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影响车床切削加工表面质量的原因,怎么解决才
作者:郑州外圆磨床加工 时间:2019-02-28     点击:195
在机械加工过程中,由于切屑分离时的塑性变形、工艺系统的振动、刀具与已加工表面间的摩擦等因素的影响,使加工后的工件表面总会存在许多高低不平的微小峰谷。这些零件被加工表面上的微观几何形状误差称为表面粗糙度,它与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、工作精度以及抗腐蚀性等有着密切的关系,直接影响到产品的工作可靠性和使用寿命。钛浩机械是以回转顶尖、丝杠、轴加工、数控车床加工、刀柄刀杆、夹头接杆为公司的主打产品,在车床加工中,常见的影响表面粗糙度过大的表现形式为:刀痕粗糙、积屑瘤引起的硬点毛刺、磨损亮斑、划伤和拉毛等。
 
 
一、车床切削加工时,在已加工表面的各种不光洁的现象,有的很明显,也有的在放大镜才能观察到,其中较常见的有以下几种:
 
1、加工硬化
 
刀具在切削加工过程中,由于工件受到刀具、切屑等高温高压的影响,使工件的已加工表面硬度有所提高,称为加工硬化,主要影响因素是刀具的刃口圆角。
 
2、残留面积:
 
在车床车削外圆时,切削层中残留在已加工表面上未被切除的面积称为残留面积。 通常用残留面积高度的大小来衡量不光洁的的程度,由以往加工经验可以得出减小进给量,减小刀具的主副偏角,增大刀尖的圆弧半径,都可以使残留面积高度减小。钛浩机械是以回转顶尖、丝杠、轴加工、数控车床加工、刀柄刀杆、夹头接杆为公司的主打产品,实际上,在残留面积上还叠加着许多的其他的因素造成的已加工表面的不光洁的现象,致使实际的残留高度比计算值要大些。
 
 
3、积屑瘤:
 
积屑瘤即刀尖上的建筑物。在加工过程中,由于工件材料是被挤裂的,因此切屑对刀具的前面产生有很大的压力,并摩擦生成大量的切削热。在这种高温高压下,与刀具前刀面接触的那一部分切屑由于摩擦力的影响,流动速度相对减慢,形成滞留层。当摩擦力一旦大于材料内部晶格之间的结合力时,滞流层中的一些材料就会粘附在刀具附近刀尖的前刀面上,形成积屑瘤。
 
切削过程中产生积屑瘤时,其突出的切屑粘附在刀尖上,从而代替的刀刃的切入工件,使已加工表面上划出深浅不一的、断断续续的沟纹;当积屑瘤脱落时,部分积屑瘤碎片粘结在已加工表面上形成突出细小的毛刺。
 
 
4、鳞刺:
 
鳞刺实在已加工表面上产生鱼鳞片状的毛刺。出现这种现象使表面粗糙度显著下降。
 
鳞刺的产生原因有四个阶段:
 
第一阶段是抹拭阶段:前刀面上流出的切屑将润滑膜抹净,润滑膜遭到破坏。
 
第二阶段是导裂阶段:在前刀面与切屑间存在较大的挤压力和摩擦力,切屑暂时粘结在前刀面上,并代替了前刀面推挤切削层,使切屑与加工表面产生导裂。
 
第三阶段是层积阶段:前刀面继续推挤切削层,堆积的切削层越来越多,切削力增大,到达一定程度后使切屑克服了与前刀面间的粘结而继续流动。
 
第四阶段是刮成阶段:刀刃刮过,导裂的部分残留在已加工表面上成了鳞刺。
 
 
5、振动:
 
刀具、工件、机床的部件或系统刚性不足的情况下,产生周期性跳动叫做振动,尤其是切削深度较大时或积屑瘤不断产生消失等而引起的。在工件表面上出现纵向或横向的波纹,是表面光洁度明显降低。
 
6、刀刃复映:
 
