复合切削（精选六篇）
复合切削 篇1
切削参数ap,f,v的选择决定着劳动生产率、加工成本和加工精度。所谓切削参数优化，就是朝着预定的目标在一些约束条件下选择最佳的切削参数。可以作为优化切削参数的目标的有：最大生产率、最高利润率和最低成本。而以最大生产率、最低成本和最高利润率作为目标函数的方程均为非线性方程，因此优化问题也属于多目标、多约束、多变量的非线性优化问题。这样通常我们会想到利用极值求导法对非线性函数进行求导得到函数的极值点来确定函数的最优解，但是该算法存在以下三个问题：首先是函数为有条件约束函数，因此通过该方法求出的解有可能不在约束范围内;另外，非线性函数的极值点很有可能是多个点，再加上约束条件，因此极值点很有可能是在约束边界上，这些都为寻找真正的最优解增加了困难性;最后一个问题是对于非常复杂的非线性方程例如最大利润目标函数，求导后的方程变为“隐式函数”无法求解。因此传统的极值求导法并不适合复杂的非线性函数求极值。
本文采用复合形法进行切削加工工艺参数优化计算，克服了应用传统优化方法进行非线性、多峰值目标函数优化时的低效以及容易收敛于局部最优解的缺陷。
1 切削参数优化问题及其数学模型的建立
车削加工中的切削用量包括切削速度v、进给量f、切深ap。在通常情况下切深ap由实际的情况决定，故把它作为已知量。因此切削用量优化目标函数中的自变量是切削速度vc和进给量f。以下对最大生产率、最低成本和最高利润率目标函数进行分析。
1.1 单工序车削优化的目标函数的建立
1.1.1 最大生产率目标函数
最大生产率目标函数可以按照单工序工时平均最短的原则来确定。当加工任务紧迫，或整个产品生产中某部分零件或工序的加工出现瓶颈时，应当采用该目标函数进行优化。
在生产时，完成一道工序所需要的加工工时tw为：
式中：tm为工序的切削时间;tct为刀具磨钝后，换一次刀所消耗的时间(包括卸刀、备刀、装刀对刀等时间);T为刀具耐用度;tot为除换刀时间外的其他辅助工时;
设工件长度为lw，工件转速为nw，工件直径dw，进给量为f，则：
根据Taylor公式：
作参数替换，设：
1.1.2 最低成本目标函数
每个工件的工序成本为：
式中：C为工序生产成本;M为该工序工时费用率;Ct为刀具成本;
将式(2)，式(3)代入式(5)，并设：
1.1.3 最大利润率目标函数
每道工序的利润率为：
其中：S为工厂对该工序所收的加工费用，将式(4)，式(6)代入，并作参数替换，令：
则可得：
1.2 优化切削参数的约束条件
约束条件：优化时应考虑工艺系统性能和零件加工要求条件的限制。如机床的极限转速n、进给量f、最大功率P、切削力F、扭矩M、零件加工表面的粗糙度Ra、工艺系统的刚度K等[1,2]。系统关系图如图1所示。
1.3 复合形法的应用
以车削加工最大生产率中的切削参数优化为例。用伪随机数产生函数顶点，逐个检查各顶点，然后构成复合形。具体复合形法计算流程如图2所示。
按照上述流程图进行运算，最后得到点优化极值点tL，由公式tL(28)t(fL,vL)可以得到最大生产率的极值，而且也得到相应的切削速度和进给量的推荐值。
1.4 切削参数优化实例
下面以车削最大生产率为优化目标的作为例子介绍优化结果：
用户提供的数据如下：
工件材料：5CrMnMo;刀具牌号：Y220;切削长度(mm):300;工件直径(mm):66;切削深度(mm):3;机床型号：CW6140;换刀时间(min):2;辅助工时(min):2;最小刀具耐用度(min):30;表面粗糙度(um):3.2;刀尖圆弧半径(mm):1;刀具成本(元)：2;对该工序所收的加工费用(元)：30;该工序工时费用率(元/min):1。
系统输出的优化结果：
进给量(mm/r):0.22;切削速度(m min):169.19;加工时间(min):2.96。
2 结论
通过对切削加工理论的研究，建立了最大生产率、最低成本和最大利润率单目标切削参数优化数学模型。
将复合形法应用于切削参数的优化计算，克服了应用传统优化方法进行非线性、多峰值目标函数优化时的低效以及容易收敛于局部最优解的缺陷。开发了一套具有一定实用性和扩展性的切削参数优化系统，使刀具在实际使用中达到加工质量要求，满足成本最小，效率最高等生产要求。
参考文献
[1]詹姆斯恩.西多.最优工程设计原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1982.
[2]N.P.罗金金属切削刀具[M].北京:机械工业出版社,1988.13-47.
[3]肖伟跃.CAPP中的智能信息处理技术[M].长沙:国防科技大学出版社,2002.
[4]高健.机械优化设计基础[M].北京:科学出版社,2000.
