金属加工中的毛刺问题

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1、金属切削加工中的毛刺问题王春梅摘要毛刺是金属切削加工中产生的必然现象，它直接影响产 品的质量，应从产品结构设计、工艺设计、刀具设计和生产管理等 方面对毛刺加以控制。关键词：金属 切削加工 毛刺 解决措施1.引言长期以来，毛刺现象没有引起人们足够的重视，以至毛刺悄然 影响着产品的质量。如在进行挖掘机液压系统某个零件的设计时， 在技术要求中写上“去除各孔交、贯处毛刺”的字样，但有人却以 加工难度大、检测不方便、增加加工成本等为由提出质疑。工人们 也常常嫌麻烦忽视去毛刺工序，部分设计人员对此也不太重视，在 图样上漏写“去毛刺”或“棱边倒钝”等。其实，去毛刺是一个非 常重要的工序，在液压系统中，零件上

2、的毛刺一旦脱落进入元件时 就会卡死滑阀，损伤零件表面，割破软管或堵塞出液口等从而影响 主机性能，甚至停机。毛刺如果掉在定位基准面上会影响加工精度； 毛刺还会容易划伤 工人造成不安全因素影响装配质 量以及零件寿 命，如何看待和控制金属切削加工中的毛刺问题，这将直接关系到 产品的质量，这里就此发表一点看法。2对毛刺问题的重新认识毛刺，是指在金属（包括热加工和冷加工）切割加工过程中在 切削力作用下，产生晶粒剪切滑移、塑性变形使材料挤压撕裂，导 致工件表面过渡处出现各种尖角、毛边等不规则的金属部分。这里 主要指的是在冷加工，即金属切削加工中的毛刺问题。毛刺是金属 切削加工中产生的普遍现象之一，也是金属

3、切削理论研究中迄今为 止尚未解决好的两大难题（毛刺的生成与控制，切屑的处理与控制） 之一。大家都知道金属切削加工是指从工件上切除多于金属材料的 加工方法。不同的切削方法选用的刀具不同（常用的刀具有车刀、 刨刀、钻头、齿轮刀具等，常见的切削加工方法有车削、刨削、钻 削、磨削、铣削、齿轮加工等） ，切削加工虽有多种不同的方式但在 很多方面（如切削时的运动、切削刀具以及切削过程的实质等）度 有着共同的规律，采用不同的切削手段，毛刺的形成机理也不仅相 同，毛刺的形状也不同。所以毛刺对工件质量的影响程度也不同， 毛刺直接影响被加工工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。2.1 切屑的形成及切屑类型2.1.

4、1 切屑的形成金属的切削过程也是切屑形成的过程。如图 2-II所示，切削塑 性金属时，当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面 OA 左下方发生弹性变形，愈靠近 OA 面，弹性变形愈大。在 OA 面上，应力达到材料的屈服点，发生塑性变形，产生滑移现象。随着刀具 的连续移动，原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力和S2-H切用够咸过程变形也逐渐加大。在终滑移面OE上，应力和 变形达到最大值。越过0E面，切削层金属将 脱离工件母材，沿着前面流出而形成切屑。 经过塑性变形的金属，其晶粒沿大致相同的 方向伸长。在切削过程中刀具与工件接触的区域， 出现三个变形区。0A与0E之间是切削层的塑性

5、变形区，称为第一变 形区或称基本变形区。基本变形区的变形量最大，常用它说明切削 过程的变形情况。切屑与前面摩擦的区域称为第二变形区或称摩擦 变形区。切屑形成后与前面之间存在很大的压力，沿前面流出时必 然有很大的摩擦，因而使切屑底层又一次产生塑性变形。工件已加 工表面与后面接触的区域称为第三变形区或称已加工表面变形区。 第三变形区是已加工表面产生加工硬化和残余应力的主要原因。2.1.2切屑的类型当工件材料的性能、切削条件不同时，会产生不同类型的切屑，并对切削加工产生不同的影响。如图 2-12所示：1）带状切屑 使用较大前角的刀具并选用较高切削速度、较小的进给量和背吃刀量切削硬度较低的塑性材料时，

