用合理制备切削刃的刀具加工工件过渡区
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在工件过渡区(即淬硬表层与经部分淬硬的工件本体的过渡区域)的加工中,由于被加工结构具有不同的特性,因此刀具切削刃必须满足复杂的、有时是相互矛盾的性能需求。例如,在切削变形程度不大的淬硬工件材料时,为了达到适当的切削刃稳定性,对刃口进行钝化处理被证实是有益的。另一方面,由于未淬硬材料在切削时具有较大的弹塑性变形,需要采用锋利的切削刃加工。因此,需要的刀具切削刃形貌应能低成本、高质量地加工具有软、硬两个不同部分的工件。迄今为止,关于在加工具有表面淬硬层和局部淬硬的工件时,刀具切削刃的微观几何形貌、制备方法、技术参数与加工结果之间的关系的相关知识一直比较欠缺。本文专门针对这一问题进行了深入研究。

引言

由于经济上或功能、技术上的原因,越来越多的工件采用了局部淬硬的处理方式。例如,在汽车、航空航天工业或机器制造业中,一些特殊的加工应用意味着必须对加工过程进行深入研究,以便在加工工件的表面层与局部淬硬材料的过渡区时,通过构建有效的加工系统和选择适当的加工参数,获得可重复的最佳加工效果。其结果是(尤其在考虑刀具切削刃的微观几何形貌时),专用刀具及其附属技术的有效性(包括切削刃的制备和刀具的刀片技术)正变得极其重要。本文介绍了在建立切削刃微观几何形貌、加工条件与加工结果之间的关系上所做的工作,以及获得的主要成果。作为项目的目标参数,产品质量与经济指标同样重要。

切削刃的制备

切削刃的制备方法包括毛刷技术、在磁场中进行表面精加工,以及在专用喷砂机中进行喷砂处理等。
本文的研究对象是方形刀片(S型几何形状)和切槽刀片。研究的刀具材料为两种聚晶立方氮化硼(CBN或PCBN)牌号和一种陶瓷牌号。在最先进行的试验中,首先确定了修改刀片几何参数和刀具材料的技术范畴,然后,根据确定为合适的参数组合来制备刀片的切削刃,继而通过切削试验对这些刀片的加工效果进行研究。其后,采用具有相应参数组合(它们确定了加工工艺)的每一种刃口制备方法,得到至少两种不同的切削刃条件。将用这种制备方法获得的切削刃的半径和表面粗糙度与初始条件(磨后刀片)以及市场上销售的切削刀片进行了比较,结果如图1所示。
(注:每组直方图代表的制备方法从左至右依次为:初始状态-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁场R1-磁场R2-喷砂R1-喷砂R2-市售刀片)
图1 用不同方法制备的切削刃的半径和粗糙度与初始条件和市售刀片的比较
从比较结果可知,采用不同的制备方法和加工条件,获得的切削刃微观几何形貌也不相同。根据加工原理,用毛刷制备的切削刃其刃口半径大小取决于制备时间,随着毛刷制备时间的增加,刃口半径增大的速度递减,且刃口粗糙度也逐步减小,而且似乎会达到一个极限值。另一方面,在磁场中对CBN刀片刃口进行表面精加工时,刀具刃口半径的增大与加工时间无关。这就意味着,增加精化时间并不会导致切削刃半径的进一步增大。然而,对于陶瓷刀片则不然,随着制备时间的增加,陶瓷刀片的切削刃半径将会增大。无论对于何种材料的刀具,在磁场中制备的切削刃刃口粗糙度的减小都要比经过毛刷制备的刃口小得多。采用两种不同技术进行喷砂处理的刃口有着相似的刃口半径和表面粗糙度,在所采用的条件下,其刃口粗糙度与处理前相比没有减小。正如预期的那样,采用不同材料的切削刀具表现出了不同程度的耐磨性。
为了证实用不同方法制备的切削刃的性能与市场上供应的刀片的对比结果,也为了确立制备方法和切削刃微观形貌对制备结果的影响关系,我们对不同结构的工件过渡区进行了广泛的切削试验研究。

切削试验与结果

首先对专门设计的试件进行了切削试验,试件与实际工件相仿并用于纵向车削(在纵轴方向有从硬→软/软→硬、突变和渐变的过渡区域,进行硬表面层的沉切)和切槽试验(在切槽方向上有过渡区域)。所研究的材料是滚柱轴承钢100Cr6,1.3505(纵向车削硬度有突变和渐变的过渡区域)和表面淬硬钢16MnCr5,1.7131(沉切硬表面层和切槽)。

