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        切削低膨脹環(huán)氧刀具選擇與切削參數(shù)優(yōu)化

        2018-12-29 05:18:14王學(xué)彬高家鑫
        微特電機(jī) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:刀量刀面切削速度

        嚴(yán) 亮,王學(xué)彬,高家鑫

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海200233)

        0 引言

        環(huán)氧澆注是一種常用的繞組絕緣方法,在電機(jī)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。根據(jù)成分和配置比例不同,環(huán)氧被分為很多種類。低膨脹環(huán)氧具有較高硬度、低膨脹系數(shù)和不宜開裂等特點(diǎn),是常用的環(huán)氧澆注材料。為不影響電機(jī)絕緣性能,環(huán)氧切削常采用干切的方式。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)切削環(huán)氧時(shí)刀具磨損非常劇烈,嚴(yán)重影響電機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量和加工效率。常用硬質(zhì)合金材料牌號(hào)分為YG、YT和YW三類,不同牌號(hào)硬質(zhì)合金材料力學(xué)性能和耐溫性能有很大差異,應(yīng)根據(jù)被加工材料合理選擇硬質(zhì)合金刀具材料[1]。李慧玲對(duì)切削鈦合金刀具材料適應(yīng)性進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn)不同硬質(zhì)合金刀具材料在切削鈦合金時(shí)刀具磨損差異很大[2]。范依航等對(duì)切削TC4鈦合金時(shí)的切削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):切削速度對(duì)刀具磨損影響較大,進(jìn)給量次之,切削深度對(duì)磨損影響最?。?-4]。

        目前,關(guān)于刀具磨損的研究,多以禁書材料為研究對(duì)象,切削環(huán)氧刀具的研究很少。為解決實(shí)際加工問(wèn)題,本文通過(guò)設(shè)計(jì)切削試驗(yàn),分析切削低膨脹環(huán)氧時(shí)切削溫度對(duì)刀具磨損的影響,選擇合適的硬質(zhì)合金刀具牌號(hào)。并通過(guò)變切削參數(shù)試驗(yàn),優(yōu)化切削參數(shù),進(jìn)一步減小刀具磨損速率。

        1 試驗(yàn)條件

        1.1 工件材料

        試驗(yàn)工件是使用低溫膨脹環(huán)氧澆注成的環(huán)氧棒,直徑為60 mm。低溫膨脹環(huán)氧成分和比例如表1所示。

        表1 低膨脹環(huán)氧成分和比例

        環(huán)氧固化后主要成分為樹脂和硅微粉填料。樹脂屬于有機(jī)材料,具有硬度低、導(dǎo)熱性差的特性;硅微粉是細(xì)度小于1μm的SiO2顆粒,具有較高的硬度和耐磨性。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        試驗(yàn)采用型號(hào)為QTN100IIL/300臥式數(shù)控車床。試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備采用QMNI視頻放大鏡,放大倍數(shù)為1~100倍。試驗(yàn)采用刀片為三角形外圓車刀,刀具幾何形貌如圖1所示,刀具的幾何參數(shù):前角γ=6°,后角 α=7°,主偏角 Kr=90°。

        圖1 刀具幾何形貌

        2 刀具牌號(hào)選擇

        2.1 常用硬質(zhì)合金刀具

        常用的硬質(zhì)合金刀具材料牌號(hào)、成分和力學(xué)性能,如表2所示。

        表2 常用硬質(zhì)合金刀具材料特性

        2.2 切削溫度對(duì)刀具磨損影響

        為了不影響電機(jī)絕緣性能,切削低膨脹環(huán)氧時(shí)要求采用干切方式,不使用切削液。低膨脹環(huán)氧硅微粉填料比例高,切削時(shí)刀刃與填料間摩擦,會(huì)產(chǎn)生大量切削熱。由于環(huán)氧導(dǎo)熱性差,切削熱不能通過(guò)切屑有效排出,積聚在切削刃上,會(huì)導(dǎo)致切削區(qū)域溫度過(guò)高。

        為研究切削溫度對(duì)刀具磨損的影響程度,試驗(yàn)使用相同刀具在加水基切削液和不加切削液的兩種條件下進(jìn)行切削。試驗(yàn)使用YG3刀具,切削速度為94 m/min,進(jìn)給量為 0.15 mm/r,切削深度為 0.3 mm。