刀刃不平整、沟痕等在已加工表面留下痕迹。
 
7、拉毛
 
拉毛是在车削加工时,切屑向已加工表面排出,切屑缠绕在工件的已加工表面上,从而使本已已加工好的表面,造成划痕、毛刺等。
 
8、亮斑亮带
 
由于后刀面磨损产生较剧烈的摩擦与挤压后,在已加工表面形成块状或带状的亮块。 此外,当机床的运动精度低,如主轴跳动、进给运动不均匀等,也会使工件表面质量下降。
 
 
二、影响车床切削加工表面质量的因素
 
影响加工硬化、残留面积、鳞刺、振动等因素都会影响已加工工件表面质量。这些表面的缺陷大致由工件材料、刀具材料、刀具的几何角度、切削用量、切削液等方面造成的。
 
1、工件的材料
 
加工塑性材料时,工件材料塑性越低,硬度越高则积屑瘤、鳞刺现象就越少,表面光洁度就越高。因此,高碳钢、中碳钢、调质钢加工后,表面质量比低碳钢要好得多,所以碳钢要经过预先调质热处理,提高钢的综合性能,在进行切削加工能够得到较高的表面质量。钛浩机械是以回转顶尖、丝杠、轴加工、数控车床加工、刀柄刀杆、夹头接杆为公司的主打产品, 加工铸铁时,由于切屑是崩碎状,,故在同样条件下,切削铸铁的表面质量要比碳钢要低。
 
通常加工性能好的材料,加工表面质量要高。反之,表面质量要差。改善材料的加工性能,就能提高工件的表面质量。
 
 
2、刀具的材料
 
刀具材料不同,刃口圆角半径的大小的不同。工具钢、锋钢、硬质合金、陶瓷刀片的圆角半径依次增大。圆角半径越大对以加工表面挤压层越厚,对以加工表面的变形和冷作硬化就越厉害,影响工件表面质量。因此,在精车时,应使圆角半径小些。
 
由于刀具材料的不同,对工件材料的粘附性、摩擦系数也不同,也影响表面质量。例如:加工有色金属采用G8或陶瓷材料、加工不锈钢用W1、中碳钢精车用YT30。
 
 
3、刀具的几何参数
 
(1)前后角
 
增大前角和后角使人口锋利,减小切削抗力和切屑变形,还能较少与工件材料的摩擦。但前后角也不能无限减小,否则切削过程不稳定振动、刀具强度不足等。
 
(2)主负偏角、刀尖圆弧半径
 
这三个影响工件的残留面积高度、切削力的大小及振动影响表面质量。主要还是副偏角和刀尖圆弧半径对工件表面质量影响最大。一般情况下,圆弧半径越大,主副偏角大,工件表面质量就越好,反之就越差,工艺系统刚性不足的情况下,容易引起振动,降低了表面质量。
 
(3)刃倾角
 
刃倾角主要是控制切屑的流向,使以加工表面不致被切屑排除划伤。 刃倾角为正值时,切屑向待加工表面流出;负值时,向以加工表面流出;零值时,向加工表面流出。
 
此外,前后刀面的粗糙度的大小也能复映到工件表面上,表面粗糙度越高,越平整,工件的表面质量就越好,还能减少切屑与刀具的粘结、磨损、摩擦,抑制切屑瘤和鳞刺的产生。
 
 
4、切削用量
 
(1)切削速度
 
切削速度是影响表面质量的重要因素之一。主要影响积屑瘤、鳞刺及振动而影响表面质量的。如在切削45#钢时中等速度V=50m/min加工时容易产生积屑瘤,而低速和高速就不产生积屑瘤。
 
(2)进给量
 
降低进给量可以减小残留面积高度,但切削深度较小,对切削层挤压不足,也会影响表面质量。高速精车切削深度一般在0.8~1.5mm;低速精车一般在0.14~0.16mm
 
5、切削液
 
合理选择切削液,可以提高工件表面质量,粗糙度可以提高1~2级,可以抑制积屑瘤、鳞刺的产生,因此,正确选择使用切削液会有意想不到的效果。如铰铸铁孔时,使用煤油比5#机油要好。
 
 
三、车床切削加工相应的预防措施及排除办法
 
1、 刀痕粗糙
 
刀痕粗糙通常表现为已加工表面经切削后残留下清楚的加工轮廓,刀痕清晰、均匀,但刀痕较粗,这种粗糙度缺陷经常在加大了切削用量的时候产生。进给量、主偏角、刀尖圆弧半径都会影响残留面积高度,解决这种粗糙度缺陷可采取下列措施:
 
