利用刃口钝化技术提高切削效率
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为了提高铣削加工效率,除了在刀具宏观几何结构设计上下功夫以外,改变其微观几何结构的设计参数也是途径之一。这里,首先要提到对提高切削效率起着重要作用的刃口钝化处理工艺。按照人们目前的认识,在加工钛金属时,使用刃口锋锐的刀具对提高切削效率是有益的。
钛金属因其自身的材料特性,在未来(特别是在航空工业中)将起到越来越重要的作用。钛金属具有强度高、韧性好、导热率低以及特殊的抗腐蚀能力等特点。随着碳纤维(CFU)被大量用作航空构件材料,钛金属零部件的应用也随之增加,这是因为钛金属与CFK匹配使用时,两者间产生的电化学电位差比铅金属与CFK之间的电位差要低。今后,会有更多更大的结构部件用钛金属制造,这就对切削加工的工艺设计提出了要求,必须提供能适应钛金属加工的高效铣削工具。
为了提高铣削加工效率,除了在刀具宏观几何结构设计上下功夫以外,改变其微观几何结构的设计参数也是途径之一。这里,首先要提到对提高切削效率起着重要作用的刃口钝化处理工艺。按照人们目前的认识,在加工钛金属时,使用刃口锋锐的刀具对提高切削效率是有益的。以下介绍的试验结果显示,尽管钛金属有这样的材料特性,但通过适当改变刀具微观几何结构的设计参数,同样可以起到提高切削效率的作用。

图1 磁精密刃口钝化装置(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

具有高复现性的刃口钝化处理技术

刀具刃口钝化的方式通常有用刷子刷、喷丸、滚筒抛光等。本文介绍一种较新的刃口钝化处理——磁精密修整技术(见图1)。在两磁头之间充满由磁性颗粒混合而成的冲刮介质,两磁头以不同的速度旋转,被处理刀具置于两磁头之间,在充满刮削介质的流体中作旋转运动,介质对刀具的刃口、后面、前面和刃沟进行冲刷。这种方法也可用于处理PVD涂层刀具。
由于刀具刃口的几何形状不完全对称,其钝化程度也不均匀。为了能清楚地描述任意一个切削刃口的几何结构,特采用以下一些参数:前面节段Sγ,后面节段Sα,节段比例K,半径间距△r。以往的研究表明,刃口经钝化处理后,对刀具的切削效率有很大影响。经过目前进一步研究,人们发现,刀具刃口经过非对称均匀钝化处理,其切削加工性能优于对称均匀钝化处理的刀具性能。
本技术用于刀具刃口钝化的调整参数包括:刀具旋转方向;磁头旋转方向;刀具旋转速度;磁头旋转速度;两磁头间距;处理过程时间;刀具在磁头间的位置;浸没深度;冲刮介质粒度。
: 试验条件: 处理时间:可调;刀具与磁头距离:2mm;磁头转速:磁头1为300r/mm,磁头2为100r/mm;主轴转速:23.5r/mm;磁头旋转方向:右;刀具旋转方向:左;主轴旋转方向:左;介质粒度:粗;刀具插入位置:1;测量方法:REM
图2 钝化处理时间对刃口微观结构的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
Sα=5µm
Sγ=4µm
△r=2µm
k=0.9
Sα=14µm
Sγ=13µm
△r=7µm
k=0.9
Sα=24µm
Sγ=22µm
△r=12µm
k=0.9
Sα=33µm
Sγ=31µm
△r=16µm
k=0.9
图3 钝化处理试验对刀具刃口、刃沟微观几何形状的不同作用(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
试验件:微观几何结构:Sγ=31µm,Sα=33µm,△r=16µm;每齿进给量fz可调;其余与图4相同
图5 提高刀齿进给量对刀具磨损的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
试验条件:工件材料: TiAl6V4;冷却液: 8% Emulsion(乳化液);其余与图5相同
图6 进给量较大时的刀具磨损(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
磁头间距和钝化处理时间对处理效果有很大的影响。延长钝化处理时间,刃口钝化程度随之加大,但加大程度呈递减趋势。因此,为了进一步加大钝化量,就需要耗费更多时间和材料(见图2)。
若刃口钝化处理时间恒定不变,两磁头的间距越小,刃口钝化量就越大,这是因为间距减小时,刮削介质比间距较大时能更多、更牢地吸附在刃口表面,在刀具和磁头作旋转运动时,较高的介质吸附力会对刃口形成较大压力,从而使刃口表面材料获得更佳的刮削效果。

