【浅谈金属切削加工中控制表面质量的几种方法】浅谈智能表面

时间:2019-08-18 05:11:45 来源:QQ空间素材网 本文已影响 QQ空间素材网

  摘要:本文主要把影响金属切削加工质量的诸多因素加以分析,得出了几种控制工件加工质量的方法。   关键词:刀具几何参数;切削用量;冷却液;刀具材料   中图分类号:TG51 文献标识码:A
  经过长期的生产实践 ,对影响金属材料切削加工的因素有了更多的认识,适当的调整切削用量、刀具参数及其环境因素,就能够使零件表面质量达到设计要求。下面针对主要影响因素,作如下分析。
  1切削力对加工质量的影响
  金属加工过程中切削力对零件的质量起着至关重要的作用,处理的不当,不仅会降低生产率,而且使零件的表面质量受到很大影响。
  由(图1)看到了刀具切削过程中的受力分解。式(1)为合力公式,其中Fr为合力,Fz、Fy、Fx分别为主切削力、切深抗力、进给抗力;式(3)为切削力指数公式,、、决定于被加工材料和切削条件的有关系数;Y、、、、、、、、分别为三个分力公式中,背吃刀量、 进给量f和切削速度 的指数;、、分别为切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。
  1.1影响切削力的因素
  一般来说,切削力来源于工件材料的弹塑性变形,刀具与切屑、工件表面的相互摩擦,所以凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力,主要因素有:工件的材料、切削用量、刀具的几何参数及其他因素。由式(2)可知,被加工材料的抗剪变形、切削面积愈大,剪切角和前角愈小,那么切削力愈大。详细分析如下:
  1.1.1工件的材料
  工件材料是通过材料的剪切屈服强度τ、塑性变形、切屑与前刀面之间摩擦系数μ等条件来影响切削力的。
  工件材料的强度、硬度越高,则材料的剪切屈服强度τ越大,切削力越大。材料的制造和热处理状态不同,得到的硬度也不同,切削力随着硬度提高而增大。工件材料还受加工硬化程度的影响。材料强度高就伴随着加工硬化倾向,导致切削力大。工件材料的塑性或韧性越高,切屑越不易折断,致使切屑与前刀面间摩擦力增加,因此切削力增大。例如,不锈钢1Cr18Ni9Ti的硬度接近45钢,但延伸率是45钢的4倍,在相同的条件下产生的切削力较45钢增大25%。而在切削铸铁等脆性材料时,由于塑性变形很小, 崩碎切屑与前刀面的摩擦小,故切削力小。
  1.1.2切削用量
  ①背吃刀量、进给量f
  、f增大,切削宽度 、切削厚度增大,切削面积Ac增大,抗力和摩擦力增加, 则切削力增大,但影响程度不一。因刀刃钝圆半径的关系,刃口处的变形大,增大,该处变形成比例增大;f增大,则变形比例基本不变,而切削厚度变大,平均变形减小,单位切削力降低,因此,进给量 f增大一倍,切削力约增加 70~ 80%。所以增加时切削力的增大较f的增大影响明显。一般切削力实验公式中的指数接近于1;f 的指数接近于0.75也可说明这一点。可见,在同样切削面积下,采用大的f比采用大的省力。
  ②切削速度
  切削塑性金属时,对切削力的影响主要是由积屑瘤与切屑间的摩擦作用所造成的。以车削加工45钢(HB187、正火)为例。采用外圆车刀(YT15),刀具几何参数=18、 =6~8、′=4~6、κr=75、κr′=10~12、=0.2mm,切削用量=3mm,f=0.25mm/r。当35m/min时,切削温度高,μ减小,则变形系数ξ减小,使切削力减小。
  1.1.3刀具几何参数的影响
  ①刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r对背向力Fp、进给力Ff的影响较大,对Fc的影响较小。
  ②刃倾角刃倾角λs对主切削力Fp的影响很小,但对进给力Ff和背向力Fp的影响较大。当λs从正值变为负值,Fp将增加,Ff将减小。所以车削刚性较差的工件时,一般不取负的刃倾角。
  ③主偏角主偏角κr对主切削力影响较小,主要影响切削力的作用方向,即影响Fp与Ff的比值。
  ④负倒棱在锋利的切削刃上磨出负倒棱,可以提高刃区的强度,从而提高刀具使用寿命,但使切削变形加大,切削力增加。
  ⑤前角前角加大,使切屑变形减小,因此切削力下降。加工钢料时,把 带入式(2)可知,前角增大,变形系数ξ减小,则切削合力Fr减小。材料不同,前角的影响也不同,对塑性较大的材料,如紫铜、铝合金等,切削时塑性变形大,前角的影响较显著;而对脆性材料,如铸铁、脆黄铜等,前角的影响就较小。
  2、切削液对加工质量的影响
  切削液对切削加工的作用大体分为两种即润滑和冷却。
  使用切削液后,切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜,成为流体润滑摩擦,此时摩擦系数很小。实际情况是属于边界润滑摩擦,其摩擦系数大于流体润滑,但小于干摩擦,起到了一定的润滑作用
  冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热,从而降低切削温度,提高刀具寿命;减少工件、刀具的热变形,提高加工精度;降低断续切削时的热应力,防止刀具热裂破损等,起到了冷却作用 。常用的冷却液有以下几种。
  ①非水溶性切削液
  切削油(铣)、固体润滑剂,非水溶性切削液主要起润滑作用。
  ②水溶性切削液
  水溶液(钻)、乳化液(磨),水溶性切削液有良好的冷却作用和清洗作用。
  ③油性添加剂。用以改善在较低温度下切削液的润滑性能。
  ④极压添加剂。比油性添加剂能耐较高的温度。
  ⑤表面活性剂。由于表面活性剂分子的极性基团和非极性基团可分别溶于水和油,从而把水和油连接起来,即起到乳化作用;此外还能吸附在金属表面上形成润滑膜起润滑作用。
  2.1切削液的选用
  选择切削液时,通常按被加工材料,刀具材料及加工方法的不同而选择不同的切削液。
  按工件材料选用:加工钢等塑性材料时,需要切削液。加工铸铁等脆性材料时,不用切削液。
  按刀具材料选用:高速钢刀具耐热性差,粗加工时应选用以冷却作用为主的切削液,以降低切削温度;在精加工时应使用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液,以提高加工表面质量。硬质合金刀具由于耐热性好,一般不用切削液。
  按加工方法选用:对半封闭、封闭加工,选用极压乳化液或极压切削油,以对切削区进行冷却、润滑和对切屑冲洗。磨削加工时,由于磨削区温度很高,磨屑会破坏已磨削表面质量,要求切削液具有良好的冷却、清洗、排屑和防锈性能。
  3、刀具材料对加工质量的影响
  刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。刀具切削性能的优劣,不仅取决于刀具切削部分的几何参数,还取决于刀具材料。
  3.1常用刀具材料的种类
  目前广泛应用的刀具材料主要有碳素工
  具钢( T10A )、合金工具钢(9SiCr, CrWMn)、高速钢、硬质合金、超硬材料(陶瓷、金刚石、立方氮化硼)。 3.1.1高速钢(HHS) 高速钢HHS:W、Mo、Cr和V含量较高的合金工具钢,许用切削速度高于一般的合金工具钢。W、Mo溶于基体,提高红硬性;W、Mo、Cr等形成高硬度的碳化物,提高硬度和耐磨性。热处理后硬度可达62~66HRC, 抗弯强度约3.3GPa,有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性,切削温度在500℃~650℃时仍能进行切削。由于热处理变形小、能锻易磨,所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具,如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。 3.1.2通用型高速钢 (钨)钼钢,用钼取代部分钨,在高速钢刀具中,钼和钨的作用基本相同,1%的钼可代替2%的钨。钼能减少钢中碳化物的不均匀性,细化碳化物晶粒,提高韧性。常用钢号如W6Mo5Cr4V2(M2)、W9Mo3Cr4V2(W9)等。 3.1.3高性能高速钢。高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素,使其常温硬度可达67~70HRC,耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。常用牌号有W2Mo9Cr4VCo(M42)、W6Mo5Cr4V5SiNbAl(B201)、W6Mo5Cr4V2Al(501)等。 3.1.4 粉末冶金高速钢。是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末,然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。常用牌号有CPM T15、ASP30、ASP60等。 3.2 HHS的选择 根据工件材料的性质:一般易加工材料选择通用型高速钢,难加工材料选高钴、高钒高速钢,以提高刀具的耐热耐磨性能。 根据工件的形状和刀具的类型:简单刀具可选择高钒高速钢,复杂刀具可选择钨系、钼系低钴高速钢(不可选高钒高速钢),钻头选钼系高速钢。 根据加工方式:断续加工选用韧性较好的钼系高速钢和稀土高速钢。若选用高钴、高钒高速钢必须采用适当的热处理,提高其韧性。 3.3硬质合金 硬质合金是由高硬度高熔点的金属碳化物和金属粘结剂组成,经过粉末冶金方法制造而成。硬质合金=硬质相(TiC、WC、TaC、NbC)+ 粘结相(Co、Ni、Mo等,其中Co比较常用)。金属碳化物具有高硬度、高熔点、化学稳定、热稳定性高等特点,因而硬质合金的耐磨性和红硬性较好,刀具的耐用度较高。同类硬质合金粘结剂含量越多刀具的韧性越好,但硬度越低。硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造。硬质合金刀具常温硬度为89~93HRA,化学稳定性好,热稳定性好,耐磨性好,耐热性达800℃~1000℃硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5~10倍。 ①常用硬质合金的种类及其性能: ②钨钴类硬质合金,其代号为YG,相当于ISO标准的K类:硬质相(WC)+粘结相(Co) 常用牌号:YG3、YG6、YG8(3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%) 实际应用:YG3(精加工) YG6(半精加工) YG8(粗加工) 合金中含钴量愈高,韧性愈好,适合于粗加工,反之用于精加工。YG(K)类硬质合金,有较好的韧性、磨削性、导热性,适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。主要用于加工铸铁及有色金属,不适合加工钢料,因在640℃时发生严重粘结,使刀具磨损,耐用度下降。 钨钴钛类硬质合金,其代号为YT , 相当于ISO标准的P类: 硬质相(WC+TiC)+粘结相(Co) 常用牌号:YT5、YT14、YT15、YT30(数字表示TiC的百分含量) 实际应用:YT5(粗加工),YT14、YT15(半精加工),YT30(精加工) 以WC为基体, 添加TiC,用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高,Co含量就低,其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高,但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降,适合于精加工。主要用于加工钢料,一般不用于加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti的亲合力较大,使刀具磨损较快。 钨钛钽(铌)钴类硬质合金,其代号为YW,相当于ISO标准的M类。在钨钴钛类硬质合金(YT)中加入TaC(NbC),可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性,提高合金的高温硬度和高温强度,提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有色金属,也可用于加工钢材,常称为通用硬质合金,主要用于加工难加工材料。 、碳化钛(TiC)基硬质合金,其代号为YN这种合金有很高的耐磨性,有较高的耐热性和抗氧化能力,化学稳定性好,与工件材料的亲合力小,抗粘结能力较强。抗弯强度和韧性低于WC基合金,主要用于钢材、铸铁的精加工。 3.4 涂层刀具 刀具材料的韧性和硬度通常很难兼顾,一般刀具材料的寿命主要是受磨损的影响 ,如果采用表面涂覆处理的办法,可妥善解决这一问题。涂层既能提高刀具材料的耐磨性,又保持其韧性。所谓涂层刀具是指在韧牲较好的刀具基体上(硬质合金或高速钢),涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。 TiC硬度比TiN高,抗耐磨性能好,对于剧烈磨损的刀具,TiC涂层好。 TiN涂层与金属亲和力小,抗氧化性好,在高温时能产生氧化膜,与铁基材料摩擦系数较小,抗粘结性能好,并能有效降低切削温度。 Al203涂层在高温下稳定性好。 3.5陶瓷刀具 以氧化铝(Al2O3)基陶瓷或氮化硅(Si3N4)基陶瓷为主要成分,添加少量粘结剂,高温烧结而成的一种微晶显微组织的刀具材料。如国产陶瓷刀具赛隆(Sialon),其特点是硬度很高(高于硬质合金)、耐磨性好、耐热性高(1200℃)、化学稳定性高、与金属亲和力小,抗粘结和抗扩散能力好。摩擦系数低、加工表面粗糙度小。切削速度比硬质合金提高2-5倍。强度和韧性差,脆性大,易崩刃,刃磨困难。主要用于加工钢、铸铁的精加工和半精加工,大件零件和高精度零件加工。 3.6金刚石刀具 硬度最高、耐磨性好、摩擦系数最低、导热系数最大、强度和韧性不高,热稳定性差(700℃-800℃),刃磨困难,和铁、钛有很强的化学亲和力。主要用于有色金属及其合金、非金属材料的半精加工、精加工和超精加工。不用于加工黑色金属、钛及其合金。 结束语 经过上述分析,金属加工过程中要注意到刀具的受力情况,冷却液的正确选用,还要选择适当性能的刀具,只有这样,才能使零件表面质量得到有效的控制,在保证质量的前提下,又好又快的加工出合格产品。 参考文献 [1]王先逵.机械加工工艺手册第二版[M].北京:机械工业出版社,2006,12. [2]陈锡渠,彭晓南.金属切削原理与刀具[M].北京:中国林业出版社,2006. [3]PN Rao.Manufacturing Technology Metal Cutting & Machine Tools[M]. 机械工业出版社,北京:2003. [4]李儒荀.刀具设计原理与计算[M].南京:江苏科学技术出版社,1985,5. [5]杨洁淑.刀具刃磨技术[M].北京:中国农业机械出版社,1985. [6]孙以铨.刀具设计[M].北京:中国工业出版社,北京:1961.

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