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  [組圖]用合理制備切削刃的刀具加工工件過渡區          【字體:
用合理制備切削刃的刀具加工工件過渡區
作者:liven    專題來源:切削技術網    點擊數:5232    更新時間:2011-3-14    
在工件過渡區(即淬硬表層與經部分淬硬的工件本體的過渡區域)的加工中,由于被加工結構具有不同的特性,因此刀具切削刃必須滿足復雜的、有時是相互矛盾的性能需求。例如,在切削變形程度不大的淬硬工件材料時,為了達到適當的切削刃穩定性,對刃口進行鈍化處理被證實是有益的。另一方面,由于未淬硬材料在切削時具有較大的彈塑性變形,需要采用鋒利的切削刃加工。因此,需要的刀具切削刃形貌應能低成本、高質量地加工具有軟、硬兩個不同部分的工件。迄今為止,關于在加工具有表面淬硬層和局部淬硬的工件時,刀具切削刃的微觀幾何形貌、制備方法、技術參數與加工結果之間的關系的相關知識一直比較欠缺。本文專門針對這一問題進行了深入研究。

引言

由于經濟上或功能、技術上的原因,越來越多的工件采用了局部淬硬的處理方式。例如,在汽車、航空航天工業或機器制造業中,一些特殊的加工應用意味著必須對加工過程進行深入研究,以便在加工工件的表面層與局部淬硬材料的過渡區時,通過構建有效的加工系統和選擇適當的加工參數,獲得可重復的最佳加工效果。其結果是(尤其在考慮刀具切削刃的微觀幾何形貌時),專用刀具及其附屬技術的有效性(包括切削刃的制備和刀具的刀片技術)正變得極其重要。本文介紹了在建立切削刃微觀幾何形貌、加工條件與加工結果之間的關系上所做的工作,以及獲得的主要成果。作為項目的目標參數,產品質量與經濟指標同樣重要。

切削刃的制備

切削刃的制備方法包括毛刷技術、在磁場中進行表面精加工,以及在專用噴砂機中進行噴砂處理等。
本文的研究對象是方形刀片(S型幾何形狀)和切槽刀片。研究的刀具材料為兩種聚晶立方氮化硼(CBN或PCBN)牌號和一種陶瓷牌號。在最先進行的試驗中,首先確定了修改刀片幾何參數和刀具材料的技術范疇,然后,根據確定為合適的參數組合來制備刀片的切削刃,繼而通過切削試驗對這些刀片的加工效果進行研究。其后,采用具有相應參數組合(它們確定了加工工藝)的每一種刃口制備方法,得到至少兩種不同的切削刃條件。將用這種制備方法獲得的切削刃的半徑和表面粗糙度與初始條件(磨后刀片)以及市場上銷售的切削刀片進行了比較,結果如圖1所示。
(注:每組直方圖代表的制備方法從左至右依次為:初始狀態-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁場R1-磁場R2-噴砂R1-噴砂R2-市售刀片)
圖1 用不同方法制備的切削刃的半徑和粗糙度與初始條件和市售刀片的比較
從比較結果可知,采用不同的制備方法和加工條件,獲得的切削刃微觀幾何形貌也不相同。根據加工原理,用毛刷制備的切削刃其刃口半徑大小取決于制備時間,隨著毛刷制備時間的增加,刃口半徑增大的速度遞減,且刃口粗糙度也逐步減小,而且似乎會達到一個極限值。另一方面,在磁場中對CBN刀片刃口進行表面精加工時,刀具刃口半徑的增大與加工時間無關。這就意味著,增加精化時間并不會導致切削刃半徑的進一步增大。然而,對于陶瓷刀片則不然,隨著制備時間的增加,陶瓷刀片的切削刃半徑將會增大。無論對于何種材料的刀具,在磁場中制備的切削刃刃口粗糙度的減小都要比經過毛刷制備的刃口小得多。采用兩種不同技術進行噴砂處理的刃口有著相似的刃口半徑和表面粗糙度,在所采用的條件下,其刃口粗糙度與處理前相比沒有減小。正如預期的那樣,采用不同材料的切削刀具表現出了不同程度的耐磨性。
為了證實用不同方法制備的切削刃的性能與市場上供應的刀片的對比結果,也為了確立制備方法和切削刃微觀形貌對制備結果的影響關系,我們對不同結構的工件過渡區進行了廣泛的切削試驗研究。

