摘 要：通過對(duì)機(jī)械加工過程及原理的剖析，分析機(jī)械加工過程中各相關(guān)因素對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞： 塑性變形 切削參數(shù)

1引言

在機(jī)械制造行業(yè)中，機(jī)械加工是一種重要的生產(chǎn)方式。機(jī)械制造行業(yè)的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對(duì)精度和性能的要求越來越高，由于機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器零件的使用性能如耐磨性、接觸剛度、疲勞強(qiáng)度、配合性質(zhì)、抗腐蝕性能以及精度的穩(wěn)定性等有很大影響，因此對(duì)機(jī)器零件重要表面的表面質(zhì)量要求比較高。而在機(jī)械加工過程中，使用不合理的加工方法及切削參數(shù)選擇的不優(yōu)化，直接影響了機(jī)器零件的表面質(zhì)量，本文對(duì)機(jī)械加工過程中影響表面質(zhì)量的一些因素的某一方面進(jìn)行一定的定性闡述分析。

2 切削原理及過程

2.1切削原理

金屬切削是利用切削工具，把坯料或工件上多余的材料層切除。而對(duì)多余材料層的切除，實(shí)際上是通過切削工具對(duì)材料層中的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)施破壞，打破原有的晶體結(jié)構(gòu)，獲得新的晶體結(jié)構(gòu)的過程。由于晶體中分子鍵的作用，在金屬切削過程中伴隨著能量的產(chǎn)生和消耗。

2.2切削過程

切削過程是切削層在受到刀具前刀面的擠壓后而產(chǎn)生的以滑移為主的塑形變形。這一過程用圖1所示的來描述，它表示了切屑形成的過程，即切削過程。

當(dāng)?shù)毒咔暗睹嫱茢D切削層時(shí)，在切削層內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力場，離切削刃愈近，應(yīng)力愈大。如圖1所示，工件受到刀具的擠壓，開始產(chǎn)生彈性變形（OA線左側(cè)），此后的內(nèi)應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)剪切力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)（OA線至OB線），金屬材料開始滑移而產(chǎn)生塑形變形（滑移量為1點(diǎn)到2點(diǎn)的垂直距離），隨著滑移變形的進(jìn)行，剪切應(yīng)力不斷增大，變形達(dá)到材料允許的最大值時(shí)（OC線），切削層被擠裂而破壞(3點(diǎn)到4的滑移量)，形成切屑，從而達(dá)到切削的目的。

圖1

在平衡點(diǎn)P發(fā)生滑移，經(jīng)過了彈性變形和塑形變形，工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，大致可以分為圖2所示的三個(gè)區(qū)域，即第I變形區(qū)、第II變形區(qū)和第III變形區(qū)。其分別受到切削參數(shù)的影響，以及影響著刀具的磨損、積屑瘤、工件已加工表面硬化深度和硬化程度等。從而直接或間接影響到工件表面質(zhì)量的好壞。

圖2

下面就切削過程中影響變形區(qū)的因素以及受變形區(qū)影響的因素，從而影響工件表面質(zhì)量的因素進(jìn)行闡述分析。

3影響變形區(qū)和受變形區(qū)影響的因素

3.1切削用量

切削用量是指切削深度、進(jìn)給量和切削速度三者的總稱，在加工工件時(shí)，選擇不同的切削用量，切削層的塑性變形程度不同，會(huì)直接影響到切屑形成時(shí)的第I變形區(qū)和第II變形區(qū)內(nèi)應(yīng)力的分布情況，間接或直接影響到工件加工后的表面質(zhì)量。

3.1.1切削深度

切削深度是指已加工表面與待加工表面的垂直距離。切削深度的大小決定了切削力的大小，更決定了第I變形區(qū)切削層塑形變形的程度。在不同切削時(shí)，會(huì)對(duì)切削刀具產(chǎn)生不同程度的影響。類如切屑形式以擠裂切屑為主的機(jī)械加工中，由于切削厚度較大，切削速度較低，刀具的前角較小，刀具在大的切削厚度的作用下會(huì)產(chǎn)生顫動(dòng)，而形成波動(dòng)的切削力，從而造成切削刃口與切削層瞬時(shí)接觸缺陷，形成較大的工件表面粗糙度，影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

3.1.2.進(jìn)給量

進(jìn)給量決定切削層的公稱橫截面積，即決定了切削層的公稱厚度和公稱寬度，而它們又影響著刀具主切削刃與切削層的線接觸長度。當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)，主切削刃與切削層的接觸面積減小，因而主切削刃只有一部分參加切削工作，由于切削刃單位面積瞬時(shí)所能承受的切削力有限，當(dāng)切削力大于切削刃的承受力能時(shí)，切削刃局部發(fā)生崩裂，而形成殘余加工表面，從而造成殘余加工缺陷，影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。當(dāng)進(jìn)給量較大時(shí)，刀具承受的切削力增大，刀具的幾何角度發(fā)生變化，而刀具姿態(tài)的改變，容易產(chǎn)生振動(dòng)等現(xiàn)象，切削處形成進(jìn)給加工波紋，影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

