劉 鑫，孟廣耀，林倩倩，李民剛

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033）

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高速列車關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)效率要求也相應(yīng)的提高，在列車的眾多配件生產(chǎn)加工中，車輪軸箱體的加工為最典型的待優(yōu)化環(huán)節(jié)。

軸箱體精加工現(xiàn)行采用粗、精鏜孔工藝路線。由于加工孔的直徑較大且深度大，在實際生產(chǎn)中，加工件數(shù)少、刀尖鈍化嚴(yán)重，更換刀片頻繁。由于換刀時間長，對刀準(zhǔn)確度差，致使加工效率低、加工品質(zhì)不穩(wěn)定等一系列問題出現(xiàn)。

當(dāng)前對金屬切削的研究主要集中在車削、銑削方面，而針對鏜削加工性的研究較少。文中針對鑄鋼材料進(jìn)行鏜削加工試驗，通過合理選擇涂層硬質(zhì)合金刀具和優(yōu)化切削參數(shù)來提高鏜削效率和刀具壽命；同時建立試驗條件下的刀具壽命模型，分析各參數(shù)對切削力的影響，進(jìn)一步優(yōu)化、選擇合理的切削參數(shù)，為高效、高品質(zhì)地加工提供試驗依據(jù)。

1 鏜削實驗

1.1 實驗材料及設(shè)備

實驗材料為高速列車鑄鋼軸箱體,材料成分如表1所示，材料硬度為HB115。如果材料內(nèi)部存在雜質(zhì)或鑄造缺陷,會對刀具沖擊較大,導(dǎo)致刀具急劇的刃口磨損,嚴(yán)重影響使用壽命。

表1 軸箱體化學(xué)成分

刀片為涂層硬質(zhì)合金刀片TCMT110208-24，HV1669.3，基體材料為硬質(zhì)合金YT15，涂層TiAlN可以抗崩刃和磨損，表面涂層TiN可以降低摩擦系數(shù)和防止粘結(jié)[1]。刀片是角度為60°、寬度為0.1 mm的負(fù)倒棱，以增加切削刃強(qiáng)度，刀體前角為10°，后角為7°。刀柄為日本 BIG+KAISER EWN158，SL200-270。

在WINTER三軸立式數(shù)控加工中心工作臺上進(jìn)行試驗，主軸轉(zhuǎn)速為60～4000 r/min,每鏜完一個工件，使用工具顯微鏡進(jìn)行前、后刀面的磨損測量,使用TR100便攜式表面粗糙度測量儀進(jìn)行表面粗糙度的測量。切削試驗結(jié)束后，采用表面形貌儀對刀具表面的磨、破損形貌分析。試驗過程為油基潤滑劑MPS01A，切削速度ν=150～250 m/min，固定軸向切深ap=0.1～0.2 mm,每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f≥0.16 mm。

1.2 刀具磨損實驗

1.2.1實驗過程

首先在之前的加工經(jīng)驗結(jié)果基礎(chǔ)上,將背吃刀量定為0.15 mm。試驗分七組進(jìn)行，不同切削速度ν（主軸轉(zhuǎn)速n）和進(jìn)給速度fr組合如表2所示：

表2 七組試驗組合參數(shù)

在試驗時,刀具失效的判斷依據(jù)是以下三種形式的一種或多種的組合。

（1）刀具后刀面磨損NB≧0.03 mm；

（2）刀具前、后刀面出現(xiàn)剝落或破損；

（3）已加工表面表面粗糙度大于1.6。

實驗結(jié)束后，測量刀片徑向磨損量NB值，并繪制磨損趨勢關(guān)系線,如圖1所示。

圖1 刀具磨損曲線

從圖1中可以看出,刀片在250 min的切削速度、0.16的進(jìn)給量情況下刀具切削長度最長。同原始所用切削參數(shù)2相比，使用壽命增加一倍,這樣就能夠使實際生產(chǎn)減少一次換刀對刀時間，大大提高生產(chǎn)效率。

1.2.2刀片磨損形態(tài)分析

圖2所示分別為刀片切削部分失效前刀面的SEM照片。從圖中可以看出，刀具磨損初期，如圖2（a）所示，前刀面的磨損主要是一些凹坑和微崩刃，崩刃現(xiàn)象主要是在熱力耦合集中作用等因素下,在刀具的刀刃處發(fā)生破損。

