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精密加工中切削方向毛刺生成機理的研究
王貴成 張春曄
摘要
金屬切削毛刺是切削加工中產(chǎn)生的常見現(xiàn)象之一。本研究以金屬切削實驗為基礎,對二維精密切削中切削方向毛刺的形成過程、主要影響因素及其變化規(guī)律進行了系統(tǒng)的實驗研究和相應的理論分析，結(jié)果表明：(1)切削方向毛刺形成過程為正常切削、撓曲變形、塑性效應、繼續(xù)切削和剪切斷裂分離；(2)發(fā)現(xiàn)了切削方向毛刺形成過程中的切屑與工件表面剪切斷裂分離的特殊現(xiàn)象；(3)切削方向毛刺尺寸和形態(tài)隨著切削條件和刀具幾何參數(shù)的變化而變化。
關(guān)鍵詞：金屬切削；切削方向毛刺；剪切斷裂分離；刀具切削刃；二維精密加工
前言
毛刺的控制和去除技術(shù)是機械加工的兩個主要發(fā)展方向――精密與超精密加工和自動生產(chǎn)的主要技術(shù)之一。本文是對金屬切削毛刺產(chǎn)生機理的研究，是確實地控制和減少毛刺生成的基礎工作，在推動精密表面精加工和金屬切削的理論發(fā)展方面有重大的科學意義和實際價值。本文控制毛刺生成的新技術(shù)、工藝和方法會被廣泛應用于精密與超精密加工、柔性制造系統(tǒng)和其他自動生產(chǎn)中。因此，發(fā)達國家的機械加工學者和工程師們近來已經(jīng)開始研究金屬切削毛刺生成和去毛刺技術(shù)，并且很多好的結(jié)果被獲得【1～3】。但是到目前為止，幾乎沒有學術(shù)論文闡述切削方向毛刺生成機理和控制技術(shù)。因此，本項目以金屬切削實驗為基礎,系統(tǒng)地研究切削方向毛刺的生成和變化，目的是成功地控制和減少毛刺。
1 切削方向毛刺的主要影響因素
在各種切削加工中，切削毛刺常發(fā)生在邊、角和工件末端。他們嚴重影響了加工精度，特別是去毛刺工作常成為精密與自動加工中降低加工系統(tǒng)生產(chǎn)率和增加切削費用的一個因素。根據(jù)基于切削運動和切削刃的毛刺分類系統(tǒng)【4】，切削毛刺類型有3種 。在正交切削中，生成兩邊側(cè)向毛刺和切削方向毛刺【圖1】。H表示毛刺高度，H直接影響加工精度；B表示毛刺根部厚度，B主要影響去毛刺量和去毛刺效率。
一般情況下，正交切削中毛刺的主要影響因素包括工件材料、切削參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)和工件末端形態(tài)等等。為了弄清正交切削中切削方向毛刺生成和變形規(guī)律，需進行實驗研究和理論分析。
2 實驗條件和度量工具
在實驗中，機床選用改進的銑床，為了避免因積屑瘤的生成而產(chǎn)生的影響，工件材料選擇黃銅H62。在測試前，工件端面被加工多次用一個寬的單刃刀具，前角30o，未變形切屑厚度hD<0.05mm，使切削表面硬度的變化盡量減少。刀具材料選擇高速鋼w18Cr4V。實驗條件列于表1。
實驗中切削方向毛刺的高度H用一個測微儀（測量精度0.01mm）測量，毛刺根部厚度B用一個工具顯微鏡（測量精度也是0.01mm）測量。切削刃鈍圓半徑rn由光衍射儀通過運算測定。切削方向毛刺的生成過程在金屬切削過程中通過高速攝影獲得的。
3 實驗結(jié)果和分析
3.1 切削方向毛刺生成過程
圖2顯示了在正交切削過程中用高速攝影獲得的切削方向毛刺的生成。通過圖2，可知切削方向毛刺大約形成于5個階段：在正交切削中的正常切削、撓曲變形、塑性效應、繼續(xù)切削和剪切斷裂分離。
（a）正常切削 刀具切入工件后，切屑流沿著前刀面平穩(wěn)流動，接著金屬切削繼續(xù)進行。
（b）撓曲變形 隨著刀具逐漸接近工件終端表面，工件終端表面的材料在切削力的作用下開始產(chǎn)生撓曲變形。撓曲變形量隨著刀刃與工件終端表面距離減少而增加。