图2 车削突变过渡区的试验装置(机床:TRAUB TND 300)
所有这些切削试验的切削速度为Vc=150m/min。在车削有突变和渐变过渡区域时以及沉切硬表面层时的进给量为f=0.1mm。切深根据所采用方法的不同而有所变化。在车削有硬度突变和渐变的过渡区域时,切深为ap=0.1mm。在沉切硬表面层时,切深为ap=1.5mm(表面淬硬深度CHD=0.8mm)。为了研究刃口制备对切削进给量的影响,进行了硬表面层的切槽试验,进给量分别为f1=0.03mm和f2=0.06mm。对材料的切入深度为3mm(CHD=1.5mm)。
为了确定初始参数与加工结果之间的关系,记录了所有试验数据,并根据刀具、工件以及与加工过程有关的其他因素进行了评估。例如,对于所有的切削试验,在经过确定长度的切削后,对刀具的磨损情况和粗糙度进行评估。采用选定的切削刃形状进行切削试验,记录下加工时切削力各分量的大小、切屑形成过程以及切削过程中的温度变化,并进行分析。刀具寿命指标为磨损区宽度达到VBmax=0.3mm,或切削刃出现微崩刃。由于进行了多次试验,获得了很多结果,本文只能针对其中一些选定部分进行讨论。

纵向车削:突变过渡区

纵向车削试验采用已商品化的刀片来进行,这些刀片的切削刃口经过毛刷制备、在磁场中制备或喷砂处理。切削沿着硬→软和软→硬两个不同方向进行。图2为试验装置和试件的尺寸。图3为用不同方法制备的刀具寿命(切削长度)以及市售刀具寿命。
(注:每组直方图代表的制备方法从左至右依次为:初始状态-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁场R1-磁场R2-喷砂R1-喷砂R2)
图3 车削突变过渡区的刀具寿命(切削长度)

图4 车削渐变过渡区的试验装置(机床:TRAUB TND 300)
从图3可以看出,用不同方法制备的切削刃的表现根据刀具材料和加工方向而有所不同。与市售刀片相比,一般来说,对切削刃进行制备并不能延长刀具寿命。无论刀具材料和加工方向如何,在这些不同的制备方法中,切削刃在磁场中进行处理的刀具其寿命增加最为明显。
由于淬硬材料的变形程度不大,因此工件上较硬部分的粗糙度总是小于较软的区域。然而,尽管有时切削刃的粗糙度有很大差异,但平均来看,采用不同方法制备的切削刃加工出的工件表面粗糙度是具有可比性的。
从刀具的磨损机理来看,可以这样说:毛刷制备的切削刃的磨损形式主要为磨料磨损;而经过磁场处理以及那些经过喷砂处理切削刃的刀具,其寿命指标主要取决于崩刃。可以这样认为:刀具的磨损机理与刀具表面层的残余应力有关。

纵向车削:渐变过渡区

与上述方法类似,渐变过渡区的纵向车削试验也采用了市售切削刀片和切削刃采用不同方法和不同参数制备的刀片来进行。加工仍按两个方向(硬→软和软→硬)进行。切削试验装置和零件的尺寸见图4。从两个不同方向加工时的刀具寿命见图5。通过调整制备工艺参数,无论选用何种制备方法,都可以提高刀具寿命。在每种加工情况下,最适合的制备方法取决于切削刀具的材质。无论从哪个方向进行加工,切削刃在磁场中预处理过的CBN刀具的性能改善最明显。
(注:每组直方图代表的制备方法从左至右依次为:初始状态-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁场R1-磁场R2-喷砂R1-喷砂R2)
图5 车削渐变过渡区的刀具寿命(切削长度)
与车削突变过渡区的情况类似,工件上较硬区域的粗糙度总是优于在过渡区和较软区域测得的粗糙度。无论从哪个方向及采用何种刀具加工,都可以发现,在工件较软区域可获得更好的粗糙度,这种情况有时也出现在过渡区域。刀具磨损机理与车削突变过渡区时具有可比性,可以观察到相同的磨损现象。

图6 沉切硬表面层的试验装置(机床:TRAUB TND 300)