难切削材料切削加工技术 篇2
学 院： 机械工程学院
专 业： 机 械 工 程
2013年 1 月 5日
难切削材料切削加工技术
摘要：本文阐述了难切削加工材料的定义，简单地介绍了几类难加工材料，从切削力、切削温度、刀具磨损等方面介绍了难加工材料的加工特点，并对其产生原因进行了分析。针对难加工材料在加工过程中出现的问题，本文描述了改善难加工材料的切削加工性的方法及其机理，具体对改变材料本身特性、选择刀具材料、润滑冷却方式进行详细介绍。关键词：难加工；材料；加工性；加工技术
Difficult cutting material machining
technology
Wang Xuebin(Guizhou university mechanical engineering institute Guiyang guizhou 550025）
Abstract：This paper expounds the definition of material to cutting processing, and difficult-to-machine materials processing features was reviewed ,Simply introduce several kind of difficult processing materials, from the sides of cutting force, cutting temperature, tool wear , etc, and its reasons were analyzed.For these problems that exist in the process of machining difficult-to-machine materials , this paper describes the method that improve difficult-to-machine materials processing cutting features and its mechanism, the concrete is introduced about changing materials itself characteristics, choiceing of cutting tool materials and lubrication cooling way.Key words: difficult processing;Materials;Machining;Processing technology
从某种意义上说，它们对加工的特殊要求起引言 到了促进加工技术发展的作用。现在，人们然而长期以来难加工材料如钛合金、高已经掌握了很有效的难加工材料加工方法。
温合金、不锈钢等其切削加工性极差，给生产带来效率低、质量差、刀具损耗等问题，难加工材料的定义 一直是加工中的难题。随着制造业的发展，难加工材料是指难以进行切削加工的21世纪这些材料的用量迅速增加，加工的矛材料，即切削加工性差的材料。切削加工性盾将变得突出。与此同时，产品的材料构成等级代号5级以上的材料均属于难加工材也不断优化，新的工程材料也不断问世，而料。从材料的物理力学性能看，硬度高于每一种切削材料的采用都对切削加工提出
250HBS、强度b0.98GPa、延伸率大于了新的要求。如在切削加工比较集中的汽车工业，其发动机、传动器零件中硅铝合金的30%、冲击值ak9.8105J/m2、热比例在逐渐增加，并开始引入镁合金和新的高强度铸铁以减轻汽车重量，节省能耗。又o系数k41.9W/(mC)的均属于难加工如在航空航天工业，钛合金、镍合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和材料之列，如钛合金、高温合金、不锈钢、加工难度都将进一度的增加，能否高效加工高强度钢和超高强度钢、复合材料以及硬脆这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、材料。
难加工材料的分类： 能源等重要工业的发展速度和制造业整体（1）钛合金
o钛是同素异构体，熔点为1720C，在水平，也是对切削技术的最大挑战。但低于882oC时呈密排六方晶体结构，称为钛；在高于882oC时呈密排六方晶体结构，称为钛。利用钛的上述两种结构特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及其相分含量改变而得到不同类型的钛合金。
钛合金的性能特点如下：比强度高、热强度高、抗蚀性好、低温性好、化学活性大、导热性差、弹性模量小。
（2）高温合金
高温合金又称耐热合金或热强合金，它是多组元的复杂合金，以铁、镍、钴、钛等为基础，能在600—1000度的高温氧化环境及燃气腐蚀条件下工作，而且还可以在一定应力作用下长期工作，具有良好的热强行能热稳定性能和热疲劳性能。
（3）不锈钢
不锈钢是指在大气中或在某些腐蚀性介质中具有一定的耐腐蚀能力的钢种。不锈钢种类很多，按其成分可分为钴不锈钢和钴镍不锈钢两大类。
（4）高强度钢与超高强度钢
高强度钢和超高强度钢为具有一定合金含量的合金钢。他们的原始强度、硬度并不高，但经过调质处理（一般为淬火和中温回火），可获得较高或很高的强度。
（5）复合材料