6、切削层金属经 过终滑移面 OE 虽然产生了较大的塑性变形，但尚未破裂即被切离母 体，从而形成连绵不断的如图 2-12a 所示的带状切屑。切屑缠绕在 刀具或工件上，会损坏刀刃，刮伤工件，且清除和运输也不方便， 常成为影响正常切削的关键。为此，常在刀具前面上磨出各种不同 形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽。形成带状切屑的切削过程比较平稳， 切削力波动也较小，加工表面较光洁，精度好。（2）节状切屑 一般用较小的前角、较低的切削速度加工中等 硬度的塑性材料时，容易得到如 2-12b 所示这类切屑。当切削层金 属到达 OE 面时，材料已达到破裂程度，被一层一层地挤裂而呈锯齿 形，越过 OE 面后，被切离母体而形

7、成节状切屑。由于变形较大，切 削力大，且有波动，加工后工件表面较粗糙。（3）单元状切屑 切削塑性很大的材料，如铅退火铝、纯铜 时，切屑易在前面上形成粘结不易流出，产生很大变形，使材料达 到断裂极限，形成很大的变形单元，而成为如图 2-12c 所示形状的 切屑。（4）崩碎切屑 在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属 发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩碎，形成不规则的 碎块屑片，即为如图 2-12d 所示的崩碎切屑。工件愈是硬脆，愈容 易产生送类切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切 削刃和刀尖附近，刀尖容易磨损，并产生振动，从而影响表面粗糙度。切屑的类型可以随切削条件的不同而

8、改变，在生产中，常根 据具体情况采取不同的措施来得到需要的切屑，以保证切削加工的 顺利进行。例如，增大前角、提高切削速度或减小切削厚度可将节 状切屑转变成带状切屑。2.1.3积屑瘤在一定范围的切削速度下切削塑性金属时，在刀具前面靠近力刃的部位粘附着一小块很硬的金属，这块金属就是一切削过程中产 生的积屑瘤，或称刀瘤，如图2-13所示。（1）积屑瘤的形成积屑瘤 是由于切屑和前面剧烈的摩擦、 粘结而形成的。当切屑沿前面流 出时，在高温和高压的作用下，切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这上层金属的流动速度降低, 形成“滞流层”。当滞流层金属与前面之闷的摩擦力超过切屑本身分 子间的结合力时，就会有一部分金

9、属粘结在刀刃附近形成积屑瘤。 积屑瘤形成后不断长大，达到一定高度又会破裂，而被切屑带下或 嵌附在工件表面上，影响工件表面粗糙度。此过程是重复进行的。积屑瘤的形成主要取决于切削温度，如在300380C切削碳钢时易 产生积屑瘤。（2 ）积屑瘤对切削加工的影响 由于积屑瘤在形成过程中经过剧烈变形而被强化，其硬度远高于被切金属。因此可以代替刀刃进 行切削，起到保护刀刃、减小刀具磨损的作用。另外，积屑瘤的存 在，如图 2-13 所示增大了刀具的工作前角，使切屑变形和切削力减 小。但由于积屑瘤不断地产生和脱落，会在巳加工表面上留下不均 匀的沟痕，并有一些粘附在工件表面上，从而影响尺寸的精度和表 面粗糙度。

10、由此可知，粗加工时产生积屑瘤有好处，但精加工时必 须避免积屑瘤的产生。（3）影响积屑瘤产生的因素 工件材料和切削速度是影响积屑 瘤产生的主要因素。塑性好的材料，切削时的塑性变形较大，容易 产生积屑瘤。塑性差硬度较高的材料，产生积屑瘤的可能性相对较 小。切削脆性材料时，形成的崩碎切屑与前面无摩擦，一般无积屑 瘤产生。切削速度U较低（u V5m/min ）时，切屑流动较慢，切屑底 cc面的新鲜金属被充分氧化，摩擦数小，切削温度低，切屑分子间的 结合力大于切屑底面与前面之间的摩擦力，因而不会出现积屑瘤。切削速度u在550m / min范围内时，切屑底面的新鲜金属与前面 c间的摩擦数较大，切削温度高，

11、切屑分子间的结合力降低，因而容易产生积屑瘤。当切削速度u很大（u100m/min ）时，由于切 cc削温度很高，切屑底面呈微熔状态，摩擦数明显降低，亦不会产生 积屑瘤。此外，增大前角以减小切屑变形或用油石仔细打磨刀具前面以 减小摩擦，或选用合适的切削淮以降低切削温度和减小摩擦，都有 助于防止积屑瘤的产生。2.2切削力总切削力来源于切削层金属的变形抗力、刀具前面与切屑之间的 摩擦力以及后面与过渡表面产田的摩擦力，如图2-14所示中的F。2.2.1切削力的分解总切削力F是一个空间力。为了便于测量和计算，以适应机床、 刀具设计和工艺分析，常将 F分解为三个互相垂直的切削分力，如 图2.14所示。2-

