的加工原則,各切削刃的切削深度應依次遞減,即ap1>ap2。與普通車刀相比,多刃車刀可在滿足相同表面質量要求條件下增大切削深度,提高加工效率。同時,當加工余量一定時,采用多刃車刀可提高加工精度等級,降低加工表面殘余應力,減輕車床顫振,改善工件表面質量。多刃車刀適用于光軸、通孔、圓柱體工件等的加工,但用于加工階梯軸時需適當加寬退刀槽,對應用范圍有一定限制。

2 多刃車刀改善加工表面質量的機理


機械加工表面存在表面粗糙度、波度等表面幾何形狀誤差和表面層的物理、機械性能變化。在車削加工中,影響工件表面質量的因素主要有表面粗糙度、冷作硬化、表面殘余應力、表面波度等。采用多刃車刀可有效改善工件表面質量。

  1. 表面粗糙度
    采用多刃車刀可減小每一切削刃的切削深度,從而減小切削力及工件材料的塑性變形,因此可獲得較小的表面粗糙度。另外,由于切削層較薄,切削刃與金屬材料的冷焊作用較小,可減少積屑瘤、鱗刺的生成。因此,采用多刃車刀可顯著提高工件表面粗糙度。

  2. 冷作硬化
    在切削加工中,金屬表層的塑性變形使晶體間產生剪切滑移、晶格扭曲并發(fā)生晶粒拉長、破碎及纖維化,從而引起金屬材料的冷作硬化。冷作硬化可使工件表層硬度和強度提高,韌性降低,變得硬脆,影響加工表面質量。由于采用多刃車刀可減小材料塑性變形,因此可降低冷作硬化程度。此外,由于多個切削刃相距較近,切削熱較難散發(fā),可使刀刃與工件表層接觸區(qū)溫度升高,部分抵消冷作硬化作用。

  3. 表面殘余應力






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    圖2 塑性變形產生的殘余應力


    在切削加工中,當表層材料相對基體材料發(fā)生形狀和體積變化時,在加工表面層將產生殘余應力,其大小隨深度而變化,外層應力與表層一基體材料交界處的應力方向相反,相互平衡。圖2a、2b分別表示由冷塑性變形和熱塑性變形引起的殘余應力。加工時,在切削力作用下,已加工表面層因受拉應力而產生伸長塑性變形,表面積趨向增大,此時已加工表面層處于彈性變形狀態(tài)。切削力去除后,工件里層恢復原狀,但外層受塑性變形影響不可能完全恢復原狀,因而在表層產生殘余壓應力,里層則產生相應拉應力與之平衡,這就是冷塑性變形引起的殘余應力。
    熱塑性變形引起殘余應力的機理為:加工時,工件表層在切削熱作用下產生熱膨脹,而里層基體材料受溫度影響較小,使表層熱膨脹受到限制而產生壓應力。當切削溫度超過材料彈性變形范圍后,表層將產生熱塑性變形。切削加工結束后,溫度下降,材料膨脹恢復,但表層因產生熱塑性變形不能完全恢復,因此在表層塑性區(qū)產生了殘余拉應力,基體材料中則產生與之平衡的壓應力。切削過程中的冷塑性變形與熱塑性變形產生的殘余應力方向相反,可相互抵消一部分。但因切削加工中冷塑性變形較大,熱塑性變形較小,所以表面殘余應力總體上表現(xiàn)為壓應力。
    采用多刃車刀加工時,由于切削熱不易散發(fā),切削溫度較高,因此產生的熱塑性變形及引起的殘余拉應力sF也相對較大,通過與冷塑性變形引起的殘余壓應力sB相互抵消,最終可減小工件表面殘余應力s,計算方法為
    s=sF-sB=aEDt-sB
    式中:a——線性膨脹系數
    E——彈性模量
    Dt——溫升
    由圖3所示材料屈服強度曲線可知,TB/sub>越高,則sB越小,sF越大,故s殘隨溫升增大較快。







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    圖3 溫度與殘余應力的關系


  4. 表面波度  
        工件表面波度主要由加工系統(tǒng)的顫振引起。當車床徑向切入加工時,若切削過程受到一個瞬時擾動,使工件與刀具產生相對振動,就會在工件表面留下一段波紋;在下一轉切削時,刀具在帶波紋表面切削,切削厚度的變化會引起切削力波動,這種在動態(tài)切削力作用下引起的加工激振稱為再生顫振。圖4所示的刀具與工件相對振動位移分別為Ya和Yb,其方程為 { Ya=|Y|cos(wt+y)
    Yb=|Y|coswt








        1. 切削厚度隨時間變化的分量為
          u(t)=Ya-Yb=|Y|[coswt(cosy-1)-sinwtsiny]
          =-|Y|2sin(y/2)[sinwtcos(y/2)+coswtsin(y/2)]
          =2|Y|sin(y/2)cos[wt+(p/2+y/2)]



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          圖4 刀具與工件的相對振動位移

              由于多刃車刀每個切削刃的初相位不同(分別為y1、y2、…),因此切削厚度隨時間變化的分量u(t)也各不相同,即每一時刻各個切削刃的切削厚度不同,這樣就破壞了加工系統(tǒng)的再生顫振,從而減小加工表面波度。

            多刃車刀由于具有多個切削刃,在車削加工中可減小加工表面粗糙度和表面殘余應力,部分消除工件表面冷作硬化和加工系統(tǒng)的再生顫振,從而可有效提高被加工工件的表面質量。

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