李云英，韓　波，夏業(yè)啟

(1.山東北方現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 250010；2.成都鐵路局 貴陽(yáng)南車(chē)輛段，貴州 貴陽(yáng) 550005)

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關(guān)于薄壁環(huán)氧玻璃鋼管切削角度的工藝技術(shù)研究

李云英1，韓波2，夏業(yè)啟1

(1.山東北方現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 250010；2.成都鐵路局 貴陽(yáng)南車(chē)輛段，貴州 貴陽(yáng) 550005)

玻璃鋼加工是一種特殊的機(jī)械加工工藝方法，而絕大多數(shù)的玻璃鋼零件都離不開(kāi)車(chē)削工序。車(chē)刀作為車(chē)削過(guò)程的重要刀具，其切削角度的選擇對(duì)玻璃鋼切削產(chǎn)品的質(zhì)量具有極其重要的意義。針對(duì)薄壁環(huán)氧玻璃鋼管加工，分別研究了車(chē)刀前角、后角、主偏角和刃傾角等切削角度的選擇。

玻璃鋼加工；車(chē)刀；切削角度

隨著玻璃鋼工業(yè)的發(fā)展及成型工藝的改進(jìn)和提高，玻璃鋼產(chǎn)品的機(jī)械加工越來(lái)越受到人們的關(guān)注。玻璃鋼是以環(huán)氧樹(shù)脂為粘結(jié)劑，玻璃纖維為填料，加入少量配合劑的熱固性塑料制品，其中二氧化硅含量達(dá)90%以上的高硅氧玻璃鋼[1]，在切削過(guò)程中，一些硬質(zhì)點(diǎn)具有研磨的性質(zhì)，使刀具磨損嚴(yán)重，工件起層、掉渣，粉塵嚴(yán)重，樹(shù)脂因切削溫度高而燒焦。不同樹(shù)脂基的玻璃鋼材料的切削加工難易程度也不同，因此，車(chē)削刀具必須圍繞刀刃磨損這個(gè)問(wèn)題，選取適合于切削玻璃鋼的刀具幾何角度。本文僅從車(chē)削薄壁環(huán)氧樹(shù)脂玻璃鋼管工藝角度來(lái)研究切削角度的選擇。玻璃鋼管體如圖1所示。

圖1　玻璃鋼管體

1　對(duì)車(chē)刀前角γ的要求

在生產(chǎn)中，通過(guò)觀(guān)察車(chē)削玻璃鋼管的實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，前角大小對(duì)車(chē)削加工質(zhì)量有明顯影響。采用γ=0°的車(chē)刀前角角度，切削深度為0.5 mm，進(jìn)給量為0.1 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為250 r/min的車(chē)削工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)工件表面除顏色變黃色外，還有局部起層及斷裂現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。如果將車(chē)刀前角角度γ增至24°時(shí)，上述現(xiàn)象就會(huì)消除，工件表面粗糙度也顯著降低，無(wú)斷裂現(xiàn)象(見(jiàn)圖3)。

圖2　局部起毛、起層及斷裂現(xiàn)象

圖3　截?cái)啾砻婀饣?，無(wú)起毛、斷裂現(xiàn)象

研究前刀面的摩擦特性可知，切削時(shí)玻璃鋼切削表面有60%的纖維，其中大量纖維垂直于切削方向形成硬質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)?shù)度星懈罾w維時(shí)，切削面上的凸起點(diǎn)與前刀面接觸作用，產(chǎn)生摩擦熱。摩擦熱越高，刀刃越容易燒蝕，磨損越大[2]，因此，必須減少摩擦熱，減小切削變形及前刀面摩擦?？紤]到管體的表面質(zhì)量因素，大膽采用大前角，配合采用R=4.5 mm，深0.8～1.0 mm的斷屑槽，不僅彌補(bǔ)了刀具前角過(guò)大而刀具單薄的缺點(diǎn)，又滿(mǎn)足了車(chē)刀鋒利的有利因素，降低了切削熱。車(chē)刀前角及后角示意圖如圖4所示。