(1)在切削时,尽可能减小进给量,使加工细化。但需要注意的是,进给量太小,刀具又钝,切削不能顺利进行,反倒会影响粗糙度。
 
(2)刀具方面,在刃磨刀具时,减小主偏角、副偏角,增大刀尖圆弧半径,都可以降低残留面积高度,减小表面粗糙度。但主偏角太小,刀尖圆弧半径太大,使背向力增加,刀刃会在工件表面打滑或引起振动而影响表面粗糙度。减小副偏角是减小表面粗糙度的有效措施,减小副偏角等于加大了已加工表面修磨面积,对减小表面粗糙度效果较为明显。采用修光刃也是减小残留面积高度的有效措施。适当增大前角,可减小变形,有利于减小表面粗糙度值;适当增大后角,可减小刀具与工件的磨擦和积压,也有利于减小表面粗糙度值,但后角过大,易引起振动。应注意的是,适当增大刀尖圆弧半径,或在副偏角上适当增加一个修光刃,这两项措施必须在工艺系统刚性允许的条件下增设,若工艺系统刚性不允许,会导致机床及工艺系统产生振动,引起工件产生振纹,从而影响表面粗糙度值。
 
 
2、积屑瘤产生硬点毛刺
 
在刀具切削过程中,塑性金属在摩擦和变形的过程中,使切屑与前刀面之间产生了高压、高温。
 
当条件适合时,切屑与前刀面就会产生相当大的摩擦力,当摩擦力大于切屑内部的结合力时,切屑底层的一部分金属与前刀面的刀尖和主切屑刃就会黏结在一起,形成积屑瘤。在切削中,一部分积屑瘤被切屑带走了,而一部分却嵌入了工件已加工表面,造成被切屑层硬度不均匀,导致工件表面形成硬点毛刺,使表面粗糙度的Ra值变大。
 
解决这种情况需采用以下方法:
 
(1)改变切削速度,抑制积屑瘤的生成和增大。产生积屑瘤的因素很多,但是中等切削速度是产生积屑瘤最主要的因素。在切削加工中,切削速度在5m/min以下时,切削的流动缓慢,切削温度较低,切屑与前刀面接触不紧密,只能达到点接触,不会形成积屑瘤;切削速度在70m/min以上的高速切削时,切削温度相当高,导致切屑底层金属变软,同样不会产生积屑瘤。
 
(2)刃磨刀具时,尽量提高刀具前后刃面的表面质量,并经常保持刀刃锋利,可防止加工中工件表面产生毛刺。
 
 
3、磨损亮斑
 
在工件加工过程中,刀具磨损严重时,被磨钝的切削刃将已加工表面挤压出发亮的痕迹,增加了工件的表面粗糙度值。出现这种状况时,加工表面出现亮斑或亮点同时会伴有噪音发出,这时需及时刃磨或更换车刀,使车刀保持锐利状态。
 
4、划伤和拉毛
 
划伤和拉毛也是常见的粗糙度缺陷。精车外圆时出现的凸起、硬点及孔加工中的内表面划伤,都对已加工表面的粗糙度有较大的影响。
 
痕迹分布有规律的划伤和拉毛,一般情况都是机床的原因,因为机床的运动是有规律的。如精车外圆时,圆周表面上在固定点或周期性出现凸台或凹痕,可能是机床原因;主轴箱、溜板箱、进给箱的轴弯曲和齿轮啮合不良、液压平衡系统调整不合适等都能影响工件的表面粗糙度。这些不良情况处理后,这类拉毛也就消除了。
 
痕迹分布没有规律的划伤和拉毛,通常和切屑、刀具、切削液等有关。如精车外圆时出现无规则带状切屑,就很容易拉伤已加工表面。在加工孔时,特别是深孔加工中,由于排屑不畅而使切屑划伤内表面,更是常见现象,这时可在刀具前刀面上刃磨卷屑槽,使排屑顺畅;同时刀具刃磨时刃倾角应磨成正值,使切屑流向待加工表面。
 
 
5、切削液对表面粗糙度的影响
 
切削液在切削过程中起着冷却、润滑、有利排屑的作用,减小了刀具、材料及切屑三者之间的摩擦,大大降低了切削力和切削热,减少了切屑和刀具连结,抑制了切削瘤和鳞刺的生长,延长了车刀使用寿命,容易获得较小粗糙度Ra值的已加工表面,对于提高表面质量的作用是明显的。钛浩机械是以回转顶尖、丝杠、轴加工、数控车床加工、刀柄刀杆、夹头接杆为公司的主打产品,需注意的是,在使用切削液时要在整个切削过程中不间断使用,防止时用时不用造成冷热不均、损坏车刀,也会使加工表面时粗时细影响质量。
 
