多刃车刀改善加工表面质量的机理分析

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    引言
    在车削加工中，加工表面质量通常随着切削深度的增加而降低，因此，为达到加工表面质量要求，往往不得不减小切削深度，采用多次车削来切除加工余量。多刃车刀的应用则可有效缓解加工表面质量与加工效率之间的矛盾。
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图1 两刃车刀加工原理

    多刃车刀的结构相当于将多把单刃车刀组合在一起。以两刃车刀为例，其加工原理如图1所示。设第一切削刃的切削深度为a_p1，第二切削刃的切削深度为a_p2，其最大切削深度为各切削刃切削深度之和，即a_p＝a_p1+a_p2。当切削深度小于a_p2时，第一切削刃悬空，只有第二切削刃工作。根据“先粗后精”的加工原则，各切削刃的切削深度应依次递减，即a_p1>a_p2。与普通车刀相比，多刃车刀可在满足相同表面质量要求条件下增大切削深度，提高加工效率。同时，当加工余量一定时，采用多刃车刀可提高加工精度等级，降低加工表面残余应力，减轻车床颤振，改善工件表面质量。多刃车刀适用于光轴、通孔、圆柱体工件等的加工，但用于加工阶梯轴时需适当加宽退刀槽，对应用范围有一定限制。
    多刃车刀改善加工表面质量的机理
    机械加工表面存在表面粗糙度、波度等表面几何形状误差和表面层的物理、机械性能变化。在车削加工中，影响工件表面质量的因素主要有表面粗糙度、冷作硬化、表面残余应力、表面波度等。采用多刃车刀可有效改善工件表面质量。

    １．表面粗糙度
　　采用多刃车刀可减小每一切削刃的切削深度，从而减小切削力及工件材料的塑性变形，因此可获得较小的表面粗糙度。另外，由于切削层较薄，切削刃与金属材料的冷焊作用较小，可减少积屑瘤、鳞刺的生成。因此，采用多刃车刀可显著提高工件表面粗糙度。

    ２．冷作硬化
　　在切削加工中，金属表层的塑性变形使晶体间产生剪切滑移、晶格扭曲并发生晶粒拉长、破碎及纤维化，从而引起金属材料的冷作硬化。冷作硬化可使工件表层硬度和强度提高，韧性降低，变得硬脆，影响加工表面质量。由于采用多刃车刀可减小材料塑性变形，因此可降低冷作硬化程度。此外，由于多个切削刃相距较近，切削热较难散发，可使刀刃与工件表层接触区温度升高，部分抵消冷作硬化作用。

    ３．表面残余应力
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5 T# u9 ~ s) B! i6 i3 t; \ 图2 塑性变形产生的残余应力

　　在切削加工中，当表层材料相对基体材料发生形状和体积变化时，在加工表面层将产生残余应力，其大小随深度而变化，外层应力与表层一基体材料交界处的应力方向相反，相互平衡。图2a、2b分别表示由冷塑性变形和热塑性变形引起的残余应力。加工时，在切削力作用下，已加工表面层因受拉应力而产生伸长塑性变形，表面积趋向增大，此时已加工表面层处于弹性变形状态。切削力去除后，工件里层恢复原状，但外层受塑性变形影响不可能完全恢复原状，因而在表层产生残余压应力，里层则产生相应拉应力与之平衡，这就是冷塑性变形引起的残余应力。

　　热塑性变形引起残余应力的机理为：加工时，工件表层在切削热作用下产生热膨胀，而里层基体材料受温度影响较小，使表层热膨胀受到限制而产生压应力。当切削温度超过材料弹性变形范围后，表层将产生热塑性变形。切削加工结束后，温度下降，材料膨胀恢复，但表层因产生热塑性变形不能完全恢复，因此在表层塑性区产生了残余拉应力，基体材料中则产生与之平衡的压应力。切削过程中的冷塑性变形与热塑性变形产生的残余应力方向相反，可相互抵消一部分。但因切削加工中冷塑性变形较大，热塑性变形较小，所以表面残余应力总体上表现为压应力。

　　采用多刃车刀加工时，由于切削热不易散发，切削温度较高，因此产生的热塑性变形及引起的残余拉应力s_F也相对较大，通过与冷塑性变形引起的残余压应力s_B相互抵消，最终可减小工件表面残余应力s_残，计算方法为 - F; k, j; G, ^/ \7 Z0 y( d' Ls_残=s_F-s_B=aEDt-s_B式中：a——线性膨胀系数
E——弹性模量
Dt——温升
　　由图3所示材料屈服强度曲线可知，T_B越高，则s_B越小，s_F越大，故s_残随温升增大较快。
* W) p! x8 P/ H5 G- \0 u7 r5 Z9 Z+ w0 H1 X" M) d% h( l

7 K# |; \4 s. Z( Q3 T8 W4 T7 P 图3 温度与残余应力的关系

    ４．表面波度
　　工件表面波度主要由加工系统的颤振引起。当车床径向切入加工时，若切削过程受到一个瞬时扰动，使工件与刀具产生相对振动，就会在工件表面留下一段波纹；在下一转切削时，刀具在带波纹表面切削，切削厚度的变化会引起切削力波动，这种在动态切削力作用下引起的加工激振称为再生颤振。图4所示的刀具与工件相对振动位移分别为Y_a和Y_b，其方程为 $ b/ Z& Z _% P2 q# K' b3 m* ]' c8 a' V* | k

{	Ya=|Y|cos(wt+y)
	Yb=|Y|coswt

　　切削厚度随时间变化的分量为
u(t)=Y_a-Y_b=|Y|[coswt(cosy-1)-sinwtsiny]

=-|Y|2sin(y/2)[sinwtcos(y/2)+coswtsin(y/2)]

=2|Y|sin(y/2)cos[wt+(p/2+y/2)]

8 V% ~+ ` C- d6 p5 O8 b$ ]* ]

% @1 X/ M$ T" R% H0 u; Q2 r0 H 图4 刀具与工件的相对振动位移

　　由于多刃车刀每个切削刃的初相位不同(分别为y₁、y₂、…)，因此切削厚度随时间变化的分量u(t)也各不相同，即每一时刻各个切削刃的切削厚度不同，这样就破坏了加工系统的再生颤振，从而减小加工表面波度。


　　多刃车刀由于具有多个切削刃，在车削加工中可减小加工表面粗糙度和表面残余应力，部分消除工件表面冷作硬化和加工系统的再生颤振，从而可有效提高被加工工件的表面质量。