复合材料是指两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质人工制成的多相组成固体材料，是由增强相和基体相复合而成的，并形成界面相。增强相主要是承载相，基体相主要是连接相，界面相的主要作用是传递载荷，三者的不同成分和不同复合工艺使复合材料具有不同的性能。
（6）硬脆性材料
硬脆性材料具有高强度、高硬度、高脆性、耐腐蚀和腐蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学性能好等特点，是一般金属材料无法比拟的。硬脆性材料由于这些独特性能而广泛应用于光学、计算机、汽车、航空航天、化工、纺织、冶金、机械和军事等领域。
难加工材料的加工特点
难加工材料的切削加工性差一般有以下几个方面： 高强度： 2 高硬度； 高塑性和高韧性； 4 低塑性和脆性； 5 低导热性； 有大量微观硬质点或夹杂物； 7 化学性质活泼
这些性质一般都能使切削过程中切削力加大、切削温度升高，刀具磨损严重，刀具使用寿命缩短，加工表面质量恶化，切削难以控制，最终导致加工效率和加工质量降低，加工成本升高。下面详细介绍难加工材料的切削加工性及其产生机理。（1）切削力大
凡是硬度和强度高、塑性和韧性大、加工硬化严重、亲和力大的材料，切削功率消耗大，切削力大。这就要求加工设备功率大，刀具有较高的强度和硬度。表1.1是几种典型难加工材料的切削力的对比。（2）切削温度高
由于难加工材料呢往往加工硬化严重，强度高，塑性和韧性大，亲和力大而导热系数小，切削过程中会产生较大的热量，但散热性能差，因此切削温度较高。如钛合金的传导率只有45钢的1/6左右，且刀-屑接触长度短，切削热集中在切削刃附近，因此切削温度很高，往往是45钢的一倍以上。（3）刀具磨损严重，使用寿命短
凡是硬度高或有磨粒性质的硬质点多或加工硬化严重的材料，刀具的磨料磨损都很严重。另外，导热系数小或刀具材料易亲和、黏结也会造成切削温度高，从而使得黏结磨损和扩散磨损严重。因此难加工材料切削过程中使用寿命铰短。
（4）加工表面粗糙，不以达到进度要求
加工表面硬化严重、亲和力大、塑性和韧性大的材料，其加工表面粗糙度大，表面质量和精度均不易达到要求。（5）切屑难于处理
强度高、塑性和韧性大的材料，切屑连绵不绝、难以处理。切削过程中，切削应得到很好地控制，不能任其缠绕在工件或刀具上，划伤已加工表面、损坏刀具，甚至伤人。
难加工材料切削加工性的改善 1.改变材料本身的切削加工性
改善材料本身的切削加工性首先可以采用适当的热处理方法。在被加工材料化学成分已定的情况下，经过不同的热处理工艺可得到不同的金相组织，材料的力学、物理性能机加工性将出现很大的差别。故应当采用适当的热处理方法，并合理安排热处理加工工序。如低碳钢的热塑性很大，可进行冷拔或正火以降低塑性，提高硬度，使切削加工性得到改善；马氏体不锈钢也经常进行调质处理，以降低塑性，减少以加工表面粗糙度，使其较易加工；高强度钢在退火、正火状态下，切削加工并不太困难，粗加工躲在这时进行；经过调质，高强度钢的硬度、强度大为提高，变得难加工，此时可进行精加工或半精加工。
其次是可以改变材料的化学成分。在保证材料力学、物理性能的前提下，在钢中适当添加一些元素，如S、Pb、Ca等，其加工性可得到显著改善，这样的钢称为“易切钢”。易切钢可以使刀具耐用度提高，切削力减小，容易断屑，提高以加工表面的质量。易切钢的添加元素几乎都不能与钢基体固溶，而已金属或非金属夹杂物的状态分布，从而改变了钢材的内部结构与加工时的变形状况，使其加工性得到改善。在奥氏体不锈钢中添加S元素会降低不锈钢的抗腐蚀性，可在奥氏体不锈钢中添加Se元素，所形成的硒化物可提高切削加工性而不影响抗腐蚀性。合理的选用刀具材料
刀具材料的切削性能对切削加工技术的水平影响很大。切削难加工材料时，必须尽可能采用高性能的刀具材料。由于难加工材料种类繁多，性质迥异，在选用刀具时，必须注意刀具材料与被加工材料在力学、物理性能和化学性能之间的合理匹配。
常用于难加工材料切削的刀具材料有高性能高速钢、粉末冶金高速钢、添加TaC和NbC的硬质合金、细晶粒和超细晶粒硬
质合金、TiC硬质合金、添加稀土元素的硬质合金、各种陶瓷材料以及CBN和金刚石等超硬材料。
在韧性较好的刀具基体上，进行表面涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层是提高刀具切削性能的有效途径。与未涂层刀具相比，刀具经过涂层后，可以采用更高的切削速度，或在同样的切削速度下大幅度地提高刀具使用寿命，也可以减少刀具与工件材料之间的摩擦系数，从而减少切削力，改善被加工材料的表面质量。
采用PVD方法在高速钢基体上可涂覆一层致密、坚硬、厚度为几微米的氮化物或碳化物，使高速钢刀具的寿命和切削性能得到大幅度地提高。这种加工方法适用于麻花钻、立铣刀、丝锥、齿轮滚刀和插齿刀等重磨前刀面的刀具。采用PVD和CVD的方法在韧性较好的硬质合金基体上涂覆一层或多层的高硬度和高耐磨性的材料，可获得高韧性又有高耐磨性的刀具材料。3.合理的适用润滑冷却方式
