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        兩種刀具銑削淬硬不銹鋼的切削力分析

        2021-03-01 07:16:06
        金屬加工(冷加工) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:金屬陶瓷切削速度硬質(zhì)合金

        山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司 山西太原 030031

        1 序言

        不銹鋼在工業(yè)中應(yīng)用廣泛,隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,其性能要求越來越高。3Cr13Cu是一種馬氏體不銹鋼,其化學(xué)成分中含碳量高且經(jīng)熱處理后具有很高的硬度,主要用于制造高硬度耐磨彈簧、量具、刀具、醫(yī)療器械及餐具等。馬氏體不銹鋼切削過程中切削力大、切削溫度高且刀具磨損嚴(yán)重,是一種典型的難加工材料。

        不銹鋼的切削加工過程中切削力和鋸齒形切屑對(duì)刀具壽命和已加工表面質(zhì)量有很大的影響。對(duì)于易形成鋸齒形切屑的材料,由于熱塑性失穩(wěn)導(dǎo)致的切屑變形集中、切屑呈節(jié)狀和應(yīng)變率強(qiáng)化等因素,速度對(duì)切削力的影響不會(huì)太明顯。高速下切削力隨著切削速度的增加會(huì)因材料的熱軟化而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)金屬切削加工過程中的切削力進(jìn)行預(yù)測(cè),式中的參數(shù)大小和正負(fù)代表了不同的物理意義。但考慮刀具磨損的切削力經(jīng)驗(yàn)公式很少研究,且刀具磨損時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響同樣很少在文獻(xiàn)中公布。

        2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        實(shí)驗(yàn)材料為硬度44HRC的馬氏體不銹鋼3Cr13Cu,工件尺寸為50mm×70mm×150mm,熱處理工藝為淬火(950~1000℃保溫后油中冷卻)后經(jīng)430~480℃回火。實(shí)驗(yàn)刀具采用通用方肩面銑刀CoroMill 290(R290-100Q32-12L),銑刀盤的直徑為100 mm,刀片安裝后的切削刃角Kr為90o,刃傾角12o。選用了2種類型的刀片,分別是金屬陶瓷刀具(R290-12T308M-PM 530)和硬質(zhì)合金PVD涂層刀具(R290-12T308M-PM 1030,以下稱為硬質(zhì)合金刀)。工件刀具的裝夾如圖1所示。

        加工參數(shù)的具體設(shè)置見表1,加工過程不使用切削液,每個(gè)加工參數(shù)使用一個(gè)新的刃口,并銑削一個(gè)長(zhǎng)度150mm工件后測(cè)量刀具的磨損。采用Kistler 9253B23測(cè)力儀,5070A型電荷放大器及相關(guān)的設(shè)備采集加工過程中的切削力。

        圖1 工件刀具裝夾

        表1 加工參數(shù)

        3 結(jié)果及分析

        3.1 切削力分析

        如圖2所示為銑削示意,圖中A、B所處位置分別為剛切入工件的區(qū)域和即將切出工件的區(qū)域。對(duì)A、B兩個(gè)區(qū)域的切削力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

        2種刀具在A、B 2個(gè)區(qū)域的切削力對(duì)比如圖3所示。2種刀具的切削力隨切削速度的變化規(guī)律相似,隨切削速度的增加先增加后減少,最后再增加。金屬陶瓷刀片在切削速度140m/min時(shí)切削力達(dá)到一個(gè)波峰值,在切削速度為230~260m/min時(shí)達(dá)到一個(gè)波谷值。硬質(zhì)合金刀片在切削速度170m/min時(shí)切削力達(dá)到一個(gè)波峰值,在切削速度為230~260m/min時(shí)達(dá)到一個(gè)波谷值。經(jīng)分析,切削速度<140m/min時(shí),切削溫度較低,工件材料保持足夠的硬度,切削速度增加使得單位時(shí)間去除的材料增加,導(dǎo)致切削力增加;切削速度為170~260m/min時(shí),切削速度的增加使得切削溫度增加明顯,軟化工件切削區(qū)材料,導(dǎo)致切削力降低;當(dāng)切削速度>260m/min時(shí),金屬陶瓷刀具在高頻斷續(xù)切削過程中,容易產(chǎn)生微裂紋然后擴(kuò)展成崩刃,造成切削力增大。同樣硬質(zhì)合金刀具在高速切削下因切削區(qū)的高溫,容易造成刀具磨損,導(dǎo)致切削力增大。