刀具所走路程達(dá)到一定長度以后，如圖2（b）所示，涂層會出現(xiàn)大面積的剝落，在切削刃口處有大塊斷裂，且由于基體材料的紅硬性、抗熱震性不足,使得前刀面的主、副切削刃附近逐漸出現(xiàn)類似月牙洼磨損現(xiàn)象；加上工件鑄造時存在的縮松組織以及微觀組織中存在硬質(zhì)相,從而使崩刃等刀具硬質(zhì)點磨損失效形式加速形成。

圖2 刀具前刀面磨損SEM照片

圖3 為刀片后刀面工業(yè)顯微鏡照片。照片顯示,在工件切削時,工件的已加工表面與刀具后刀面相接觸,相互摩擦引起后刀面磨損。后刀面與已加工表面相互擠壓，存在彈性和塑性變形，直接影響到了加工尺寸。

另外，根據(jù)測力儀顯示，在刀片切入工件的一瞬時，刀具受力大于正常切削時切削力的二到三倍,這種沖擊損耗可以使刀片瞬時產(chǎn)生崩刃,這也是刀片壽命不高的原因。

圖3 刀具后刀面磨損工業(yè)顯微鏡照片

2 磨損與切削力模型建立

2.1 鏜削力的測量

切削力的測量一般有電阻應(yīng)變片式測力儀和壓電式測力儀。由于壓電式測力儀具有靈敏度較高、剛度大、自然頻率高、線性度好和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點,因此，本實驗采用壓電式測力儀[5]。

切削力測量系統(tǒng)為YDX－Ⅲ9702型壓電式測力儀,由電荷放大器、PCI9118采集卡、監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 鏜削力測量系統(tǒng)示意圖

2.2 鏜削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒?/h3>

切削力的大小是由很多因素決定的,如刀具材料切削用量刀具角度、刀具材料等。一般對切削力的計算都是建立在實驗基礎(chǔ)上的,采用指數(shù)模型計算切削力,常用指數(shù)公式[6～7]如式子（1）所示。

式中，

CF為被加工材料和切削條件的系數(shù)；

x、y、z為決定于刀具與工件材料的系數(shù)；

KF為各因素對切削力修正系數(shù)的積。

對式（1）兩邊同取對數(shù),則

令 Y=lgF,B=lgCF,C1=lgap,C2=lgf,C3=lgν,得：

運用最小二乘法形回歸法進(jìn)行擬合,先對式（3）進(jìn)行回歸分析,然后反求式（1）中的系指數(shù)，可得出指數(shù)形式的鏜削力經(jīng)驗公式。根據(jù)試驗得到的鏜削力數(shù)據(jù)，以鏜削力為目標(biāo)建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

刀具壽命模型為：

2.3 參數(shù)優(yōu)化處理

刀具壽命受切削速度的影響最大,在公式（5）中，切削速度的指數(shù)為-0.982,隨著切削速度的增加，切削力增大，刀具耐用度降低。從刀具壽命經(jīng)驗公式（5）可以看出切削速度ν及進(jìn)給量 f對刀具壽命的影響非常顯著[8]。

本實驗最終將參數(shù)優(yōu)化為：

在處理初始切入時的沖擊問題是本實驗將刀片旋轉(zhuǎn)一定角度,當(dāng)角度改變后,由主切削刃的靠近刀柄部分先行切入,從而保護(hù)了刀尖部分,也使刀片壽命得到一定的提高。

3 結(jié)束語

相比高速鋼等其他原廠使用刀具，TiAlN-TiN涂層硬質(zhì)合金刀片有較長的刀具壽命。通過實驗可知，刀具磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和粘結(jié)磨損。利用正交試驗法對涂層硬質(zhì)合金刀具鏜削力、刀具壽命進(jìn)行了試驗,獲得了鏜削力、壽命經(jīng)驗公式，并對參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出合理的切削速度、切削深度,可以提高刀具壽命，從很大程度上保證了加工品質(zhì)，進(jìn)而提高了加工效率。

[1]喬 陽，艾 興，劉戰(zhàn)強(qiáng)，等.涂層刀具銑削粉末冶金鎳基高溫合金試驗研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報，2010，38（8）：83-88.

[2]Graham Don.Machining PM parts[J].Manufacture engineering,1998,120(1):64-67.

[3]吳道全，萬光珉，林樹興，等.金屬切削原理及刀具[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1994.

[4]袁哲俊.金屬切削實驗技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[5]X.Q.Chen,H.Z.Li.Development of a tool wear observer model for online tool condition monitoring and control in machining nickel-based alloys[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2009,(45):785–799.

[6]陳日曜.金屬切削原理[M](第二版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[7]陸劍中，周志明.金屬切削原理與刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[8]洛拉得澤T H著.切削刀具強(qiáng)度和耐磨性[M].艾興等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1988.