在难加工材料切削过程中，合理使用切削液尤为重要。切削液基本上分为三类：切削油、乳化液、合成切削液。切削油的组要成分是矿物油；乳化液系用乳化油加水稀释而成；而乳化油则由矿物质油、乳化剂及其他物质配成；合成切削液是水基，再加入其他成分构成。以上三类切削液均需加入各种添加剂。切削液具有冷却作用和润滑作用，能够有效的降低切削区刀具表面和工件表面的温度，改善刀具与切屑、工件表面之间的摩擦状态，从而减小刀具磨损并提高以加工表面质量；切削液有清洗作用，能将碎屑（如切铸铁）和粉屑（如磨削）冲走；切削液还能防锈，工作性能稳定，且不污染环境，并对人体无害。同时，在金属切削加工领域也可采用低温雾化切削、油雾冷却、低温冷风切削、MQL微量润滑等绿色切削技术。4.采用其他加工方法 1 热处理渗入可逆元素 对于某些材料还可以通过热处理渗入可逆元素来改善切削加工性，加工完成后去除可逆元素，保持工件的原有特性，如钛合金渗氢处理切削加工性显著改善，切削加工后在进行去氢处理。局部加热切削加工 在切削加工中，局部加热工件切削区域可使材料切削变形区的应力降低，切削力则相应降低，有利于提高刀具使用寿命，切削速度可提高。但加热切削法对被加工表面和表层的物理力学性能有影响，选用时应谨慎。低温切削加工 切削过程中通过一定的强制冷却手段使得工件保持低温状态，工件的力学性能向有利于切削加工的趋势变化，刀具则因低温环境切削加工性能更好，寿命提高。磁化切削加工 使工件和刀具两者之一被磁化，切削过程中带磁切削，切削加工性可得到改善。振动切削加工 低频振动切削具有很好的断屑效果，可不断用断屑装置，使刀刃强度增加，切削时总功率消耗比带有断屑装置的普通切屑降低40%左右。高频振动切削也称超声波振动切削，有助于减小刀具与工件之间的摩擦，降低切削温度，减少刀具的粘着磨损，从而提高切削效率和加工表面质量，刀具寿命约可提高40%。
结束语：
难加工材料加工技术是机械加工工业的关键技术，它的发展体现着国家制造业的制造水平。目前难加工材料加工技术发展日趋成熟，已经实现了对钛合金、高温合金、不锈钢等多种难加工材料的加工。但随着科学技术的发展，必将对产品零部件的性能提出新的和特殊的要求，会有更多难加工材料需要加工，难加工材料加工技术也将会得到更加广泛的应用。
[1]张念淮.难加工金属材料的切削加工技术[J].郑州铁路职业技术学院学报.2008（7）[2]郑文虎，等.难切削材料加工技术问答[M].北京出版社，2001.55-73 [3]左敦稳，黎向峰，等.现代加工技术[M].北京航空航天大学出版社.2009（8）314-362 [4]邹西洋，难加工材料的特性及其应用前景.金属处理第28卷第4期：44-46 [5]吴成建，陈国良等.金属材料学[M].冶金工
业出版社，2009.18-53
复合切削 篇3
目前,对切削该类材料时的刀具磨损及其影响因素的研究还处于初级阶段,多数研究者只是给出了磨损区域的外观图像,而没有指出刀具不同部位磨损的区别及磨损机理,也没有就刀具磨损所受到的影响因素进行研究。本文在粗加工、半精加工、精加工和超精密切削工况下,采用4种不同种类的刀具切削该类铝基复合材料,研究刀具不同部位的磨损形态及机理,并分析不同的因素对刀具磨损的影响效果,为今后科研和生产中合理选择刀具提供参考。
1 试验部分
1.1 车削试验
试验在普通车床CA6140和哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的HCM-I型超精密数控车床上进行。
试验材料采用碳化硅晶须(SiCw)或碳化硅颗粒(SiCp)增强的铝基复合材料,其性能参数见表1。
采用英国Contour公司生产的聚晶金刚石(PCD)及立方氮化硼(PCBN)车刀,几何参数:前角γ0=0°,α0=5°,Kr=45°,Kr′=45°,λs=0°,长0.3mm的直线形修光刃。试验前刀具的刀刃为新磨刀刃,用原子力显微镜(AFM)测得其切削前刃口钝圆半径约为1μm;硬质合金K10固定刀片车刀,几何参数:前角γ0′=6°,α0=14°,Kr=45°,Kr′=45°,λs=0°;陶瓷Si3N4固定刀片车刀,几何参数:前角γ0=6°,α0=14°,Kr=45°,Kr′=45°,λs=0°。
切削条件为干切。
1.2 检测仪器及方法
用带探针的X-650型扫描电子显微镜SEM对刀具磨损区域进行检测和分析,用工具显微镜对刀具后刀面的磨损最大值VBmax进行测量。
2 分析与讨论
2.1 刀具磨损形态
如图1所示为刀具磨损形态的SEM图像。
从图1(a)中可以发现,后刀面磨损带上存在着深浅不一、长度不同的磨损沟痕,这些磨损沟痕都平行于切削方向,磨损的主要机理是磨料磨损。从图1(b)可以观察到,前刀面上存在着平行于切屑滑出方向的磨痕和小坑,分析后可以确定磨损沟痕为SiCw或SiCp增强相磨料磨损而生成,小坑是在刀具前刀面上的积屑瘤脱落时生成的,其机理为机械镶嵌。
2.2 刀具材料对刀具磨损的影响
如图2所示,为采用4种不同种类的刀具切削体积分数为36%的SiCp/2024铝基复合材料时刀具后刀面的磨损情况。
从图2可知,在相同切削工况下PCD刀具的磨损值最小,约是K10刀具磨损值的1/10、Si3N4刀具磨损值的1/15。另外,从图中还可发现PCBN刀具磨损值也几乎是PCD刀具的10倍,这已为本课题组的多次试验所证实[2]。
关于PCBN在切削非连续增强铝基复合材料方面的优劣性问题,目前国内外同行还存在着较大的争论。日本学者福永春秀[4]认为PCBN的耐磨性仅次于金刚石刀具而优于其它刀具,而陈平[5]的试验结果与本文所作的试验类似。分析后可以认为这种差别与被切复合材料的种类、体积分数及增强相尺寸有关。因为福永春秀切削的材料是纤维增强铝基复合材料,切削过程较平稳,而本文和陈平的试验材料是SiC非连续增强铝基复合材料,切削力波动大,因此对刀具刃口的冲击也大。