3.1.3切削速度

切削速度可以通俗的理解為單位長度的切削層在單位時(shí)間內(nèi)刀具經(jīng)過的頻次。當(dāng)切削深度和進(jìn)給量確定以后，切削速度影響著第II變形區(qū)和第III變形區(qū)內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力（摩擦溫度）。一般情況下采用高速的切削速度，單位長度的切削層在單位時(shí)間內(nèi)刀具的經(jīng)過次數(shù)增加，對(duì)局部形成零進(jìn)給量切削，即光磨，有利于工件已加工表面質(zhì)量的成型。而高切削速度低進(jìn)給量會(huì)影響變形區(qū)內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力，影響其它因素，從而影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

3.2積屑瘤

在中等或較低的切削速度下，由于切屑與刀具的摩擦在第II變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較高的切削溫度，而使第II變形區(qū)內(nèi)的某一部分切屑與刀具接觸的切屑微粒發(fā)生硬化脫落，當(dāng)切屑沿刀具前刀面流動(dòng)時(shí)，脫落的切屑微粒黏貼在刀具的前刀面上發(fā)生滯留，并且在第II變形區(qū)較高切削溫度的影響下形成冷焊，依次附著冷焊堆積構(gòu)成積屑瘤。當(dāng)積屑瘤逐步增大，增大到一定程度時(shí)，在切屑與刀具前刀面的接觸條件和受力情況發(fā)生變化時(shí)而停止增大。在切削過程中，當(dāng)工件或刀具受到?jīng)_擊、振動(dòng)或切削力發(fā)生變化時(shí)，積屑瘤就會(huì)局部破裂或整體脫落。

積屑瘤對(duì)機(jī)械加工表面質(zhì)量的影響有：

1）由于積屑瘤的前端伸出在切削刃之外，使切削層公稱厚度增大，而且積屑瘤的產(chǎn)生、成長和脫落具有一定的周期性，因此切削層公稱厚度是變化的，作用在刀具上的切削力也是變化的，使刀具產(chǎn)生顫動(dòng)，而形成波動(dòng)的切削力，造成切削刃口與切削層瞬時(shí)接觸缺陷，影響工件的表面粗糙度，而影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

2）積屑瘤破碎時(shí)，除一部分脫落的碎片被切屑帶走外，一部分會(huì)流入工具與工件的接觸處，對(duì)工件表面形成“犁溝”，并且碎片有可能嵌入工件表面形成硬質(zhì)點(diǎn)，造成刀具的破損，增加工件表面的粗糙度，而影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

3.3表面硬化

金屬切削過程中，由于切削力的作用，工件已加工表面受刀具后刀面的摩擦作用，使工件表面的第III變形區(qū)內(nèi)的金屬產(chǎn)生很大的塑形變形，使金屬的晶格扭曲，晶粒拉長、破碎、并阻礙金屬的進(jìn)一步變形，使材料強(qiáng)化，硬度提高；同時(shí)切削溫度將使材料弱化，更高的溫度將引起相變。

刀具后刀面與工件的擠壓、摩擦作用，使刀具后刀面與工件接觸層溫度瞬時(shí)升高，出現(xiàn)已加工表層硬化，并且伴隨著殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，而此現(xiàn)象對(duì)工件表面質(zhì)量的影響有：

由于切削時(shí)的瞬時(shí)高溫，使工件表層局部組織發(fā)生變化，并在工件表面的某些部分出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。切削的瞬時(shí)高溫會(huì)使工件表面燒傷，降低材料的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度，燒傷嚴(yán)重或殘余應(yīng)力集中還使工件表面出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。并且表層硬化會(huì)加大刀具后刀面的磨損，影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

4 影響表面質(zhì)量的其它因素

4.1切削形式

切削形式包括自由與非自由、直角與斜角切削，其不同的切削形式對(duì)工件加工表層的塑性變形及內(nèi)應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生影響，從而影響工件的表面質(zhì)量。

刀具在切削的過程中，如果只有一條直線刀刃參加切削工作，這種情況稱之為自由切削。其特征是切削過程中切屑的流出方向基本一致，并且被切削金屬的變形發(fā)生在一個(gè)線性單元內(nèi)，切削層的塑性變形趨勢(shì)和內(nèi)應(yīng)力受力方向一致，對(duì)工件表面質(zhì)量的影響不大。