圖4　車(chē)刀前角及后角示意圖

2　對(duì)車(chē)刀后角α的要求

增大后角α能夠改善切削條件。由于后刀面的摩擦特性與前刀面相同，因此，要想減少摩擦熱也必須增大后角；但是后角增大勢(shì)必會(huì)引起切削系統(tǒng)的振動(dòng)，切削不穩(wěn)定，細(xì)長(zhǎng)管工件的車(chē)削更是如此。切削過(guò)程中僅后角變化時(shí)的現(xiàn)象比較見(jiàn)表1。

表1　切削過(guò)程中僅后角變化時(shí)的現(xiàn)象比較

從表1及加工過(guò)程中的情況看，若采用相同的切削用量，對(duì)于厚壁玻璃鋼材料粗車(chē)時(shí)，余量大，強(qiáng)度高，剛度好，當(dāng)后角適當(dāng)增大至15°～20°時(shí)，工件表面質(zhì)量要求可以得到滿(mǎn)足。但對(duì)薄壁、細(xì)長(zhǎng)玻璃鋼管體就不同了，當(dāng)后角達(dá)到15°時(shí)，加工過(guò)程中產(chǎn)生了振動(dòng)，加工表面產(chǎn)生了振動(dòng)波痕，嚴(yán)重影響了零件的表面質(zhì)量和性能。為減少車(chē)削加工中產(chǎn)生的振動(dòng)，避免加工表面易出現(xiàn)刀痕和波紋，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)可知，后角α為7°～9°較為適宜，同時(shí)切削速度應(yīng)適當(dāng)提高一點(diǎn)。在精加工時(shí)，還應(yīng)著重考慮車(chē)刀后刀面的摩擦，車(chē)刀后刀面一定要光滑，入口處不允許有任何過(guò)渡面(也就是后刀面與刀刃相交)，在使用前不允許用油石或砂布打磨，以保證刃口絕對(duì)鋒利和光滑。

3　對(duì)主偏角κr的要求

主偏角的選擇對(duì)刀具耐用度影響很大。根據(jù)切削層參數(shù)內(nèi)容可知，在切削深度ap與進(jìn)給量f不變時(shí)，主偏角κr減小將使切削厚度hD減小，切削寬度bD增加，參加切削的切削刃長(zhǎng)度也相應(yīng)增加，切削刃單位長(zhǎng)度上的受力減小，散熱條件也得到改善。而且當(dāng)主偏角κr減小時(shí)，刀尖角增大，刀尖強(qiáng)度提高，刀尖散熱體積增大。所以主偏角κr減小，能提高刀具耐用度。

由上述分析可知，車(chē)刀主偏角κr的大小，對(duì)切削分力的大小、刀尖強(qiáng)度及散熱條件有比較明顯的影響。生產(chǎn)中的管體是由玻璃鋼纖維纏繞成型的，玻璃鋼材質(zhì)彈性大，剛度差，主偏角加大時(shí)切削徑向分力減小，軸向分力增大，所以實(shí)際生產(chǎn)中大都采用主偏角κr=90°的車(chē)刀，以減小工件彎曲變形。由于玻璃鋼纏繞層的方向性以及芯模作用，按照玻璃鋼纏繞傾斜角大小選擇用較小的主偏角κr，以減少切削力。車(chē)刀主偏角κr由90°改成75°，使過(guò)渡表面截面在切削力的作用下變寬，刀刃參加切削部分變長(zhǎng)，切屑變寬、變薄，利于散熱。刀具壽命也有所延長(zhǎng)。對(duì)工藝系統(tǒng)剛度較差的工件(長(zhǎng)徑比lw/dw=6～12)，主偏角κr=60°～75°[3]。這也是金屬切削原理中主偏角的選擇原則之一。

4　對(duì)刃傾角λs的要求

玻璃鋼切削加工時(shí)，應(yīng)特別注意刃傾角。刃傾角主要根據(jù)玻璃鋼層間組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和切削加工性的要求來(lái)選擇[4]。車(chē)削刃傾角合理參考值見(jiàn)表2。