切削試驗與結果

首先對專門設計的試件進行了切削試驗,試件與實際工件相仿并用于縱向車削(在縱軸方向有從硬→軟/軟→硬、突變和漸變的過渡區域,進行硬表面層的沉切)和切槽試驗(在切槽方向上有過渡區域)。所研究的材料是滾柱軸承鋼100Cr6,1.3505(縱向車削硬度有突變和漸變的過渡區域)和表面淬硬鋼16MnCr5,1.7131(沉切硬表面層和切槽)。

圖2 車削突變過渡區的試驗裝置(機床:TRAUB TND 300)
所有這些切削試驗的切削速度為Vc=150m/min。在車削有突變和漸變過渡區域時以及沉切硬表面層時的進給量為f=0.1mm。切深根據所采用方法的不同而有所變化。在車削有硬度突變和漸變的過渡區域時,切深為ap=0.1mm。在沉切硬表面層時,切深為ap=1.5mm(表面淬硬深度CHD=0.8mm)。為了研究刃口制備對切削進給量的影響,進行了硬表面層的切槽試驗,進給量分別為f1=0.03mm和f2=0.06mm。對材料的切入深度為3mm(CHD=1.5mm)。
為了確定初始參數與加工結果之間的關系,記錄了所有試驗數據,并根據刀具、工件以及與加工過程有關的其他因素進行了評估。例如,對于所有的切削試驗,在經過確定長度的切削后,對刀具的磨損情況和粗糙度進行評估。采用選定的切削刃形狀進行切削試驗,記錄下加工時切削力各分量的大小、切屑形成過程以及切削過程中的溫度變化,并進行分析。刀具壽命指標為磨損區寬度達到VBmax=0.3mm,或切削刃出現微崩刃。由于進行了多次試驗,獲得了很多結果,本文只能針對其中一些選定部分進行討論。

縱向車削:突變過渡區

縱向車削試驗采用已商品化的刀片來進行,這些刀片的切削刃口經過毛刷制備、在磁場中制備或噴砂處理。切削沿著硬→軟和軟→硬兩個不同方向進行。圖2為試驗裝置和試件的尺寸。圖3為用不同方法制備的刀具壽命(切削長度)以及市售刀具壽命。
(注:每組直方圖代表的制備方法從左至右依次為:初始狀態-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁場R1-磁場R2-噴砂R1-噴砂R2)
圖3 車削突變過渡區的刀具壽命(切削長度)

圖4 車削漸變過渡區的試驗裝置(機床:TRAUB TND 300)
從圖3可以看出,用不同方法制備的切削刃的表現根據刀具材料和加工方向而有所不同。與市售刀片相比,一般來說,對切削刃進行制備并不能延長刀具壽命。無論刀具材料和加工方向如何,在這些不同的制備方法中,切削刃在磁場中進行處理的刀具其壽命增加最為明顯。
由于淬硬材料的變形程度不大,因此工件上較硬部分的粗糙度總是小于較軟的區域。然而,盡管有時切削刃的粗糙度有很大差異,但平均來看,采用不同方法制備的切削刃加工出的工件表面粗糙度是具有可比性的。
從刀具的磨損機理來看,可以這樣說:毛刷制備的切削刃的磨損形式主要為磨料磨損;而經過磁場處理以及那些經過噴砂處理切削刃的刀具,其壽命指標主要取決于崩刃。可以這樣認為:刀具的磨損機理與刀具表面層的殘余應力有關。

縱向車削:漸變過渡區

與上述方法類似,漸變過渡區的縱向車削試驗也采用了市售切削刀片和切削刃采用不同方法和不同參數制備的刀片來進行。加工仍按兩個方向(硬→軟和軟→硬)進行。切削試驗裝置和零件的尺寸見圖4。從兩個不同方向加工時的刀具壽命見圖5。通過調整制備工藝參數,無論選用何種制備方法,都可以提高刀具壽命。在每種加工情況下,最適合的制備方法取決于切削刀具的材質。無論從哪個方向進行加工,切削刃在磁場中預處理過的CBN刀具的性能改善最明顯。
(注:每組直方圖代表的制備方法從左至右依次為:初始狀態-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁場R1-磁場R2-噴砂R1-噴砂R2)
圖5 車削漸變過渡區的刀具壽命(切削長度)
與車削突變過渡區的情況類似,工件上較硬區域的粗糙度總是優于在過渡區和較軟區域測得的粗糙度。無論從哪個方向及采用何種刀具加工,都可以發現,在工件較軟區域可獲得更好的粗糙度,這種情況有時也出現在過渡區域。刀具磨損機理與車削突變過渡區時具有可比性,可以觀察到相同的磨損現象。

圖6 沉切硬表面層的試驗裝置(機床:TRAUB TND 300)