        圖2為去除相同體積材料后,兩刀具后刀面的磨損圖。圖2(a)為不加切削液刀具后刀面形貌,刀具后刀面有很明顯的環(huán)氧粘結(jié)現(xiàn)象,這是由于切削時(shí)刀具和材料接觸面溫度過(guò)高,使環(huán)氧軟化,粘附在刀具后刀面上。未加切削液刀具磨損帶長(zhǎng)度為0.34 mm,磨損非常嚴(yán)重。圖2(b)為加水基切削液后刀具后刀面磨損形貌,由于切削液將加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱帶走,有效地降低了切削溫度,刀具后刀面上環(huán)氧粘結(jié)面積很小。加切削液后刀具磨損長(zhǎng)度為0.17 mm,遠(yuǎn)小于未加切削液刀具磨損量。

        圖2 刀具后刀面磨損圖

        由此可知,切削低膨脹環(huán)氧時(shí)刀刃與硅微粉填料間摩擦,會(huì)產(chǎn)生大量切削熱,而由于環(huán)氧導(dǎo)熱性差,切削熱不能及時(shí)排出,切削區(qū)域產(chǎn)生較高的切削溫度是刀具磨損的主要原因。故匹配適合切削低膨脹環(huán)氧的刀具材料時(shí),應(yīng)該選擇在高溫下硬度和耐磨性更好的硬質(zhì)合金牌號(hào)。

        2.3 刀具牌號(hào)選擇

        有研究發(fā)現(xiàn),TaC、TiC廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金,用來(lái)提高其力學(xué)性能,適量的TiC、TaC可以提高硬質(zhì)合金高溫時(shí)的硬度、強(qiáng)度及抗氧化性能,細(xì)晶粒TiC可以細(xì)化硬質(zhì)合金的顯微組織,提高其硬度和抗氧化性能[5-6]。劉洪喜研究了 Co/TiC熔覆層的組織與高溫磨損性能,研究發(fā)現(xiàn),Co+20%TiC涂層的高溫耐磨性比Co50涂層顯著提高,摩擦系數(shù)平穩(wěn)[7]。參考表2硬質(zhì)合金硬度和其中TiC和TaC含量,選取牌號(hào)為YW1、YT15和YT30的刀具進(jìn)行試驗(yàn),切削時(shí)不加切削液,試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

        表3 刀具選擇試驗(yàn)條件

        三種刀具切削相同體積后,觀察刀具后刀面的磨損形貌,如圖3所示。圖3(a)為YW1刀具后刀面形貌圖,YW1刀具后刀面磨損長(zhǎng)度為0.32 mm,刀具后刀面上環(huán)氧粘附嚴(yán)重。圖3(b)為YT15刀具后刀面形貌圖,YT15刀具后刀面磨損長(zhǎng)度為0.27 mm,后刀面上環(huán)氧粘附比YW1刀具較輕。圖3(c)為YT30刀具后刀面形貌圖,YT30刀具后刀面磨損長(zhǎng)度為0.13 mm,后刀面上環(huán)氧粘附最少。三種刀具在去除相同材料體積后,YT30刀具磨損量最小,YT15刀具次之,YW1刀具磨損量最大。刀具磨損量越大,切削時(shí)產(chǎn)生熱量越多,導(dǎo)致后刀面上環(huán)氧粘附越嚴(yán)重。

        圖3 三種刀具后刀面磨損形貌

        對(duì)比三種刀具磨損情況可知,干切低膨脹環(huán)氧時(shí),YT30刀具磨損速度最小,刀具耐用度最高,故可選擇YT30刀具作為切削低膨脹環(huán)氧的刀具。

        3 切削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響

        通過(guò)試驗(yàn),驗(yàn)證使用YT30硬質(zhì)合金刀具切削環(huán)氧,刀具磨損量比其余牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具小。除刀具材料外,切削參數(shù)也是影響刀具磨損的重要因素。采用YT30硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削試驗(yàn),切削時(shí)不加切削液,分別研究切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律。試驗(yàn)時(shí)記錄刀具后刀面磨損VB=0.3 mm時(shí)刀具去除材料體積,生成切削參數(shù)與去除材料體積V的關(guān)系曲線。

