淺析金屬切削加工中鱗刺的形成原因及抑制措施*

李俊濤

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安 710300)

1 鱗刺及其對工件表面質(zhì)量的影響

在對45鋼等塑性材料進行車削、刨削、拉削、攻螺紋及滾齒等金屬切削加工過程中，在已加工表面上，并且在垂直于切削速度Vc的方向會產(chǎn)生突起的鱗片狀毛刺，它被稱之為鱗刺，分布和形態(tài)如圖1所示。它的晶粒和基體材料的晶粒相互交錯，與基體材料之間沒有分界線，它的表面微觀特征是鱗片狀，有一定的高度，它的分布近似于沿整個切削刃寬度［1］。

圖1 鱗刺的分布和形態(tài)圖［2］

在金屬切削加工中，由于鱗刺的產(chǎn)生直接導致工件表面的實際粗糙度遠遠大于理論粗糙度，大大降低了工件表面質(zhì)量，嚴重影響工件的疲勞強度和裝配精度，可能還會導致工件報廢，因此對鱗刺的形成過程與原因進行分析，找出抑制措施有著實際的工程應(yīng)用價值。

2 鱗刺形成過程

早在20世紀90年代初，謝影明，周澤華［3］兩位學者借助于高頻成像技術(shù)對鱗刺的形成過程進行了深入的研究，并將鱗刺的形成過程劃分為抹拭、導裂、層積和切項四個階段，示意圖如圖2所示。尤其是在切屑形狀為節(jié)狀或粒狀的切削加工中這個四個階段最為典型。

圖2 鱗刺形成的四個階段示意圖

抹拭階段是鱗刺形成的第一階段，也就是前一鱗刺已經(jīng)形成，新的鱗刺尚未出現(xiàn)的這一時間段。由于切屑沿前刀面流出時在厚度方向上的流速不同，貼近前刀面的切屑流速等于零而成為“滯流層”，在壓力、溫度合適的條件下會形成粘屑現(xiàn)象;導裂階段是鱗刺形成的第二階段，由于切屑的粘結(jié)會使刀具與工件間的摩擦力增加，在刀具切削刃下方，在切屑與已加工表面之間出現(xiàn)一裂口，即為導裂［4］;層積階段是鱗刺形成的第三階段，由于切削的連續(xù)性，一旦出現(xiàn)切屑粘結(jié)后，停留在前刀面上的切屑會代替刀具繼續(xù)擠壓切削層并且會形成新的聚積層，切削厚度和切削力也隨之增加;切頂階段是鱗刺形成的第四階段，當切削力增大到能夠推動切屑重新流出的程度后，切削刃便會重新參與切削并切出鱗刺的頂部，至此，一個鱗刺的形成過程結(jié)束。

雖然將鱗刺的形成過程劃分為四個階段，但在實際切削加工中它形成時間極短，幾乎是瞬間形成，如此反復，在工件的已加工表面不斷生成新的鱗刺。

在有積屑瘤產(chǎn)生的切削加工中，由于積屑瘤會使刀尖變鈍進一步擠壓切削層，使切削層中的金屬大部分成為切屑流出，而很小一部分周期地冷焊和層積在積屑瘤的前端，層積到一定高度后，便被積屑瘤刮頂而成為鱗刺［5］。由此可知:在有積屑瘤形成的金屬切削加工中往往會伴隨有鱗刺的形成，而且它還加劇了鱗刺的形成。

在金屬切削變形這一過程中，產(chǎn)生鱗刺的前提是一定的溫度與壓力，如果要抑制鱗刺的形成就要避開這一溫度和壓力區(qū)間，就要從影響切削變形、切削力和切削溫度的主要因素著手分析。