硬表面層的沉切

在沉切硬表面層的切削試驗中,也采用不同方法對刀具切削刃進行了制備,并與市售刀具進行對比。切削試驗裝置和零部件尺寸見圖6。與車削漸變過渡區的試驗結果類似,在某些情況下沉切硬表面層時,通過對切削刃進行制備,可以顯著提高刀具壽命。
(注:每組直方圖代表的制備方法從左至右依次為:初始狀態-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁場R1-磁場R2-噴砂R1-噴砂R2)
圖7 沉切硬表面層的刀具壽命

圖8 在硬表面層上切槽的試驗裝置(機床:WEILER E50)
如圖7所示,對CBN材質的刀具切削刃采用毛刷進行穩定性處理后,刀具壽命有可能提高大約25%。對于陶瓷刀具,用毛刷對刃口進行制備后,刀具壽命甚至可增加一倍以上。可以認為:對切削刃進行穩定性處理對于刀具壽命具有正面作用,這或許是因為切深更大的緣故。在采用韌性更好的CBN刀具材料時,如果刀具表面經過磁場處理,即使其切削刃半徑相對較小,刀具壽命也有可能提高大約80%。通常,經過磁場處理的陶瓷刀具切削刃在短時間內會出現微崩刃,可以認為,這種刀具的早期失效也與由制備工藝引起的表面應力有關。采用經過噴砂處理的切削刃加工時,刀具壽命沒有獲得任何改進。由不同切削刃加工的表面粗糙度相互之間具有可比性。車削突變過渡區和漸變過渡區時,刀具的磨損也幾乎相同。

在硬表面層上切槽

與前述方法一樣,通過在硬表面層的切槽試驗,得到用不同方法制備的切削刃的性能指標,并與市售刀片進行比較。切削試驗裝置見圖8。每種試驗刀具的壽命見圖9。
(注:每組直方圖代表的制備方法從左至右依次為:初始狀態-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁場R1-磁場R2-噴砂R1-噴砂R2)
圖9 在硬表面層上切槽的刀具壽命
由圖可見,在某些情況下,通過設置合適的制備工藝參數,切槽刀具的性能同樣可以獲得明顯改進。與縱向車削的情況不同,無論是哪種刀具材料,切削刃經噴砂處理后的刀具壽命都最長,這清楚地顯示了切削過渡區的類型對刀具性能的影響。與市售的切削刀片相比,噴砂處理切削刃可以提高刀具壽命。進給率僅在部分情況下會對CBN切削刃產生較大影響。而陶瓷刀片的性能卻在很大程度上取決于設定的進給率。尤其是使用經噴砂處理或在磁場中制備的切削刃時,將進給率設定為f2=0.06mm時,刀具壽命將會提高;但將進給量設定為f1=0.03mm時,這些刀片在切了幾個槽后大多數就失效了。
關于刀具磨損的進程,可以認為:無論采用哪種刀具材料和切削刃制備方法,所有切削刃都是首先發生磨料磨損,然后主要在刀尖處出現微崩刃。當設定的進給量較大時,磨料磨損也表現得更為劇烈。在試驗中,我們多次發現,切削刃以一種不受控制的方式發生崩刃,并與排屑或斷屑問題有關。這就意味著,在大多數情況下,不可能充分利用切削刃的加工能力。
對真實零件的加工情況表明,對試件進行切削試驗獲得的結果對生產實踐是有意義的。由于被加工的工件具有不同的過渡區構造,因此,應該對所有的切削刃制備方法都加以考慮。

結論

許多單項試驗獲得的結果證實,通過采用特定方法對切削刃的微觀形貌進行修整,即使在切削加工表面有過渡層和局部淬硬區的工件時,也有可能提高切削刀具的使用性能。顯然,切削刃的加工性能不僅要受到切削刃半徑大小的影響,也要受到制備方法及設定工藝參數的影響。從試驗結果中不可能得出選用哪種制備方法更好的一般性結論。在每種特定的條件下,最適合的制備方法取決于切削刀具的材料和加工方式(即過渡區的性質)。在縱向車削時,切削刃經過磁場制備和噴砂處理的刀具表現出非常好的使用性能;而在切槽時,切削刃經過毛刷制備的刀具則有非常不錯的切削性能。因此,根據不同的加工條件,可以確定切削刃制備方法和適當的制備工藝參數組合,從而獲得最佳刀具壽命。不過,研究結果也表明,切削刃制備工藝極其敏感,只需經過短距離切削,制備不當的切削刃很快就會失效。至于刀具材料,在加工具有表面過渡層和局部淬硬區的工件時,根據試驗結果,推薦使用CBN含量較低、具有較高韌性的CBN牌號。
專題錄入:liven    責任編輯:liven 
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