1 引言

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。

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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)切削刃的切削深度為ap1，第二切削刃的切削深度為ap2，其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)，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。

2 多刃車刀改善加工表面質(zhì)量的機(jī)理

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(zhǎng)、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

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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(zhǎng)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*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*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sF也相對(duì)較大，通過與冷塑性變形引起的殘余壓應(yīng)力sB相互抵消，最終可減小工件表面殘余應(yīng)力s殘，計(jì)算方法為

s殘=sF-sB=aEDt-sB

式中：a——線性膨脹系數(shù)

E——彈性模量

Dt——溫升

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

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圖3 溫度與殘余應(yīng)力的關(guān)系

表面波度

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=shuYshucos(wt+y)

Yb=shuYshucoswt

切削厚度隨時(shí)間變化的分量為

u(t)=Ya-Yb=shuYshu[coswt(cosy-1)-sinwtsiny]

=-shuYshu2sin(y/2)[sinwtcos(y/2)+coswtsin(y/2)]

=2shuYshusin(y/2)cos[wt+(p/2+y/2)]

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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y1、y2、…)，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。

多刃車刀由于具有多個(gè)切削刃，在車削加工中可減小加工表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力，部分消除工件表面冷作硬化和加工系統(tǒng)的再生顫振，從而可有效提高被加工工件的表面質(zhì)量。