硬表面层的沉切

在沉切硬表面层的切削试验中,也采用不同方法对刀具切削刃进行了制备,并与市售刀具进行对比。切削试验装置和零部件尺寸见图6。与车削渐变过渡区的试验结果类似,在某些情况下沉切硬表面层时,通过对切削刃进行制备,可以显著提高刀具寿命。
(注:每组直方图代表的制备方法从左至右依次为:初始状态-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁场R1-磁场R2-喷砂R1-喷砂R2)
图7 沉切硬表面层的刀具寿命

图8 在硬表面层上切槽的试验装置(机床:WEILER E50)
如图7所示,对CBN材质的刀具切削刃采用毛刷进行稳定性处理后,刀具寿命有可能提高大约25%。对于陶瓷刀具,用毛刷对刃口进行制备后,刀具寿命甚至可增加一倍以上。可以认为:对切削刃进行稳定性处理对于刀具寿命具有正面作用,这或许是因为切深更大的缘故。在采用韧性更好的CBN刀具材料时,如果刀具表面经过磁场处理,即使其切削刃半径相对较小,刀具寿命也有可能提高大约80%。通常,经过磁场处理的陶瓷刀具切削刃在短时间内会出现微崩刃,可以认为,这种刀具的早期失效也与由制备工艺引起的表面应力有关。采用经过喷砂处理的切削刃加工时,刀具寿命没有获得任何改进。由不同切削刃加工的表面粗糙度相互之间具有可比性。车削突变过渡区和渐变过渡区时,刀具的磨损也几乎相同。

在硬表面层上切槽

与前述方法一样,通过在硬表面层的切槽试验,得到用不同方法制备的切削刃的性能指标,并与市售刀片进行比较。切削试验装置见图8。每种试验刀具的寿命见图9。
(注:每组直方图代表的制备方法从左至右依次为:初始状态-毛刷R1-毛刷R2-毛刷R3 -磁场R1-磁场R2-喷砂R1-喷砂R2)
图9 在硬表面层上切槽的刀具寿命
由图可见,在某些情况下,通过设置合适的制备工艺参数,切槽刀具的性能同样可以获得明显改进。与纵向车削的情况不同,无论是哪种刀具材料,切削刃经喷砂处理后的刀具寿命都最长,这清楚地显示了切削过渡区的类型对刀具性能的影响。与市售的切削刀片相比,喷砂处理切削刃可以提高刀具寿命。进给率仅在部分情况下会对CBN切削刃产生较大影响。而陶瓷刀片的性能却在很大程度上取决于设定的进给率。尤其是使用经喷砂处理或在磁场中制备的切削刃时,将进给率设定为f2=0.06mm时,刀具寿命将会提高;但将进给量设定为f1=0.03mm时,这些刀片在切了几个槽后大多数就失效了。
关于刀具磨损的进程,可以认为:无论采用哪种刀具材料和切削刃制备方法,所有切削刃都是首先发生磨料磨损,然后主要在刀尖处出现微崩刃。当设定的进给量较大时,磨料磨损也表现得更为剧烈。在试验中,我们多次发现,切削刃以一种不受控制的方式发生崩刃,并与排屑或断屑问题有关。这就意味着,在大多数情况下,不可能充分利用切削刃的加工能力。
对真实零件的加工情况表明,对试件进行切削试验获得的结果对生产实践是有意义的。由于被加工的工件具有不同的过渡区构造,因此,应该对所有的切削刃制备方法都加以考虑。

结论

许多单项试验获得的结果证实,通过采用特定方法对切削刃的微观形貌进行修整,即使在切削加工表面有过渡层和局部淬硬区的工件时,也有可能提高切削刀具的使用性能。显然,切削刃的加工性能不仅要受到切削刃半径大小的影响,也要受到制备方法及设定工艺参数的影响。从试验结果中不可能得出选用哪种制备方法更好的一般性结论。在每种特定的条件下,最适合的制备方法取决于切削刀具的材料和加工方式(即过渡区的性质)。在纵向车削时,切削刃经过磁场制备和喷砂处理的刀具表现出非常好的使用性能;而在切槽时,切削刃经过毛刷制备的刀具则有非常不错的切削性能。因此,根据不同的加工条件,可以确定切削刃制备方法和适当的制备工艺参数组合,从而获得最佳刀具寿命。不过,研究结果也表明,切削刃制备工艺极其敏感,只需经过短距离切削,制备不当的切削刃很快就会失效。至于刀具材料,在加工具有表面过渡层和局部淬硬区的工件时,根据试验结果,推荐使用CBN含量较低、具有较高韧性的CBN牌号。
本文作者:谢华锟(译)
原载:《工具展望》2008年第6期
上载于:2011-2-9 11:44:36

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