（c）塑性效應 當?shù)度信c工件終端表面距離達到l0，由刀具引起的工件終端材料應力達到了材料塑性剪切臨界值，并導致?lián)锨冃纬潭壤^續(xù)增加。
（d）繼續(xù)切削 隨著刀具繼續(xù)前進，未變形切屑厚度減小、切削力減小，工件終端材料變形量保持最大值。所以，刀具還在切削工件切削層的部分材料。
（e）剪裂分離 當?shù)度欣^續(xù)到達工件終端表面時，工件終端的支承剛度越來越小，使得終端材料的剪裂分離與沿剪切滑移方向的變形同時發(fā)生。這樣，切削方向毛刺在工件終端表面生成。
3.2 未變形切屑厚度hD對毛刺的影響
改變未變形切屑厚度hD，實驗的結(jié)果表示于圖3。圖3表示了毛刺高度H和毛刺根部厚度B隨著未變形切屑厚度hD的增加而增加，同時比例H/B基本保持常數(shù)。實驗結(jié)果類似于未變形切屑厚度hD對側(cè)面毛刺的影響【2】。這是因為未變形切屑厚度hD越大，切削力越大、工件終端材料的撓曲變形越大，進而導致毛刺高度H和毛刺根部厚度B的增加。
此外，近似常數(shù)H/B表明切削方向毛刺在尺寸上仍然保持幾何形狀的相似原理，即在毛刺形成和變化過程中變形坐標的幾何相似性原理。提供了實驗基礎以清楚了解切削方向毛刺的系統(tǒng)性機理及其變形規(guī)律。
3.3 刀具前角γo對毛刺的影響
前角γo變化后的實驗結(jié)果列于圖4。由圖4可知，隨著刀具前角γo的增大，毛刺高度H和毛刺根部厚度B急速減少，比例H/B在γo<15o前基本不變。當γo>15o時，比例H/B隨著前角γo的增大而減小。
切削方向毛刺尺寸上的變化，與刀具前角對加工區(qū)域應力特點的影響有關(guān)。圖5是一個原理圖，表示了刀具前角對刀刃應力區(qū)的影響。圖5中，Na是應力轉(zhuǎn)變軸，即通過刀刃并平行于前刀面的直線。Na前面的切削層金屬受放射狀壓應力，而Na后面材料受放射狀拉應力。當?shù)毒咔敖铅胦增加（從γo1 到γo2），應力轉(zhuǎn)變軸由Na1變到Na2，放射狀壓應力區(qū)減少，而放射狀拉應力區(qū)增多。然后，切削力隨著Na的變化而減小，切削層金屬撓曲變形量降低，切削方向毛刺尺寸減小。
3.4 切削刃鈍圓半徑rn對毛刺的影響
圖6是一個改變切削刃鈍圓半徑rn后的實驗結(jié)果。由圖6知，切削刃鈍圓半徑rn越大，毛刺高度H和根部厚度B越大。這是因為隨著切削刃鈍圓半徑rn的增大，對切削層金屬的壓力越大，切削力越大，工件終端表面的撓曲變形越大，毛刺高度H和根部厚度B越大。
3.5 工件材料對毛刺的影響
在標準切削條件下，改變工件材料，切削方向毛刺尺寸列于圖7。圖7表明，毛刺尺寸隨著工件材料的不同而改變。這是因為，工件材料的不同，其切削特性也不同。即，材料延伸率越大，毛刺尺寸越大。
實驗結(jié)果與理論分析表明，正交切削的切削方向毛刺生成實質(zhì)概括如下：工件終端材料，在刀具前刀面和切削刃的作用下，撓曲和沿著切削方向剪切－滑移變形，使未變形切屑厚度逐漸減小，并引起切屑和工件終端表面的剪裂分離，進而生成切削方向毛刺。
4 結(jié)論
通過對正交切削中切削方向毛刺的實驗研究和相關(guān)分析，我們能夠獲得在實驗條件下的如下結(jié)論：
（1）正交切削中切削方向毛刺的生成過程包括正常切削、工件終端表面的撓曲變形、塑性效應、繼續(xù)切削和剪裂分離；
（2）發(fā)現(xiàn)了切削方向毛刺形成過程中的切屑與工件表面剪切斷裂分離的特殊現(xiàn)象；
（3）影響切削方向毛刺的主要影響因素是工件材料、切削參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)、刀具前刀面與切屑的接觸狀況；
（4）隨著刀具前角γo的增大，未變形切屑厚度hD和切削刃鈍圓半徑rn的的減小，切削方向毛刺高度H和根部厚度B減小。