文/苏格历史

编辑/苏格历史

锡铅青铜合金(CuSn7Pb15⁃C)是一种优质的轴承材料，被广泛应用于汽车涡轮增压器中的滑动轴承。

轴承本身具有润滑油孔，精车外圆时，在过孔处会造成断续车削，孔周围会形成毛刺，导致轴承润滑效果差。

在大批量生产过程中，主动抑制毛刺既可以解决上述润滑效果差的问题，又能够极大程度地降低生产成本，提高生产效率。

采用PCD刀具对滑动轴承进行切削试验，研究毛刺形成机理，探究不同切削用量和刀具前角对毛刺高度的影响规律，通过方差分析法评估各因素对毛刺高度的影响程度，对大批量断续车削滑动轴承过程中毛刺的抑制具有重要意义。

二、试验条件及方案

2.1轴承材料及试验刀具

选用牌号为CuSn7Pb15-C的锡铅青铜合金轴承，具体成分见表1，力学性能见表2，轴承结构如图1所示：

图1 轴承结构

试验选用PCD刀具，刀具几何参数见表3。

2.2试验方案

采用三因素四水平的拟水平正交试验，在CA6140车床上对滑动轴承进行干式切削，试验选用的因素与水平见表4。

利用YDGB-Ⅲ05车削测力仪采集试验过程中的切削力，采用VHX-600E超景深显微镜观测毛刺形成部位，并且拍摄毛刺图片，将图片导入Digimizer软件中测量毛刺高度。

三、毛刺形成部位及原因分析

3.1毛刺形成部位

图2为切削过程的示意图。
根据刀具的切入与切出，将孔表面分为四个区域，如图3所示。

图2 切削过程

图3 区域划分

毛刺形成部位如图4所示。
可以看到，区域Ⅱ内几乎无毛刺，区域I与区域Ⅲ内毛刺较少，毛刺多形成于区域IV内。

由此可知，毛刺的形成部位与刀具切入、切出工件部位相关，即刀具切出工件终端面时，毛刺形成，这是因为当刀具即将切出工件终端面时，切削刃与工件末端之间的材料厚度减小，支撑刚度随之减小，当切削力大于工件末端材料所能承受的极限时，工件末端切削层材料发生弯曲变形，切削层材料发生旋转，毛刺随之形成。

图4 毛刺形成部位

3.2毛刺形成部位与主切削力变化关系

切削力是切削加工过程中的重要参数，主切削力变化过程如图5所示。

当经过断续孔时，主切削力会出现急剧下降再急剧上升的现象，并且主切削力出现负值。
这是因为断续切削时，刀具由切削状态转为非切削状态的瞬间，切削力大于工件末端所能承受极限值，材料发生负剪切现象，刀具切削刃产生了方向相反的摩擦力。

负剪切现象的产生使工件末端材料发生旋转，导致毛刺形成。
由以上分析可知，通过监测主切削力的变化，可以获知毛刺的形成。

图5 主切削力变化过程

4.1切削速度对毛刺高度的影响规律

如图6所示，随着切削速度的提高，主切削力呈现先增大后减小最后趋于稳定的趋势，毛刺高度也呈现出先增大后减小最后趋于稳定的趋势。

当切削速度为73.48m/min时，主切削力最大，毛刺高度最大，这是因为当切削速度较低时，随着切削速度的提高，材料的应变率随之增大，单位时间内材料的应变量增加，材料发生应变率强化效应，导致主切削力增大，毛刺高度增大。

图6 切削速度对毛刺高度的影响规律

切削速度提高到一定程度后，随着切削速度继续提高，一方面产生更多切削热使得切削温度升高，工件材料发生热软化效应，强度和硬度降低，主切削力减小；另一方面，摩擦系数减小，变形系数减小，主切削力减小。
在二者共同作用下，材料末端变形量减小，主切削力减小，毛刺高度呈减小趋势。

由此可见，当切削速度提高到一定程度后，在增加材料去除率、提高生产效率的同时，也可抑制毛刺的形成。

4.2进给量对毛刺高度的影响规律

如图7所示，随着进给量的增大，主切削力呈现增大趋势，毛刺高度逐渐增大，当进给量为0.05mm/r时，可以获得毛刺高度和主切削力的最小值，这是因为随着进给量的增大，切削厚度增大，导致切削面积增大，主切削力增大；

切削厚度的增大，导致工件终端被切削材料的变形量也增大，终端面金属材料并未形成切屑就被切除，剩余金属材料增加，毛刺高度增大。

由此可知，在轴承的断续车削加工过程中，为抑制毛刺的形成，应选择较小的进给量。

图 7进给量对毛刺高度的影响规律

4.3前角对毛刺高度的影响规律

如图8所示，随着刀具前角的增大，主切削力先减小后增大。
当前角为8°时，主切削力最小，从变化数值来看，刀具前角对主切削力影响不大。

随着刀具前角的增大，毛刺高度先增大后减小。
当前角为0°时，毛刺高度最小，从变化数值来看，刀具前角对毛刺高度的影响不大。
综合考虑毛刺高度与主切削力大小等因素，推荐选用8°前角。

图8 前角对毛刺高度的影响规律

4.4毛刺高度方差分析

分析正交试验数据，对比各因素对毛刺高度贡献度的大小，确定各因素影响程度的排列顺序，具体结果见表5。

从贡献度数值来看，各因素对毛刺高度影响程度的排列顺序为进给量＞切削速度＞前角，进给量的大小对毛刺高度起决定作用，切削速度与刀具前角对毛刺高度影响不大。

为抑制断续车削滑动轴承过程中的毛刺，应优先选用较小的进给量。

五、结语

采用PCD刀具对滑动轴承进行切削试验，研究毛刺形成机理，探究不同切削用量和刀具前角对毛刺高度的影响规律，通过方差分析法评估各因素对毛刺高度的影响程度，得出以下结论。

(1)毛刺形成于刀具切出部位，毛刺的形成会伴随负主切削力值。

(2)切削速度提高，毛刺高度先增大后减小，变化幅度不大；进给量增大，毛刺高度呈增大趋势；前角增大，毛刺高度基本不变。

(3)进给量对毛刺高度的影响最大，切削速度与刀具前角对毛刺高度的影响不大。
为了抑制毛刺的形成，在选用切削用量时，应优先考虑进给量这一因素。

参考文献

[1]蒋玉琴．国内外汽车滑动轴承材料发展现状及趋势[J].汽车工艺与材料，2009(3):10-13.

[2]刘升，万捷，丁仲奇．浅谈轴承盖类零件表面毛刺的预防与修整[J].铁道机车车辆工人，2010(12):29-32.

[3]PerssonH,AgmellM,BushlyaV,etal.Experimentalandnumericalinvestigationofburrformationinintermittentturn⁃ingofAISI4140[J].ProcediaCIRP,2017,58:37-42.

[4]ToropovAA,KoSL,LeeJM.Anewburrformationmodelfororthogonalcuttingofductilematerials[J].CIRPAnnals:ManufacturingTechnology,2006,55(1):55-58.

[5]OlssonM,PerssonH,AgmellM,etal.FEsimulationandex⁃perimentalverificationofside⁃flowandburrformationinma⁃chiningofoxygen⁃freecopper[J].ProcediaCIRP,2018,72:1427-1432.

[6]黄娟．微细切削毛刺的形成机理及其表征方法研究[D].镇江：江苏大学，2019.

[7]陆家朋．金属切削加工中边缘毛刺形成机理及尺寸预报理论研究[D].长沙：湖南大学，2016.