2 多刃車刀改善加工表面質量的機理

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
   
   
   
   
   
   

   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s_F也相對較大，通過與冷塑性變形引起的殘余壓應力s_B相互抵消，最終可減小工件表面殘余應力s_殘，計算方法為
   s_殘=s_F-s_B=aEDt-s_B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。
   
   
   
   
   
   
   
   

   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)]
   
   
   
   
   

   
   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。