12、14 总切削力的分解（1）主切削力F主切削力是总切削力F在主运动方向上的正c投影，也称为切向力。主切削力是三个分力中最大的，消耗的机床 功率也最多（95%以上），是计算机床动力和主传动系统零件（如主 轴箱内的轴和齿轮）强度和刚度的主要依据。（2）进给力F进给力是总切削力F在进给运动方向上的正投f影，车削外圆时与主轴轴线方向一致，又称轴向力。进给力一般只 消耗总功率的1 %5%,是计算进给系统零件强度和刚度的依据。（3）背向力F背向力是总切削力F在垂直于进给运动方向上p的正投影，也称为径向力或吃刀抗力。因为切削时在此方向上的运动速度为零，所以F不作功。但会使工件弯曲变形，还会引起振动,p对表面粗

13、糙度产生不利影响。2.2.2切削力、切削功率的计算（1）切削力计算 由于切削过程十分复杂，影响因素较多，生产中常采用下列经验公式计算：F =kA = kafc c D c p式中F切削力（N）；ck切削层单位面积切削力（N / mm2）；cA切削层公称横截面积（mmg）。Dk与工件材料、热处理方法、硬度等因素有关，其数值可查切c削手册。（2）切削功率计算 切削功率是三个切削力消耗功率的总合在车外圆时背向力方向速度为零，进给力又很小，消耗的功率忽略 不计，因此切削功率Pm （kw）可按下式计算：Pm=F u X 10 - 3 cc 式中 u切削速度（m/ s）。c机床电动机功率为：P 2P /

14、nEm式中 n 机床传动效率，一般取0.750.85。2.3影响切削力的因素工件材料是影响切削力的主要因素。工件材料的强度和硬度愈 高，变形抗力愈大，切削力也愈大。在强度、硬度相近的材料中， 塑性大、韧性高的材料切削时产生的塑性变形大，使之发生变形或 破坏所需的功和消耗的能量较多，故切削力较大。刀具角度中对切削力影响最大的是前角，切削各种材料时增大 刀具的前角都会使切削力减小。切削塑性大的材料时，增大前角可 使切削力降低得更多一些。主偏角对 F、F、F 都有影响，但对 F f c p p 的影响最大。为了减小 F ，防止工件的弯曲变形和振动，在车削细 p长轴时常选用较大的主偏角（ 90或75）

15、。切削用量对切削力的影响主要表现在背吃刀量和进给量上。当 增大背吃刀量和进给量时，被切削的金属增多，切削力明显增大。 实验表明，当其他切削条件一定时，背吃刀量加大一倍，切削力增 大一倍；而进给量加大一倍，切削力只增加68%86%。切削速度对切削力的影响不大，一般情况下可不予考虑。2.4切削热与切削温度2.4.1切削热及其传散在切削过程中，由于切削层金属的弹性、塑性变形以及摩擦而 产生的热，称为切削热。切削热通过切屑、工件、刀具以及周围的 介质传导出去，如图 2-15所示。在第二变形区内切削热主要由切屑 和工件传导出去；在第二变形区内切削热主要是由切屑和刀具传导 出去；在第三变形区内切削热主要是由工件和刀具传出。加工方式 不同，切削热的传散情况也不同。车削时，切削热的 50%86%由 切屑带走，10%40%传入刀具，3%9%传入工件，1%左右传人 空气。图2-15切削烧的来源与传散2.4.2影响切削热的因素切削区域（一般指切屑与前面的接触区）的平均温度，称为切 削温度。切削温度可用仪器测定，也可通过切屑的颜色判断。如切 削碳素钢，切屑的颜色从银白色、黄色、紫色到蓝色，贝俵明切削 温度从低到高。（1）工件材料的影响 工件材料对切削温度的影响与材料的强 度、硬度及导热性有关。材料的强度、硬度愈高，切削时消耗的功 愈多，切削温度也就愈高。材料的导热性好