表2　車(chē)削刃傾角合理參考值

考慮到刃傾角λs對(duì)徑向分力和軸向分力的影響很大，為防止玻璃鋼管體已加工表面出現(xiàn)起層、斷裂和掉渣等現(xiàn)象，應(yīng)選用正刃傾角。正刃傾角能使徑向力增大，主切削力減小，改善切削層的受力關(guān)系。當(dāng)切削加工時(shí)，正刃傾角后部首先切入工件，然后，刀尖切入。刀尖開(kāi)始不承受切削力，這樣既可以保護(hù)刀尖，又為確保大前角和刀刃的鋒利程度提供了可靠條件。實(shí)踐證明，車(chē)刀最低點(diǎn)高于工件中心線(xiàn)約1 mm，當(dāng)?shù)都夂偷都庾罡唿c(diǎn)相差0.67～0.72 mm，刃傾角λs=0°～1°時(shí)，基本上可以防止已加工表面起層、斷裂和掉渣等缺陷。其表面質(zhì)量狀況如圖5所示。

圖5　λs=0°～1°的管體表面質(zhì)量狀況

5　對(duì)刀尖圓弧半徑R的要求

刀尖圓弧半徑R是根據(jù)加工的表面粗糙度和切削時(shí)的進(jìn)給量來(lái)確定的，在實(shí)際生產(chǎn)中，刀尖圓弧半徑R對(duì)刀尖的強(qiáng)度及加工表面粗糙度的影響比較大，因此，車(chē)刀刀尖圓弧半徑是切削加工玻璃鋼重要的刀刃參數(shù)。對(duì)于低表面粗糙度、高精度零件，要達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸和精度要求，應(yīng)該選用較大的圓弧半徑。若要達(dá)到更好的切削效果，車(chē)刀刀尖圓弧半徑應(yīng)和走刀量結(jié)合起來(lái)，否則會(huì)起相反的作用。對(duì)相同的走刀量而言，R小則加工后的工件表面粗糙度大(紋波明顯)；R大則表面粗糙度小(加工后顯得平滑)?？紤]到脆性大的刀具對(duì)振動(dòng)敏感的因素，采用硬質(zhì)合金刀具的圓弧半徑值R選擇要小些，選擇R=2～3 mm。同時(shí)采用與之相配合的走刀量為：切削速度vc=40～80 m/min，切削深度ap=0.1～4 mm，進(jìn)給量f=0.2～0.5 mm/r。加工后的效果如圖6所示。

圖6　R=2～3 mm的管體表面質(zhì)量狀況

6　結(jié)語(yǔ)

在切削玻璃鋼類(lèi)材料管體時(shí)，只有選擇合適的幾何角度參數(shù)，才能保證工件的加工質(zhì)量，提高刀具的使用壽命。在車(chē)削纏繞成型的環(huán)氧樹(shù)脂基玻璃鋼薄壁管時(shí)，前角宜選24°，而后角選6°～8°，車(chē)外圓時(shí)主偏角最好選75°，刃傾角選0°～1°，圓弧半徑選2～3 mm，即可滿(mǎn)足玻璃鋼管的的加工質(zhì)量及精度要求。

[1] 楊光勇,等.環(huán)氧酚醛玻璃纖維布膠板的銑削加工[J]. 水利電力機(jī)械,1992(1):46-49.

[2] 中國(guó)玻璃鋼工業(yè)協(xié)會(huì)編寫(xiě)組.玻璃鋼簡(jiǎn)明技術(shù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3] 韓榮第，周明.金屬切削原理與刀具[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[4] 穆惠民，袁海榮. 玻璃鋼機(jī)械加工[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

責(zé)任編輯鄭練

Research on Technology of Glass Steel Cutting Angle

LI Yunying1, HAN Bo2, XIA Yeqi1

(1.Shandong North Modern Chemical Indurstry Co., Ltd., Jinan 250010, China; 2.Chengdu Railway Bureau, Guiyang South Depot, Guiyang 550005, China)

Glass steel processing machinery processing technology is a special method, and most of the glass steel parts cannot do without the turning process. As an important tool cutting process, the cutting angle choice is very important to the quality of glass cutting steel products. According to the thin-walled epoxy glass steel tube processing, the selection of rake angle, relief angle, tool cutting edge angle and cutting edge inclination angle is investigated.

glass steel processing, turning tool, cutting angle

TG 51

A

李云英(1974-)，女，工程師，中國(guó)機(jī)械工程師，主要從事纏繞型玻璃鋼管體的切削加工工藝制作等方面的研究。

2016-05-06