        如圖3所示,切削一個(gè)工件長(zhǎng)度后,在切削速度<140m/min區(qū)域,切削力增加相對(duì)較少;切削速度為140m/min時(shí),金屬陶瓷刀片3個(gè)分力平均增加幅度為22%,硬質(zhì)合金刀片3個(gè)分力平均增加幅度為27.5%;切削速度>140m/min后,切削力增加明顯,且增大的幅度越來越大;切削速度為290m/min時(shí),金屬陶瓷刀片3個(gè)分力平均增加幅度為138.7%,硬質(zhì)合金刀片3個(gè)分力平均增加幅度為72.3%。

        圖2 銑削示意

        圖3 A、B兩區(qū)域的切削力對(duì)比

        2種刀具不同區(qū)域的切削力對(duì)比,如圖4所示。由圖4a可知,切削速度在140~230m/min時(shí),2種刀具在A區(qū)域切削時(shí)硬質(zhì)合金刀具的切削力較大。由圖4b可知,在B區(qū)域切削時(shí),金屬陶瓷刀具的切削力較大。原因是切削速度在140~230m/min時(shí),切削溫度對(duì)硬質(zhì)合金刀具影響更大,使得其磨損更大,導(dǎo)致切削力較大。而在斷續(xù)切削加工時(shí)切削相同距離后,金屬陶瓷刀具的崩刃或磨損更加嚴(yán)重,使得切削力較大。

        圖4 2種刀具不同區(qū)域的切削力對(duì)比

        3.2 切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)分析

        在不考慮刀具磨損的情況下,切削力的經(jīng)驗(yàn)公式見式(1),考慮刀具后刀面平均磨損時(shí),切削力的經(jīng)驗(yàn)公式見式(2)。

        式中,F(xiàn)切削力(N);a是修正系數(shù);b是常數(shù);c是常數(shù);d是常數(shù);v是切削速度(m/min);ap是切削深度(mm);f是進(jìn)給量(mm/z)。

        式中,F(xiàn)切削力(N);a是修正系數(shù);b是常數(shù);c是常數(shù);d是常數(shù);e是常數(shù);v是切削速度;ap是切削深度(mm);f是進(jìn)給量(mm/z);VB是刀具后刀面磨損量(mm)。

        采用線性回歸的方法,獲得2種刀具的A、B區(qū)域和考慮VB即刀具磨損的切削力計(jì)算公式,金屬陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)見表2和表3。根據(jù)參數(shù)項(xiàng)的變化分析各因素對(duì)切削力的影響,金屬陶瓷刀具切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)的變化如圖5所示。由圖5a可知Fy的常數(shù)a最大,且刀具磨損較大時(shí),常數(shù)a也越大??紤]刀具磨損后,公式中的常數(shù)a與B區(qū)域中的相似。

        硬質(zhì)合金刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)如圖6所示,由圖6可知,B區(qū)域和考慮刀具磨損的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù),趨勢(shì)非常相似,且Fx和Fy的b、c和d的數(shù)值變化都較小,但常數(shù)a的數(shù)值減少明顯。由圖5和圖6可知,刀具未磨損時(shí),隨著切削速度的增加切削力整體的趨勢(shì)是減少;刀具磨損后,切削速度增加導(dǎo)致切削力增加。

        綜上所述,刀具磨損初期,切削速度增加使切削力從整體上減少;刀具磨損后,切削速度增加使切削力從整體上增加。因此,在切削速度較高時(shí),切削一定距離后,刀具磨損急劇增加。

        表2 金屬陶瓷刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)

        表3 硬質(zhì)合金刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)

        圖5 金屬陶瓷刀具切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)的變化

        圖6 硬質(zhì)合金刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)

        4 結(jié)束語

        通過實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析可知,在切削一個(gè)工件長(zhǎng)度150mm后,金屬陶瓷刀具的切削力較大,原因是斷續(xù)切削加工時(shí),相同切削距離下金屬陶瓷刀具的磨損更加嚴(yán)重。刀具磨損初期,切削速度增加使切削力從整體上減少;刀具磨損后,切削速度增加使切削力從整體上增加。從切削力的角度判定,2種刀具適合在切削速度230m/min左右使用,金屬陶瓷刀具不適合在高速斷續(xù)切削中使用。

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