技術(shù)中心2024-09-20
1 刀具幾何形狀對(duì)表面粗糙度的影響
在切削過(guò)程中，數(shù)控刀具幾何參數(shù)的不同組合形成不同的切削形態(tài)。直接影響切削過(guò)程的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量。理想狀態(tài)下，采用圓弧刃金剛石刀具進(jìn)行超精密車削加工軟金屬時(shí)，在工件加工表面形成輪廓峰和輪廓谷，它們之間的距離，被稱為理論粗糙度，其大小等于f2/8R(f為進(jìn)給量，R為刀具圓弧半徑)。
在超精密切削塑性金屬時(shí)，主切削刃和前刀面的主要任務(wù)是去除金屬，切削層在前刀面的擠壓作用下發(fā)生剪切滑移和塑性變形，然后形成切屑沿前刀面流出。前刀面的形狀直 接影響塑性變形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之間的摩擦特性，并直接對(duì)切削力、切削溫度、切屑的折斷方式和加工表面質(zhì)量造成顯著影響。主切削刃是前刀 面和后刀面的交線。實(shí)際上前刀面和后刀面的交線不可能為理想直線，而是一微觀交接的曲線。該曲線的形狀可以近似用與其在不同位置的法平面相交成交線的平均 曲率半徑來(lái)反映，稱其為刃口半徑ρ。切削時(shí)刃前區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，應(yīng)力集中造成金屬中位錯(cuò)集中，導(dǎo)致金屬產(chǎn)生塑性變形和滑移分離，一部分金屬成為切屑 沿前刀面流出，另一部分金屬經(jīng)后刀面熨壓留在已加工表面。因?yàn)閮刹糠纸饘龠\(yùn)動(dòng)方向不同，必然使刀具刃口前金屬呈拉伸狀態(tài)，拉應(yīng)力使刃前區(qū)金屬的抗剪能力下 降，在刀刃的直接作用下，金屬產(chǎn)生滑移分離。刃口半徑越小，應(yīng)力越集中，變形越容易，切削力越小，加工表面質(zhì)量越好。也就是說(shuō)刃口半徑對(duì)切削過(guò)程有較大影 響，同時(shí)對(duì)切削力、切削溫度和切屑變形系數(shù)都有不同程度的影響。因此，提高刀具的鋒銳程度，可減小刀具對(duì)金屬的擠壓力，使金屬的變形程度降低，減緩金屬的 冷作硬化，有助于提高切削過(guò)程的穩(wěn)定性，改善加工表面質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
2 最小切削厚度對(duì)表面粗糙度的影響
除了機(jī)床本身的性能以外，使用刀具切削刃有效地切除工件材料時(shí)，最小切削厚度(MTC)的可控性和重復(fù)性是影響加工精度的主要因素。MTC 不僅可以反映切削刃的納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)，還可以反映出刀具和工件材料之間的相互作用狀態(tài)。最小切削厚度被定義為能夠從工件材料上有效地去除金屬的最小厚度。 切削厚度越小，工件材料抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)，刀具和材料原子之間的相互作用力越弱。當(dāng)金剛石刀具刃口半徑為幾個(gè)納米的特定切削環(huán)境下，最終可達(dá)到的加 工精度與最小切削厚度為同一個(gè)數(shù)量級(jí)。日本學(xué)者在高穩(wěn)定的機(jī)床上使用特制的金剛石刀具切削單晶銅，獲得了非常微細(xì)的切屑，并使最小切削厚度可以達(dá) 到$%&。最小切削厚度這個(gè)變量隨著刀具的幾何形狀和切削條件的不同而變化。美國(guó)和日本有關(guān)專家通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：金剛石刀具的刃口半徑r對(duì)最小 切削厚度有顯著的影響，當(dāng)車削鋁合金的時(shí)候，最小切削厚度大約為所采用刀具刃口半徑的0.3～0.6 倍，這個(gè)比值隨著被加工材料和切削條件(如進(jìn)給量和刀具的圓弧半徑)的不同而略有差異。
在切削過(guò)程中，數(shù)控刀具幾何參數(shù)的不同組合形成不同的切削形態(tài)。直接影響切削過(guò)程的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量。理想狀態(tài)下，采用圓弧刃金剛石刀具進(jìn)行超精密車削加工軟金屬時(shí)，在工件加工表面形成輪廓峰和輪廓谷，它們之間的距離，被稱為理論粗糙度，其大小等于f2/8R(f為進(jìn)給量，R為刀具圓弧半徑)。
在超精密切削塑性金屬時(shí)，主切削刃和前刀面的主要任務(wù)是去除金屬，切削層在前刀面的擠壓作用下發(fā)生剪切滑移和塑性變形，然后形成切屑沿前刀面流出。前刀面的形狀直 接影響塑性變形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之間的摩擦特性，并直接對(duì)切削力、切削溫度、切屑的折斷方式和加工表面質(zhì)量造成顯著影響。主切削刃是前刀 面和后刀面的交線。實(shí)際上前刀面和后刀面的交線不可能為理想直線，而是一微觀交接的曲線。該曲線的形狀可以近似用與其在不同位置的法平面相交成交線的平均 曲率半徑來(lái)反映，稱其為刃口半徑ρ。切削時(shí)刃前區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，應(yīng)力集中造成金屬中位錯(cuò)集中，導(dǎo)致金屬產(chǎn)生塑性變形和滑移分離，一部分金屬成為切屑 沿前刀面流出，另一部分金屬經(jīng)后刀面熨壓留在已加工表面。因?yàn)閮刹糠纸饘龠\(yùn)動(dòng)方向不同，必然使刀具刃口前金屬呈拉伸狀態(tài)，拉應(yīng)力使刃前區(qū)金屬的抗剪能力下 降，在刀刃的直接作用下，金屬產(chǎn)生滑移分離。刃口半徑越小，應(yīng)力越集中，變形越容易，切削力越小，加工表面質(zhì)量越好。也就是說(shuō)刃口半徑對(duì)切削過(guò)程有較大影 響，同時(shí)對(duì)切削力、切削溫度和切屑變形系數(shù)都有不同程度的影響。因此，提高刀具的鋒銳程度，可減小刀具對(duì)金屬的擠壓力，使金屬的變形程度降低，減緩金屬的 冷作硬化，有助于提高切削過(guò)程的穩(wěn)定性，改善加工表面質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