3 切削參數(shù)對鱗刺影響及抑制措施

影響鱗刺的主要因素有:切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材料性能和切削液。

3．1 切削用量

在切削用量三要素中切削速度Vc對鱗刺的影響最大，Vc主要是通過影響切削溫度進而影響鱗刺的形成。在中低速切削(因工件材料等切削條件不同中低速的范圍也有所不同，例如切削45鋼時，15 m/min＜Vc＜25 m/min為中低速)時，由于此時的切削溫度會形成切屑滯層，出現(xiàn)導裂，層積情況，進而產(chǎn)生鱗刺。但隨著切削速度Vc的增大，切削溫度也隨之提高，工件材料的塑性下降，強度增大，不利于鱗刺的形成。因此，避免中低速切削是抑制鱗刺最有效的方法。此外，減小切削深度ap可以降低鱗刺的高度。

3．2 刀具幾何參數(shù)

在一定的范圍內(nèi)(一般為15°～25°)，隨著刀具前角的增大，切削刃變得更加鋒利，前刀面的正壓力會下降，切削變形減小，切削溫度降低，因此鱗刺的高度隨前角的增大而降低。時月梅［6］將拉刀的前角由10°增大到22°，同時也將齒升量增大了一倍后，避免了切屑的擠壓，有效的消除了之前的鱗刺問題。

后角減小會加劇刀具后刀面與工件已加工表面之間的摩擦擠壓作用，促進鱗刺的形成。

隨著切削刃鈍圓半徑的增大，刀具刃口變鈍，切削變形區(qū)域和變形量均增大，裂紋擴展加速，從而導致鱗刺高度的增加。

因此，增大刀具前角和后角，較小的切削刃鈍圓半徑等合理的刀具幾何參數(shù)都是抑制鱗刺的有效措施。

3．3 工件材料性能

塑性材料是形成鱗刺的充分必要條件，這類材料的硬度、塑性等力學性能對鱗刺的產(chǎn)生有影響，硬度越高切削變形越小，對于形成鱗刺越不利。在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，在低速切削時，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的工件，切削時產(chǎn)生鱗刺的可能性較大;正火處理的工件則較小。

3．4 切削液與其它因素

切削液具有冷卻和潤滑作用，可以有效減少刀具與工件之間的摩擦，有效控制切削溫度。尤其是選用潤滑效果好的切削液可以防止和消除鱗刺的產(chǎn)生和生長。

有時受工件結(jié)構(gòu)或工藝條件的限制，無法提高切削速度避開中低速切削，或者無法使用切削液等抑制措施都無法采取時，吳拓［7］等通過導電加熱的溫度樸償，導電加熱切削能有效抑制鱗刺的形成，取得了良好的切削效果。

4 結(jié)語

綜合以上分析，影響鱗刺形成和生長的因素很多，在眾多因素中切削速度Vc的影響最為顯著，因為鱗刺的形成和生長受切削溫度的影響最為明顯，在車削、攻絲、拉削、滾齒等切削加工中要抑制鱗刺的形成，首先考慮避開中低速切削。減小切削深度，增大刀具前角和后角，減小切削刃鈍圓半徑，合適的工件熱處理方式和選用恰當?shù)那邢饕憾际欠乐够蛞种器[刺形成和生長的有效措施，在工程實踐中應(yīng)結(jié)合具體的工藝條件而采用最合理、最有效抑制措施，防止鱗刺的形成，以獲得較高的表面質(zhì)量。

［1］ 張維紀．金屬切削原理與刀具(修訂版)［M］．杭州:浙江大學出版社，2005．

［2］ 陸劍中，孫家寧．金屬切削原理與刀具［M］．第4版．北京:機械工業(yè)出版社，2005．

［3］ 謝影明，周澤華．切削刃鈍圓導致的鱗刺［J］．華南理工大學學報(自然科學版)，1990，18(1):79－85．

［4］ 柳松柱．淺析工件表面鱗刺的成因及其防止措施［J］．鄂州大學學報，2002，9(4):48－50．

［5］ 許明濤，余元強．鱗刺對表面質(zhì)量的影響及抑制措施［J］．十堰職業(yè)技術(shù)學院學報，2006，12(5):87－88．

［6］ 時月梅．改進拉刀消除鱗刺［J］．機械工人(冷加工)，2002(1):21．

［7］ 吳 拓，葉邦彥，趙學智．利用導電加熱切削抑制積屑瘤和鱗刺的研究［J］．工具技術(shù)，1998，32(12):8－10．