2.3 切削用量对刀具磨损的影响
切削用量(vc、f)对刀具磨损最大值VBmax的影响较大,从图3可知,切削速度vc越高、进给量f越小,则VBmax值越大。在切削SiCw、SiCp增强铝复合材料时,上述结论具有普遍意义,如文献[6]在vc=894m/min,ap=1.5mm、2.5mm的切削条件下,切削SiCp/Al复合材料仍然得到了这样的结论。
产生上述规律的原因在于:切削速度vc越高,在相同的时间内切削路程越长;进给量f越小,切削厚度hD(=f·sin Kr)越薄,加工表面与刀具后刀面间的碾压、摩擦作用越严重,而主要来自SiCw、SiCp陶瓷增强相的破碎颗粒对后刀面的研磨作用越强。因此,采用K10刀具切削时,只能采用较低的vc和较大的f。
2.4 增强相体积分数及尺寸对刀具磨损的影响
切削SiCw、SiCp增强铝复合材料时,磨损主要发生在后刀面,且磨损机理是磨料磨损。对于这种磨损形式,被切材料中SiCw、SiCp增强相的体积分数、尺寸大小是影响刀具寿命的主要因素,如图4、图5所示。
从图4可知,随着SiCp增强相体积分数的增大,后刀面最大磨损值也增大。从图5可见,SiCp增强相尺寸越大,对刀具后刀面的磨损也越严重。
2.5 刀具材料的选用原则
切削SiCw、SiCp增强铝基复合材料时,因刀具磨损非常快,国外有的文献[1]甚至干脆说只能用金刚石刀具来加工。但本文研究认为,刀具材料的正确选择应综合考虑被切削材料(SiC增强相的种类、体积分数、尺寸大小和分布规律),工件加工精度和表面质量完整性要求、机床系统等情况,且要同时考虑经济性。
本文所做的研究表明,由于PCBN刀具的制造成本与PCD刀具大体相当,而其磨损量却是后者的10倍左右(见图2),因此,不宜采用PCBN刀具来切削SiCp/2024、SiCw/2024等非连续增强的铝基复合材料;Si3N4陶瓷刀具尽管是加工难切削材料如淬硬钢、硅钢、高锰钢、镍基高温合金和钛合金等的优质刀具材料,但其切削SiCw、SiCp增强铝复合材料却没有表现出优势,刀刃极易出现破损,后刀面磨损快,因此不能用于该类复合材料的切削;涂层刀具(K10TiN)在切削该类复合材料时没有表现出优越性,因为较薄的TiN涂层抵御因SiCw(或SiCp)引起的后刀面“微切削”能力不足;虽然K10刀具磨损量约是PCD刀具的10倍以上,但由于其成本的低廉性(约为PCD刀具价格的4%～5%)。因此,粗车或半精车时可采用K10硬质合金,且宜采用较低的切削速度vc和较大的进给量f。
由于精加工大多采用较高的切削速度、较小的进给量,且要求工件具有较好的加工精度和表面质量完整性,故金刚石刀具成为精加工该类铝复合材料的唯一可用刀具,但一般遵循如下原则:(1)精加工SiCw、SiCp增强相尺寸较大的铝复合材料时,宜选用较粗颗粒的金刚石PCD刀具。因为粗颗粒的PCD具有更强的抵御SiCw、SiCp增强相引起的“微切削”作用,但一般PCD颗粒不应超过25μm。超精密加工该类材料时,可选用相对较细颗粒的金刚石刀具;
(2)一般情况下,PCD刀具选用零前角和稍大些的刃口钝圆半径rn,但对于超精密加工该类复合材料时,应选择rn尽量小的刀具。
3 结论
(1)前刀面不会发生明显的月牙洼磨损,其磨损机理是磨料磨损和粘结磨损,但都不严重。粘结导致前刀面上较易生成积屑瘤,积屑瘤脱落时易引起刀具刃口崩刃,对高硬度脆性材料刀具(如PCD),这是主要的失效形式。
(2)后刀面是切削该类材料主要的磨损部位,磨损机理是磨料磨损。
(3)影响刀具磨损的主要因素:一是刀具材料,该类铝复合材料的粗加工和半精加工可以采用硬质合金刀具,精加工和超精密加工金刚石刀具是唯一有效刀具,陶瓷刀具和涂层刀具没有优越性;二是切削用量,它对刀具耐用度的影响趋势与普通金属材料类似;三是工件材料,被切材料增强相尺寸越大、体积分数越高则刀具的磨损越严重。
参考文献
[1]Hooper R M,Henshall J L,Klopfer A.The Wear of polycrystalline diamond tools used in the cutting of metal matrix composites[J].Internal Journal of Refractory Metals and Hard Materials,1999(17):103-109.
[2]王大镇,冯培锋,赵清亮.航天铝基复合材料零部件超精密加工技术研究[J].宇航学报,2006,27(6):1341-1346.
[3]Weinert K.A Consideration of Tool Wear Mechanism when Machining Metal Matrix Composites(MMC)[J].Annals of the CIRP,1993,42(1):95-98.
[4]福永秀春.FRM的加工及问题[J].复合材料学报,1988,5(4):14-18.
[5]Chen P.Machining Characteristics of SiC Whisker Reinforced Aluminum[J].Journal of material processing technology,1989,(1):163-167.