2 最小切削厚度對(duì)表面粗糙度的影響
除了機(jī)床本身的性能以外，使用刀具切削刃有效地切除工件材料時(shí)，最小切削厚度(MTC)的可控性和重復(fù)性是影響加工精度的主要因素。MTC 不僅可以反映切削刃的納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)，還可以反映出刀具和工件材料之間的相互作用狀態(tài)。最小切削厚度被定義為能夠從工件材料上有效地去除金屬的最小厚度。 切削厚度越小，工件材料抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)，刀具和材料原子之間的相互作用力越弱。當(dāng)金剛石刀具刃口半徑為幾個(gè)納米的特定切削環(huán)境下，最終可達(dá)到的加 工精度與最小切削厚度為同一個(gè)數(shù)量級(jí)。日本學(xué)者在高穩(wěn)定的機(jī)床上使用特制的金剛石刀具切削單晶銅，獲得了非常微細(xì)的切屑，并使最小切削厚度可以達(dá) 到$%&。最小切削厚度這個(gè)變量隨著刀具的幾何形狀和切削條件的不同而變化。美國(guó)和日本有關(guān)專家通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：金剛石刀具的刃口半徑r對(duì)最小 切削厚度有顯著的影響，當(dāng)車削鋁合金的時(shí)候，最小切削厚度大約為所采用刀具刃口半徑的0.3～0.6 倍，這個(gè)比值隨著被加工材料和切削條件(如進(jìn)給量和刀具的圓弧半徑)的不同而略有差異。
3 金屬變形對(duì)表面粗糙度的影響
金屬切削加工過(guò)程非常復(fù)雜，加工后形成的表面粗糙度與工件的材料、刀具的幾何形狀、潤(rùn)滑方法以及選用的切削深度密切相關(guān)。剪切、滑移和斷裂被認(rèn)為是影響切屑形成的幾個(gè)主要因素。超精密切削時(shí)只要有切屑產(chǎn)生，就可以把該過(guò)程模型化為材料沿著與水平面傾斜一定角度的平面被刀具剪切的過(guò)程，在已加工表面上形成 的峰、谷高度隨刀具刃口鋒銳輪廓的變化而變化。
另外，工件材料對(duì)金剛石車削加工表面粗糙度有顯著的影響，在一般車削加工中經(jīng)常 忽略材料晶體微觀結(jié)構(gòu)的影響，而金剛石車削中材料對(duì)表面粗糙度的影響卻不容忽視。例如：某種材料的彈性模量主要依賴于單晶體的晶向，雖然銅、鋁同樣是軟金 屬，但它們的硬度卻有較大差異。在同樣條件下切削上述兩種金屬時(shí)，切削狀態(tài)不同，產(chǎn)生切削力的大小也會(huì)有所不同。另外，被加工材料的純度、材質(zhì)是否均勻以 及晶體的晶向各異性都會(huì)對(duì)加工表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。
4 切削用量對(duì)表面粗糙度的影響
在 113m/min≤V≤314m/min，1.8μm/r≤f≤5.0μm/r，1.50μm≤ap≤6.00μm的條件下，建立金剛石車刀車削鋁合金表 面粗糙度的預(yù)測(cè)模型，(V：切削速度，f：進(jìn)給量，ap：背吃刀量)，從中可以看出各種切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度值的影響。
在上述 的條件下，從預(yù)測(cè)模型可反映出：隨著切削速度的增加，表面粗糙度值略微減小，這種變化主要受機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的影響。當(dāng) f=5.0μm/r，ap=6.00μm時(shí)，表面粗糙度的變化范圍僅為2nm左右，因此說(shuō)切削速度對(duì)表面粗糙度基本無(wú)影響。金剛石車削銅合金時(shí)也能夠得到 同樣的結(jié)論。當(dāng)切削速度為314m/min、進(jìn)給量為5μm/r時(shí)，背吃刀量小于6μm時(shí)，對(duì)加工表面粗糙度基本無(wú)影響。 當(dāng)切削速度為314m/min、背吃刀量為6μm時(shí)，可知小進(jìn)給量可得到小的表面粗糙度值。但是由于最小切削厚度的存在，實(shí)測(cè)的表面粗糙度值往往要比理論 粗糙度值大幾倍。
5 振動(dòng)對(duì)表面粗糙度的影響
盡管超精密車床具有很高的剛度，但振動(dòng)仍然是影響表面 粗糙度的主要因素之一。超精密機(jī)床通常都有很高的固有頻率，在超精密加工過(guò)程中，實(shí)際的工藝系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的振動(dòng)使工件與刀具之間 的相對(duì)位置發(fā)生了微幅變動(dòng)，最終使工件表面粗糙度增大、表面質(zhì)量降低。有關(guān)學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)床主軸的振動(dòng)、導(dǎo)軌的振動(dòng)以及刀具的振動(dòng)都具有高頻率、小 振幅的特征，積屑瘤、外界干擾、機(jī)床剛性不足以及高速旋轉(zhuǎn)部件不平衡也會(huì)引起切削振動(dòng)，最終導(dǎo)致加工表面微觀特征的改變。
