金属切削变形对已加工表面质量的影响

收 稿 日 期 ：２０１８０１０８； 修 订 日 期 ：２０１８０５０８ 作者简介：刘文萍 （１９７０），女，辽宁普兰店人，副教授，硕士，研究方向：机械加工。
由金属切削原理 可 知，金 属 切 削 过 程 实 质 上 是 工 件受到刀具推挤后产 生 弹 性 变 形 和 塑 性 变 形，使 切 削 层与母体金属分离形成已加工表面的过程。金属的切 削 变 形 贯 穿 了 加 工 过 程 始 终 ，为 了 研 究 方 便 ，通 常 把 切 削区划分为三个变形 区：第 一 变 形 区 在 刃 口 前 方 的 切 削 层 与 切 屑 交 界 处 ，此 变 形 区 主 要 是 形 成 切 屑 ；第 二 变 形区在切屑底层与前 刀 面 相 接 触 区，此 变 形 区 会 产 生 积 屑 瘤 、鳞 刺 等 现 象 ；第 三 变 形 区 为 已 加 工 面 与 后 刀 面 相接触区，此变形区 在 形 成 已 加 工 表 面 粗 糙 度 的 同 时 还会产生加工硬 化、残 余 应 力 等 现 象。 本 文 将 详 细 探 讨 在 第 二 、第 三 变 形 区 的 表 面 粗 糙 度 、加 工 硬 化 和 残 余 应力的形成过程及对已加工表面质量的影响。 １ 金 属 切 削 变 形 对 实 际 表 面 粗 糙 度 的 影 响
表面粗糙度的形 成 主 要 包 括 两 方 面：一 方 面 是 由
于刀具与工件的相对运动和刀具几何参数形成的理论 粗 糙 度 ；另 一 方 面 是 切 削 过 程 中 不 稳 定 因 素 如 积 屑 瘤 、 鳞刺等原因形成的实际粗糙度。其中积屑瘤是在第二 变形区形成的重要物理现象。 １．１ 积 屑 瘤 的 形 成
在 切 削 过 程 中 积 屑 瘤 时 而 成 长 ，时 而 脱 落 ，一 方 面 脱落的碎片会粘附 在 已 加 工 表 面 上，增 大 了 已 加 工 表 面 的 粗 糙 度 值 ；另 一 方 面 ，粘 附 在 前 刀 面 上 的 积 屑 瘤 较 为 稳 定 时 还 要 包 过 刃 口 ，虽 然 能 代 替 刀 刃 切 削 ，但 切 出 的表面是不平整的。由于积屑瘤的轮廓是不规则的， 最终在已加工表面上沿着切削刃相对于工件运动的方 向会刻划出一道道深浅和宽窄不同的犁沟 。 ［２］ 只 要 有
在第二变形区内，经 过 第 一 变 形 区 剧 烈 变 形 形 成 的切屑沿前刀面流 出，其 底 层 金 属 一 方 面 受 到 刀 具 的 挤 压 作 用 ，另 一 方 面 还 与 前 刀 面 产 生 剧 烈 的 摩 擦 作 用 ， 使 底 层 金 属 晶 粒 被 拉 伸 纤 维 化 ，其 接 近 前 刀 面 部 分 ，切 屑流动速度逐渐降 低，这 层 流 速 较 慢 的 金 属 称 为 滞 流 层 。 在 一 定 切 削 条 件 下 ，滞 流 层 金 属 粘 附 在 前 刀 面 上 ， 当粘结面积足够大 时，与 前 刀 面 的 粘 结 力 足 以 抵 抗 切 削力沿前刀面的切 向 分 力，而 底 层 金 属 就 会 停 留 在 前 刀面上成为积屑 瘤。 同 时，由 于 切 屑 底 层 在 第 二 变 形 区因摩擦发生强烈 的 塑 性 变 形，使 底 层 金 属 具 有 更 高 的 硬 度 和 强 度 ，不 会 随 上 层 金 属 流 走 ，周 而 复 始 会 有 越 来越多的金属堆积 在 前 刀 面 上，并 随 着 刀 具 继 续 切 削 前方金属层 。 ［１］ 由 此 可 见，生 成 积 屑 瘤 的 前 提 条 件 是 底 层 金 属 的 再 次 剪 切 滑 移 即 塑 性 变 形 ，形 成 滞 流 层 ，造 成粘结和 硬 化 现 象。 形 成 的 积 屑 瘤 如 图 １ 所 示。 其 中，犎犫 为积屑瘤的高度。 １．２ 积 屑 瘤 对 实 际 粗 糙 度 的 影 响
摘要：当工件进入装配成为机器零件后，已加工表面质量对该零件的使用性能会造成很大的影响。表面质量 的主要标志是表面粗糙度、加工硬化和残余应力。根据金属切削原理中对切削变形的研究理论，分析了金属 切削变形对表面形成过程的内在影响：积屑瘤的生成增加了表面粗糙度值；刀具刃口和后刀面的挤压及摩擦 使表面产生加工硬化；机械应力和热应力引起的变形使加工表面产生残余应力。 关键词：表面质量；切削变形；加工硬化；残余应力 中 图 分 类 号 ：ＴＧ５０２．１５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
第 ４ 期 （总 第 ２０９ 期 ） ２０１８ 年 ８ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２６４１３（２０１８）０４０２２３０２
Ｎｏ．４ Ａｕｇ．
金Hale Waihona Puke Baidu切削变形对已加工表面质量的影响
刘文萍，王月婷
（大连海洋大学应用技术学院 机械工程系，辽宁 瓦房店 １１６３００）
０ 引 言 已加工表面质量是指工件经过切削加工后表面层
所 处 的 状 态 ，表 面 质 量 的 主 要 标 志 包 括 表 面 粗 糙 度 、表 面层加工硬化程度和表面层残余应力。已加工表面质 量的好坏将影响零件 的 使 用 性 能 和 使 用 寿 命，粗 糙 度 大 的 表 面 不 但 会 降 低 部 件 的 接 触 刚 度 ，增 加 系 统 变 形 ， 而且产品配合性质达 不 到 要 求，零 件 抵 抗 磨 损 的 能 力 下 降 ，也 削 弱 了 零 件 抗 腐 蚀 性 及 疲 劳 强 度 等 ；表 面 层 残 余拉应力是促使零件 表 面 产 生 微 裂 纹、降 低 疲 劳 强 度 的 主 因 ，使 刚 度 差 的 零 件 发 生 变 形 而 增 大 形 状 误 差 ；表 面层的不均匀硬化现 象 又 会 增 加 零 件 的 脆 性，降 低 零 件 抵 抗 冲 击 的 能 力 ，使 表 面 极 易 发 生 裂 纹 ，导 致 表 面 快 速 破 损 或 疲 劳 破 坏 。 因 此 ，为 了 提 高 零 件 的 耐 用 性 ，必 须要加工出高质量的 表 面，这 就 有 必 要 了 解 已 加 工 表 面层的形成及影响表面层质量的因素。