复合切削 篇4
树脂基玻璃纤维复合材料由硬的玻璃纤维和软的树脂基体组成,缠绕成形的树脂基玻璃纤维复合材料,其玻璃纤维的含量达80%左右,这种材料的强度和硬度都大于45钢和40Cr钢,而密度只有约2.2×103kg/m3。在树脂基玻璃纤维复合材料的切削过程中,影响刀具寿命的因素同金属材料切削一样,主要有切削热、摩擦和刃口的切削压力,而树脂基玻璃纤维复合材料中硬的质点玻璃纤维,类似于砂轮中的磨料,对刀具进行研磨,使刀具磨损加快,切削条件恶化。
2 树脂基玻璃纤维复合材料切削刀具的选择使用情况
某玻璃纤维缠绕管类零件,长1300mm,外径准130mm,为满足与其它零件的配合要求,需要对外圆进行切削加工,由于该零件的特殊要求,切削加工中不能使用冷却液,这就给切削加工带来了难度。
2.1 硬质合金刀具的使用情况
根据该零件的特点,我们最初选用的是可转位硬质合金刀具,主要从耐热性和耐磨性来考虑,选用的刀具为刀尖角为80°的等边不等角六边形、0°后角、6°前角、单面C形断屑槽,型号为WNUM130716RC5刀片,材质为YT758,这种刀具的特点是耐热性和抗氧化性好,高温硬度高,耐磨性好,适用于加工高硬度材质的零件。在用这种刀片切削该玻璃纤维复合材料零件的外圆时,刀具磨损严重,零件外表面粗糙有撕裂痕迹。切削过程中需将刀头拆下磨刀才能继续切削,刀具手工刃磨一次只能车削一刀,这样每切削一个零件需要磨刀、对刀2～3次,如果刀具不锋利时进行切削,则会造成工件外表面有撕裂痕迹(见图2),甚至产生过多热量烧伤工件,致使工件报废。根据这种情况,在切削时分成粗、精两次加工,分别由粗、精两把刀两次装夹对刀加工而成,在粗加工时切削参数采用切深ap=0.8mm,vc=130m/min,f=0.61mm/r,快速去除余量;在精加工时切削参数采用切深ap=0.3mm,vc=130m/min,f=0.3mm/r,精加工后用150#细砂布抛光到尺寸。用这种刀具切削生产效率低,每班加工7～8件,操作者的劳动强度大,对操作者的要求也高,质量也不稳定,不能满足产品的批量生产要求。
2.2 涂层刀具的试用情况
针对上述情况,经过对比,我们选用了山特维克公司生产的刀尖角为60°的等边三角形、0°后角、刀具型号为TNMX 160408-WM的刀片,材质为GC4015,这种刀具表面为金黄色TiN涂层的硬质合金,可以降低刀片表面的摩擦系数,增加刀具的耐磨性。在以相同的切削参数进行加工时,加工完一刀后发现刀片涂层已严重磨损(如图3),零件外表粗糙并有撕裂痕,显然这种刀具不能满足树脂基玻璃纤维复合材料的切削要求。
2.3 高效刀具的选用情况
2.3.1 采用高硬度刀具
试验证明,用高速工具钢、普通硬质合金刀具加工树脂基玻璃纤维复合材料时,刀具磨损极为严重,加工效率低下,因而必须选用更高硬度的刀具。聚晶金刚石(PCD)是在高温高压下由一层人造的金刚石微粉加溶剂和催化剂聚合而成的多晶体材料。以硬质合金为基体结合的镶尖刀片具有良好的抗冲击、抗弯强度和抗振性能。与硬质合金相比,其硬度高3～4倍,耐磨性和寿命提高100余倍,同时刀具的刃口非常锋利,摩擦系数小,适合有色金属和非金属材料的加工。结合以上特点,我们选用了山特维克公司生产的刀尖角为60°的等边三角形、7°后角、刀具型号为TCMW 16T308-FP、材质为CD10的聚晶金刚石刀片。
2.3.2 切削工艺参数的选定
聚晶金刚石刀片是一种新型高效刀具,在使用参数推荐手册中,列出有色金属的推荐切削参数,对于树脂基玻璃纤维复合材料的切削,手册中没有提及,其它的切削手册中也没有涉及到此类材料加工切削参数,所以在实际的加工过程中,我们根据加工经验,结合硬质合金时切削参数,进行了一系列的工艺试验,最后针对这种零件和材料特点,确定了一个工艺参数为切深ap=1.1mm,vc=110～130m/min,f=0.25～0.35mm/r。实现切削余量一次去除,减少一次走刀。经过多次切削试验表明,刀具十分稳定,平均每个刀尖可加工150件零件,连续加工150件零件没有磨刀,刀尖略有磨损,所加工的零件表面光洁度良好(如图4),加工后的零件光洁度不用砂布抛光就能达到要求,大大减轻了操作者的劳动强度,同时刃磨刀具、抛光等辅助时间也大大减少,降低了加工成本。用该刀具每班可加工零件20件,生产效率提高1倍多,所加工的零件质量大大提高,稳定了切削工艺。
3 结论
在树脂基玻璃纤维复合材料的切削过程中,使用聚晶金刚石刀片,并按合理的切削工艺参数进行加工,可以稳定切削树脂基玻璃纤维复合材料,提高加工效率,降低了加工成本,提高零件的加工质量。
摘要：以树脂为基体的玻璃纤维复合材料具有比强度和比刚度高、良好的抗疲劳性、独特的可设计性等优良特性,已被广泛应用于航空航天、国防军工及民用等诸多领域。文中通过一系列工艺实验,指出聚晶金刚石刀具是加工玻璃纤维复合材料的最适用刀具材料,并绘制了合理的工艺参数。
关键词：刀具,树脂基复合材料,切削性能
参考文献
复合切削 篇5