        3.1 切削速度對(duì)刀具磨損的影響

        試驗(yàn)條件如表4所示。

        表4 切削速度試驗(yàn)條件

        切削速度Vc與去除材料體積V的關(guān)系曲線,如圖4所示。由圖4可知,隨著切削速度增加,刀具去除材料體積呈減少趨勢(shì),切削速度小于94 m/min時(shí),刀具去除材料體積減少平緩,切削速度為94 m/min時(shí),去除材料體積為14 130 mm3,切削速度為113 m/min時(shí),刀具去除材料體積急劇減少至9 420 mm3。因此刀具的磨損速率隨著切削速度的增加而增加,當(dāng)切削速度大于94 m/min時(shí),刀具磨損速率增加明顯。YT30刀具切削低膨脹環(huán)氧時(shí),切削速度設(shè)置不宜大于94 m/min。

        圖4 切削速度對(duì)刀具磨損影響

        3.2 進(jìn)給量對(duì)刀具磨損影響。

        試驗(yàn)條件如表5所示。

        進(jìn)給量f與去除材料體積V的關(guān)系曲線,如圖5所示。由圖 5可知,進(jìn)給量在 0.05~0.25 mm/r之間,刀具去除材料體積變化不大,進(jìn)給量為0.1mm/r時(shí),刀具去除材料體積最大為14 820 mm3,進(jìn)給量為0.25 mm/r時(shí),刀具去除材料體積最小為12 150 mm3。由此可知,進(jìn)給量在試驗(yàn)區(qū)間 0.05~0.25 mm/r時(shí),進(jìn)給量對(duì)刀具磨損速率影響不明顯,進(jìn)給量在0.1mm/r時(shí),刀具磨損速率相對(duì)較小。雖然進(jìn)給量對(duì)刀具磨損影響不明顯,但進(jìn)給量對(duì)加工表面粗糙度影響很大,所以應(yīng)根據(jù)加工表面粗糙度要求合理選擇進(jìn)給量數(shù)值。

        表5 進(jìn)給量?jī)?yōu)化試驗(yàn)條件

        圖5 進(jìn)給量對(duì)刀具磨損影響

        3.3 背吃刀量對(duì)刀具磨損的影響

        試驗(yàn)條件如表6所示。

        表6 背吃刀量?jī)?yōu)化試驗(yàn)條件

        背吃刀量ap和去除材料體積V的關(guān)系曲線,如圖6所示。由圖6可知,背吃刀量在0.1~0.3 mm區(qū)間內(nèi),刀具去除材料體積減少平緩;當(dāng)背吃刀量為0.4 mm時(shí),刀具去除材料體積驟降,僅為3 720 mm3,去除材料體積遠(yuǎn)小于背吃刀量0.5 mm時(shí)的11460 mm3。在放大鏡下觀察背吃刀量0.4 mm的刀具,如圖7所示,發(fā)現(xiàn)切削刃出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。由于YT30硬質(zhì)合金刀具韌性較差,在切削深度較大時(shí),刀具易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。由此可知,背吃刀量小于0.3 mm時(shí),刀具磨損速率變化不明顯,背吃刀量選取較大值時(shí),刀具易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。使用YT30硬質(zhì)合金刀具切削環(huán)氧時(shí),背吃刀量不宜大于0.3 mm。

        圖6 背吃刀量對(duì)刀具磨損影響

        圖7 刀具崩刃圖

        4 結(jié)語(yǔ)

        切削低膨脹環(huán)氧時(shí),高的切削溫度是刀具磨損的主要影響因素。低膨脹環(huán)氧材料具有導(dǎo)熱性差的特點(diǎn),切削時(shí)刀具與環(huán)氧中硅微粉填料摩擦產(chǎn)生大量切削熱,熱量無(wú)法通過(guò)切屑排出,積累在切削區(qū)域,導(dǎo)致切削區(qū)域溫度過(guò)高,從而加劇刀具磨損。

        與YG3、YT15、YW1硬質(zhì)合金刀具磨損程度相比,YT30刀具切削低膨脹環(huán)氧時(shí)刀具磨損量小,耐用度高。故選用YT30硬質(zhì)合金刀具作為切削低膨脹環(huán)氧。

        使用YT30刀具切削低膨脹環(huán)氧時(shí),切削速度對(duì)刀具磨損影響最大,切削速度不宜大于94 m/min;背吃刀量不宜大于0.3 mm,背吃刀量過(guò)大刀具會(huì)出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。進(jìn)給量在 0.05~0.25 mm/r變化時(shí),進(jìn)給量對(duì)刀具磨損影響較小,可根據(jù)表面粗糙度要求合理選擇進(jìn)給量。

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