刃口钝化能提高刀具耐用度

图3给出了一组经刃口钝化处理试验后的刀具微观形状。从图中可以清楚地看到,这是一把一把带4个切削刃的整体硬质合金铣刀,直径D=16mm,螺旋角λ=40°,前角γ=12°,径向后角α=10°。刃口经过精密修整处理后,除刃口被钝化外,刃沟表面也被抛光。
用经过刃口钝化处理的刀具,按传统的切削参数进行加工时,其使用寿命可提高70%(见图4)。刃口钝化量越大,刀具的耐磨损性能越好。未经钝化处理的刀具在切削加工时,刃口部位会因细微破损而出现较大磨损,而这种现象在经过刃口钝化处理的刀具上很少发生,这是因为在切削加工中,切削刃上会产生很大压力,并在经钝化处理的刀刃上形成一些粘结物,从而使刀刃变得更坚固而不易磨损。
刀具经过钝化处理后,刃口的切削性能更加稳定,这对提高钛金属的加工效率尤为重要。由于可有效避免刃口破损,因此,刀具磨损的分布和过程十分均匀和稳定,切削加工的安全性和可靠性也大为提高。
图5为在刃口钝化量最大的情况下,加大每齿进给量的试验数据。当每齿进给量fz=0.06mm,即在比普通切削条件增加一倍的情况下,刀具的耐用度最高。试验在切削量达到vw=2300cm3时中断停止。由于减小了各个切削刃的切削行程,因此fz=0.06mm时比fz=0.03mm时的刀具耐用度大为提高。
: 试验条件: 刀具:槽铣刀;工件材料: Ti6Al4V;刀具材料:VHM整体硬质合金(未涂层);冷却液:8% Sitala B402;切削速度Vc=40m/min;每齿进给量: fz=0.03mm;轴向切深:ap=5mm;径向切深:ae=d;刀具尺寸:直径d=16mm,齿数z=4, αrad=10°,γrad=12°,λ=40°,
图4 刃口钝化处理对刀具磨损的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
为了加工相同数量的材料,有必要降低刀具的转速。而当切削厚度大于刀具刃口后面节段Sα时,也能改善刀具磨损状况。但是,继续提高刀齿进给量,会引起机床机械负荷增大而导致磨损加大,使切削量下降。另外,刃口经过钝化处理还可降低切削过程产生的颤振,即使选用较高的切削参数进行切削加工,仍可保证刀具的耐用度。
刃口经钝化处理后,刀具在使用时磨损非常均匀,此时在刀具的前面和后面都会形成粘结物。图6为刀具在进行各种不同切削量试验结束后的磨损情况。
当进给量较大时,刃口并未出现明显破损。为了做进一步试验,将每齿进给量提高到fz=0.15mm,切削深度减小到ap=5mm。当切削深度较大时,切削力也相应增大,从而导致刀具破损。当进给量也较大,切削深度ap=16mm时,切削过程会出现颤振,使刀具发生破损,机床主轴也会受损。

小结

刃口钝化处理对刀具磨损以及切削加工效率有着极大影响。像铣刀这类圆周切削刃、旋转对称型的刀具,可通过磁精密修整技术进行刃口钝化处理,刀具的前面、后面、刃沟也同时被抛光,这对于避免产生粘结十分有利。用经过刃口钝化处理的刀具按传统切削参数对钛金属进行铣削加工时,其耐用度可提高约70%,每齿进给量也可明显提高。试验显示,当每齿进给量fzz=0.06mm时,刀具切削状态最佳,在刀具刃口上也观察不到细微破损。
本文作者:晁刚(译)
原载:《工具展望》2009年第4期
上载于:2010-12-23 19:16:42

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