淬硬材料包括普通淬火刚、淬硬工具钢、淬火模具钢、轴承刚、轧辊钢及高速钢等, 是典型的耐磨结构材料, 广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的零件。此类材料的加工通常采用磨削的方法, 但磨削加工存在效率较低、成本高、污染大等缺点。高速硬切削技术的研究为淬硬材料的加工提供了很好的办法。淬硬材料的延伸率小、塑性差, 加工过程中易于形成具有高光洁度的已加工表面, 有利于以切代磨。可用于硬切削的超硬刀具材料主要包括金刚石、PCBN、复合陶瓷、TiC (N) 基硬质合金等[1,2]。Al2O3基复合陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性良好、热化学性能稳定、成本较低等优点, 在硬切削领域得到了日益广泛的应用[1]。但陶瓷刀具材料自身的固有脆性限制了它的应用范围, 在加工中刀具常常因破损而失效。随着纳米材料技术的发展, 在陶瓷材料中加入纳米颗粒可以有效提高复合陶瓷材料的综合力学性能和高温性能[3,4,5,6]。
本文通过在亚微米级Al2O3基体中加入纳米Al2O3和微米 (W, T) C颗粒, 利用热压烧结工艺成功制备了Al2O3/ (W, Ti) C (以下简称AWT) 纳米复合陶瓷刀具材料。力学性能测试结果表明这种刀具材料具有高强度、高硬度和高韧性的特点;通过对该刀具材料进行连续切削淬硬45钢、淬硬工具钢T10A和断续切削淬硬45钢的试验, 分析了AWT的切削性能, 并与SG-4的切削性能进行了比较。
1 试验
1.1 原材料处理
纳米α-Al2O3由上海谐尔纳米材料有限公司生产, 其中位粒径为80nm;亚微米α-Al2O3由淄博东昌业氧化铝有限公司生产, 其中位粒径为0.5μm;微米 (W, Ti) C由株洲硬质合金集团有限公司生产, 球磨后的粉体粒径分布较广, 粒径多在1μm以下;助烧剂MgO和NiO的纯度为99.99% (质量分数) 。将纳米Al2O3粉体均匀加入液相分散介质 (去离子水) 中, 添加适量的分散剂聚甲基丙烯酸铵 (PMAA-NH4) , 机械搅拌并超声分散40min, 制成均匀稳定、分散良好的纳米粉末浆料, 然后加入其他原料粉末搅拌并超声分散后, 将混合好的浆料装桶球磨48h, 真空干燥, 120目筛子过筛, 装瓶密封待用。
1.2 纳米复合陶瓷刀具材料制备
将混合粉末装入石墨模具中, 高纯N2气氛保护, 热压烧结。将烧结后毛坯按性能测试的要求使用内圆切割机切割后, 经机械研磨、抛光后标准化试样。
1.3 测试和试验
采用三点弯曲法测量材料的抗弯强度, 跨距为20mm , 加载速度为0.5mm/min; 断裂韧性和硬度采用压痕法测量, 压痕载荷为196N, 保持15s, 用400倍光学显微镜测定压痕裂纹长度;用排水法测量材料的实际密度;用日本电子光学公司的TXA-840型扫描电境 (SEM) 观察试样抛光表面的微观组织结构和试样的断口形貌;切削性能试验在CA6140车床上进行, 在干切削条件下, 连续切削淬硬45钢和淬硬工具钢T10A, 断续切削淬硬45钢。
2 结果分析
2.1 AWT的力学性能与微观组织结构
试验测得的AWT纳米复合陶瓷刀具材料的物理力学性能如表1所示。与已商业化的SG-4复合陶瓷刀具材料相比 (抗弯强度为850MPa、硬度为HRA94.7～95.3、断裂韧性为4.94MPa·m1/2[7]) , 抗弯强度、硬度基本相当, 但韧性提高较大, 由原来的4.94MPa·m1/2提高到6.55MPa·m1/2。以上分析说明在亚微米Al2O3基体中添加适量的纳米Al2O3可以有效地提高复合陶瓷材料的断裂韧性。
AWT纳米复合陶瓷材料抛光表面的微观结构如图1所示, 增强相 (W, Ti) C晶粒形状多样, 晶粒粒径分布广泛, 与基体Al2O3晶粒间的界面曲折且不规则, 两相材料互相穿插、包裹, 界面结合良好, 形成了空间骨架结构。
图2为AWT纳米复合陶瓷材料断口SEM图, 由图2可知复合材料晶粒细小, 虽然材料中含有少量的大晶粒, 但多数晶粒尺寸在0.5μm左右。纳米Al2O3颗粒表面活性能较高, 易于烧结, 但当含量过多时在烧结过程中易团聚生长成为大晶粒, 不利于气体的排出, 且易在大晶粒中形成隔绝的空洞;纳米Al2O3颗粒含量较少时, 小颗粒无法均匀地分布于大颗粒之间的空隙中, 在烧结的过程中无法有效抑制亚微米Al2O3晶粒的生长, 使得烧结后晶粒大小不均匀。试验研究表明, 适当含量的纳米Al2O3可有效地抑制基体微米Al2O3晶粒长大, 细化晶粒, 使组织结构更为均匀。材料的断口上有明显的穿晶解理面和解理条纹, 且部分晶粒断面处较光亮, 具有穿晶断裂的特征;此外, 断口上有明显的晶粒剥落后形成的孔洞, 具有沿晶断裂的特征。以上分析表明该材料的断裂模式是穿晶断裂和沿晶断裂的混合。由于穿晶断裂时的断裂能远大于沿晶断裂能, 因此促进了纳米复合陶瓷材料断裂韧性和抗弯强度的增大。
2.2 切削性能试验
SG-4是国内已商业化的复合陶瓷刀具材料, 适于加工钢和铸铁, 特别适合加工淬硬钢。通过切削试验将AWT纳米复合陶瓷刀具材料切削淬硬钢的切削性能与SG-4的切削性能进行对比。
