本文探討了多刃車刀加工表面質(zhì)量的改善機(jī)理相關(guān)內(nèi)容。

　　在車削加工中，加工表面質(zhì)量通常隨著切削深度的增加而降低，因此，為達(dá)到加工表面質(zhì)量要求，往往不得不減小切削深度，采用多次車削來切除加工余量。多刃車刀的應(yīng)用則可有效緩解加工表面質(zhì)量與加工效率之間的矛盾。

圖1 兩刃車刀加工原理

　　多刃車刀的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將多把單刃車刀組合在一起。以兩刃車刀為例，其加工原理如圖1所示。設(shè)第一切削刃的切削深度為ap1，第二切削刃的切削深度為ap2，其最大切削深度為各切削刃切削深度之和，即ap=ap1+ap2。當(dāng)切削深度小于ap2時(shí)，第一切削刃懸空，只有第二切削刃工作。根據(jù)“先粗后精”的加工原則，各切削刃的切削深度應(yīng)依次遞減，即ap1>ap2。與普通車刀相比，多刃車刀可在滿足相同表面質(zhì)量要求條件下增大切削深度，提高加工效率。同時(shí)，當(dāng)加工余量一定時(shí)，采用多刃車刀可提高加工精度等級(jí)，降低加工表面殘余應(yīng)力，減輕車床顫振，改善工件表面質(zhì)量。多刃車刀適用于光軸、通孔、圓柱體工件等的加工，但用于加工階梯軸時(shí)需適當(dāng)加寬退刀槽，對(duì)應(yīng)用范圍有一定限制。

　　機(jī)械加工表面存在表面粗糙度、波度等表面幾何形狀誤差和表面層的物理、機(jī)械性能變化。在車削加工中，影響工件表面質(zhì)量的因素主要有表面粗糙度、冷作硬化、表面殘余應(yīng)力、表面波度等。采用多刃車刀可有效改善工件表面質(zhì)量。

　　表面粗糙度

　　采用多刃車刀可減小每一切削刃的切削深度，從而減小切削力及工件材料的塑性變形，因此可獲得較小的表面粗糙度。另外，由于切削層較薄，切削刃與金屬材料的冷焊作用較小，可減少積屑瘤、鱗刺的生成。因此，采用多刃車刀可顯著提高工件表面粗糙度。

　　冷作硬化

　　在切削加工中，金屬表層的塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移、晶格扭曲并發(fā)生晶粒拉長、破碎及纖維化，從而引起金屬材料的冷作硬化。冷作硬化可使工件表層硬度和強(qiáng)度提高，韌性降低，變得硬脆，影響加工表面質(zhì)量。由于采用多刃車刀可減小材料塑性變形，因此可降低冷作硬化程度。此外，由于多個(gè)切削刃相距較近，切削熱較難散發(fā)，可使刀刃與工件表層接觸區(qū)溫度升高，部分抵消冷作硬化作用。

　　表面殘余應(yīng)力

圖2 塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

　　在切削加工中，當(dāng)表層材料相對(duì)基體材料發(fā)生形狀和體積變化時(shí)，在加工表面層將產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其大小隨深度而變化，外層應(yīng)力與表層一基體材料交界處的應(yīng)力方向相反，相互平衡。圖2a、2b分別表示由冷塑性變形和熱塑性變形引起的殘余應(yīng)力。加工時(shí)，在切削力作用下，已加工表面層因受拉應(yīng)力而產(chǎn)生伸長塑性變形，表面積趨向增大，此時(shí)已加工表面層處于彈性變形狀態(tài)。切削力去除后，工件里層恢復(fù)原狀，但外層受塑性變形影響不可能完全恢復(fù)原狀，因而在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層則產(chǎn)生相應(yīng)拉應(yīng)力與之平衡，這就是冷塑性變形引起的殘余應(yīng)力。

　　熱塑性變形引起殘余應(yīng)力的機(jī)理為：加工時(shí)，工件表層在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，而里層基體材料受溫度影響較小，使表層熱膨脹受到限制而產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)切削溫度超過材料彈性變形范圍后，表層將產(chǎn)生熱塑性變形。切削加工結(jié)束后，溫度下降，材料膨脹恢復(fù)，但表層因產(chǎn)生熱塑性變形不能完全恢復(fù)，因此在表層塑性區(qū)產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力，基體材料中則產(chǎn)生與之平衡的壓應(yīng)力。切削過程中的冷塑性變形與熱塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力方向相反，可相互抵消一部分。但因切削加工中冷塑性變形較大，熱塑性變形較小，所以表面殘余應(yīng)力總體上表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

　　采用多刃車刀加工時(shí)，由于切削熱不易散發(fā)，切削溫度較高，因此產(chǎn)生的熱塑性變形及引起的殘余拉應(yīng)力F也相對(duì)較大，通過與冷塑性變形引起的殘余壓應(yīng)力B相互抵消，最終可減小工件表面殘余應(yīng)力殘，計(jì)算方法為

　　殘=F-B=Et-B

　　式中：——線性膨脹系數(shù)

　　E——彈性模量

　　t——溫升

　　由圖3所示材料屈服強(qiáng)度曲線可知，TB/sub>越高，則B越小，F(xiàn)越大，故殘隨溫升增大較快。

圖3 溫度與殘余應(yīng)力的關(guān)系

　　工件表面波度主要由加工系統(tǒng)的顫振引起。當(dāng)車床徑向切入加工時(shí)，若切削過程受到一個(gè)瞬時(shí)擾動(dòng)，使工件與刀具產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng)，就會(huì)在工件表面留下一段波紋;在下一轉(zhuǎn)切削時(shí)，刀具在帶波紋表面切削，切削厚度的變化會(huì)引起切削力波動(dòng)，這種在動(dòng)態(tài)切削力作用下引起的加工激振稱為再生顫振。圖4所示的刀具與工件相對(duì)振動(dòng)位移分別為Ya和Yb，其方程為 Ya=|Y|cos(t+) Yb=|Y|cost

　　切削厚度隨時(shí)間變化的分量為

　　u(t)=Ya-Yb=|Y|[cost(cos-1)-sintsin]

　　=-|Y|2sin(/2)[sintcos(/2)+costsin(/2)]

　　=2|Y|sin(/2)cos[t+(/2+/2)]

圖4 刀具與工件的相對(duì)振動(dòng)位移

　　由于多刃車刀每個(gè)切削刃的初相位不同(分別為1、2、…)，因此切削厚度隨時(shí)間變化的分量u(t)也各不相同，即每一時(shí)刻各個(gè)切削刃的切削厚度不同，這樣就破壞了加工系統(tǒng)的再生顫振，從而減小加工表面波度。