但當(dāng)?shù)毒叩那邢魅袨榍€時(shí)，有幾條刀刃同時(shí)參加切削工作，此情況稱之為非自由切削。其特征是切削過程中切屑的流出方向互不相交，并且被切削金屬的變形發(fā)生的單元為非線性單元，切削層的塑性變形趨勢(shì)和應(yīng)力受力方向不在一條直線上，會(huì)使切削層的的晶格出現(xiàn)扭曲，拉長、破碎等現(xiàn)象，而造成工件表面出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

直角與斜角切削的原理基本上與自由和非自由切削的原理基本上一致，對(duì)工件切削過程中的影響基本相同，這里就不再作一闡述。

4.2刀具的磨損

刀具的磨損形式分為磨損和破損兩類。磨損是指刀具的前刀面與后刀面的磨損，而刀具的前刀面和后刀面的磨損對(duì)工件機(jī)械加工表面質(zhì)量的影響分別為：

1）前刀面磨損 在工件切削過程中，如果采用較大的切削速度和切削深度，前刀面受到切屑的摩擦增大、切削溫度升高，在前刀面主切削刃附近就會(huì)被磨出一段凹槽，在切削過程中直接作用到切削層中，形成“凸峰”，而影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

2）后刀面磨損 由于加工表面與后刀面存在著劇烈的摩擦，摩擦產(chǎn)生的高溫會(huì)使切削層在第III變形區(qū)的溫度升高，加劇其表層的硬化程度，反而會(huì)進(jìn)一步加劇刀具后刀面的磨損，而使刀具后刀面出現(xiàn)鈍化和硬化現(xiàn)象，使刀具后刀面與切削層的接觸由原來的彈性變形和塑性變形轉(zhuǎn)變成為硬性接觸，使刀具后刀面的鈍化面對(duì)工件已加工表面產(chǎn)生劇烈的摩擦，影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

破損是指刀具主切削刃和副切削刃的崩裂現(xiàn)象，在刀具切削工件時(shí)出現(xiàn)殘余切削，直接影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

4.3振動(dòng)

振動(dòng)主要有強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)是在有外界干擾力的作用下激發(fā)的振動(dòng)。自激振動(dòng)是受加工系統(tǒng)的工藝系統(tǒng)剛度的影響，由內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生的振動(dòng)。兩者作用的結(jié)果都會(huì)影響切削過程中刀具的固有頻率，而使刀具在切削工件時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，產(chǎn)生切削波紋，影響工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量。

4.4 切削液

切削液的作用有潤滑作用、冷卻作用、清洗作用和防銹作用，其在工件切削過程中對(duì)工件表面質(zhì)量的影響有：

1）潤滑作用 切削液滲入刀具、切屑、加工表面之間形成一層潤滑膜或化學(xué)吸附膜，可以減小三者相互之間的摩擦。并且在切削液中加入硫、磷、氯等有機(jī)化合物，高溫下與切削層發(fā)生化學(xué)作用，形成耐高溫、高壓的化學(xué)潤滑膜，可以防止刀具與切削層的直接作用，降低摩擦因數(shù)，而降低刀具與工件的磨損。

2）冷卻作用 切削液能從切削區(qū)帶走大量的切削熱，使切削溫度降低，改變切削層殘余應(yīng)力的分布，防止高溫對(duì)工件形成燒傷。

3）清洗作用 切削液的流動(dòng)性，可以沖走切削區(qū)的切削微粒，防止切削微粒在切削力的作用下直接作用到工件上，造成工件表面的次生劃傷。

4）防銹作用 切削液中防銹添加劑，吸附在工件表面形成一層保護(hù)膜，對(duì)工件表面起到防銹、防蝕作用。

通過切削液在切削過程中的作用，降低刀具與切削層的切削溫度，減小刀具與工件之間的摩擦，改變切削層的內(nèi)應(yīng)力分布，防止切屑的次生劃傷，直接或間接的影響著工件機(jī)械加工的表面質(zhì)量，

5 結(jié)束語

通過對(duì)工件在機(jī)械加工過程中，影響表面質(zhì)量因素的分析，熟練掌握各因素的機(jī)理，使其各因素有機(jī)的結(jié)合在一起，針對(duì)不同的加工工件的精度要求，結(jié)合實(shí)際，制定符合自身的加工工藝，有效改變工件在加工過程中的表面質(zhì)量，使機(jī)器零件的耐磨性、接觸剛度、疲勞強(qiáng)度、配合性質(zhì)、抗腐蝕性能以及精度的穩(wěn)定性得到很好的改善，從而使機(jī)器形成一個(gè)穩(wěn)定的工作系統(tǒng)。