 
四、提高车床切削加工表面质量的途径
 
在生产中,车床切削工件的表面粗糙度要求约在Ra3.2,工件表面质量达不到精度要求时,首先对不光洁的的现象和原因进行分析,找出影响其主要因素,提出改善措施,并经时间逐步解决。表面质量达不到精度要求的原因,一般都是残留面积、积屑瘤、鳞刺等现象,因此,通常要考虑到刀具材料、几何参数、切削用量、切削液等途径解决。
 
1、刀具材料
 
2、改变刀具的几何参数
 
(1)精车的各角度根据加工材质性质而定。根据经验得,加工铸铁:前角约0~10°后角约6~12°主偏角约45~75°;不锈钢:前角约15~30°后角约8~10°主偏角约75~90°;铝合金,前角约20~30°后角约8~12°主偏角约60~90°;黄铜,前角约0~10°后角约8~10°主偏角约93°,所有的副偏角约在3~8°。这些几何角度,在实际运用中与实际加工材质的具体情况来定,几何角度也随之变动,总体都是在这个范围内。
 
(2)卷屑槽的宽度和深度影响切削的塑性变形大小。前角、反屑角、槽角三个角之和是180°槽角一般约110~120°。当前角确定以后,槽角越小,反屑角就愈大,切屑变形就愈厉害。
 
(3)刀槽的宽度是确定切削深度的依据。切削深度越大,刀槽就越宽,一般宽为3~5mm。
 
(4)刃倾角是控制切屑流出的方向。刃倾角为正值时,切屑向待加工表面流出;负值时,向以加工表面流出;零值时,向加工表面流出。
 
(5)刀尖圆弧半径在不影响清根的情况下,半径越大越好,并且圆弧要与副切削刃相切(这点用文字表述不清,最好在实践中边讲解边演示)。圆弧半径的大小直接影响进给量的选择。
 
(6)刃磨质量是减少刀具复映、鳞刺、积屑瘤的重要因素,因此刀具的刃磨质量是非常重要。刀具刃磨工艺过程和零件加工的过程几乎是相似的,一般过程是粗磨、半精磨、精磨等。例如刃磨硬质合金YT30的90°外圆精车刀。一把新的手磨刀,先选用80#碳化硅砂轮粗磨,各角度都合格后;其次,选用120#碳化硅砂轮半精磨;最后选用金刚石180~3000#砂轮进行精磨。这样既能使各刀面平整光洁,也能减小刃口圆角,还能保证过度圆弧与副刃的过渡性。如用其他方法精磨很难达到刃磨质量,如用油石备刀、用薄铸铁轮子研磨等。
 
上述所用的方法,因每个人的技能水平和经验不同,刀具切削时所达到的效果也有些差异,还需要在实践中慢慢学习掌握。
 
 
3、切削用量
 
切削速度是车床切削产生切削热的主要因素之一,也是影响工件表面质量的重要因素之一。切削速度主要通过积屑瘤、鳞刺及振动影响表面质量。如:在一定的条件下45#钢,中等切削速度(=50m/min)产生积屑瘤,表面质量降低,而低速(<50m/min)和高速(>120 m/min)加工时表面质量就高,但速度不能过高,否则会产生振动和加剧刀具磨损,不能保证加工精度要求。
 
进给量是影响残留面积高度,提高表面质量。进给量不能太小,否则会由于切削深度过小,是切削层挤压的比例过大,对表面质量是不利的,而且还会影响生产率的提高。
 
 
4、切削液
 
在低速切削精加工中,切削液合理选择可以减少工件与刀具加工表面的摩擦,降低切削温度,抑制积屑瘤和鳞刺的产生,还可以提高工件的表面质量,可以提高1~2级,在表面质量起了突出的制作用。例如在低速精车45#钢时,要采用机油加煤油混合作切削液,还可用酱油,还可肥皂水等。
 
对车床加工中常见粗糙度缺陷的研究及分析,找出切削中影响表面粗糙度的因素,并找出相应的措施和排除方法,一方面可在加工前防患于未然,另一方面在出现问题时能及时准确地找到问题原因,及时得到解决,对于提高产品质量、促进互换性生产有着现实的意义。
 
总之,机械加工中所用刀具是很神奇的,它受多种因素的影响。同一种材料名、刀具名等对各种金属的成分的含量都有差异的,因此加工时,刀具的几何角度也不是固定不变的,需要丰富的实践经验及掌握现场加工的情况而调整影响工件质量的不利因素。