试验条件如下:试验刀片为自制的AWT方形刀片和商业化的SG-4方形刀片;试验机床为CA6140车床;加工方式为干切削;刀具的几何参数如表2所示;断续切削淬硬钢时采用专用的夹具, 空切比为0.15;连续切削时工件材料为淬硬45钢 (HRC40～44) 和淬硬工具钢T10A (HRC60～64) , 断续切削时工件材料为淬硬45钢 (HRC44～48) 。
衡量刀具磨钝的标准有多种, 本研究依据ISO标准, 该标准统一规定以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。本文取VB=0.3mm作为连续车削时的刀具磨钝标准, 以此时的切削时间作为刀具磨损寿命。陶瓷刀具的破损有多种形式, 在试验中如何界定刀具已经破损失效很困难。在某些情况下, 虽然刀具切削部分已发生微小破损, 但是如果继续切削, 工件的表面质量并不下降, 此时可以认为刀具没有失效。参照文献[8], 断续车削时, 本试验将刀具的破损判据确定为:若刀具的破损面积大于apf (ap为背吃力量, f为进给量。) , 则刀具失效。
2.2.1 连续车削淬硬45钢
图3表明, 连续车削淬硬45钢 (HRC40～44) 时, 在不同的切削速度下, AWT的磨损量明显小于SG-4的磨损量, 且AWT磨损曲线的斜率较小, 这说明在切削淬火45钢时, AWT比SG-4有更优异的抗磨损能力。在v=150m/min时, AWT和SG-4均表现出良好的切削性能, 达到磨钝标准时的切削路程, AWT为36 146m, SG-4为6707m。与SG-4相比, AWT刀具寿命有了大幅提高。在v=215m/min时, AWT比SG-4具有更好的切削性能, 两种陶瓷刀具的初期磨损基本一致, 但初期磨损后差别较大, SG-4切削48min达到磨钝标准, 工件表面质量有所下降, 而AWT切削76min后达到磨钝标准, 且工件表面质量良好。在v=300m/min时, AWT的初期磨损小于SG-4的初期磨损, 达到磨钝标准时AWT的切削路程是SG-4切削路程的2倍。
相对于硬质合金刀具而言, 陶瓷刀具在高速硬切削领域优势明显。在3种不同速度下, AWT刀具的寿命都明显高于SG-4刀具的寿命, 当切削速度较低时, 这种优势更加明显。AWT刀具的磨损形态以前刀面的月牙洼磨损、后刀面磨损和边界磨损为主, 当切削速度提高时, 月牙洼磨损和边界磨损加剧, 黏结现象也更加严重。SG-4刀具的磨损形态除了前刀面的月牙洼磨损、后刀面磨损和边界磨损外, 还出现了剥落、碎断等破损现象。研究认为, 断裂韧性较差是造成其破损的原因。纳米相的添加, 使得AWT刀具材料更加致密, 形成了内晶/晶间混合型结构。在内晶型结构中, 基体晶粒间的晶界称为主晶界, 而纳米颗粒和基体晶粒间的晶界称为亚晶界。由于增强相 (W, Ti) C的热膨胀系数小于基体Al2O3的热膨胀系数, 对内晶型结构, 增强相颗粒内为压应力, 在增强相与基体的晶界处, 由增强相到基体, 压应力减小, 拉应力增大。在这种残余热应力状态下, 若纳米颗粒在某一裂纹面内, 则裂纹朝向颗粒扩展时将首先直接达到颗粒与基体的界面, 此时如外力不再增加, 则裂纹就在此钉扎, 这是裂纹钉扎增韧机理的本质。若外力继续增大, 则裂纹将穿过晶粒或沿晶界继续扩展, 即发生穿晶断裂或裂纹发生偏转沿晶断裂, 这都有利于材料强度和韧性的提高[9]。因此, AWT纳米复合陶瓷材料的微观结构、内部残余热应力场、位错群、裂纹钉扎、穿晶断裂和沿晶断裂的混合, 都促进了材料强度和韧性的提高, 同时也使刀具材料的抗磨损和抗破损能力得到了进一步的提高。
2.2.2 连续车削淬硬工具钢T10A
图4为连续切削淬硬工具钢T10A (HRC60～64) 时后刀面磨损量与切削距离的关系曲线。由图4可知, 在v=77m/min时, AWT和SG-4均表现出良好的切削性能, 在达到磨钝标准时, 工件表面质量较好。AWT的初期后刀面磨损小于SG-4的初期后刀面磨损, 且磨损较为均匀。AWT的切削路程是SG-4切削路程的2倍。在v=110m/min时, 磨损初期, AWT的后刀面磨损略高于SG-4的后刀面磨损, 磨损中期低于SG-4且趋于均匀, 达到磨钝标准时, 工件表面质量较好。AWT的切削路程是SG-4切削路程的1.3倍。在v=170m/min时, 两种陶瓷刀具在切削过程中均产生大量的切削热。AWT的切削性能与SG-4的切削性能相当。试验结果表明, AWT刀具在干切削的条件下适于加工T10A此类高硬度的工件材料, 其综合的切削性能要优于SG-4刀具。由试验结果可知, 由于AWT刀具的磨损率很低, 整个切削过程中大部分时间处于具有均匀磨损的中期磨损阶段, 刀具的耐磨性能得到了提高, 因此该刀具适合在数控加工设备上作为精加工刀具使用, 能够较好地保证加工工件的尺寸精度。
连续切削淬火T10A时, AWT在前刀面上靠近主切削刃的位置发生了剥落, 而SG-4的刀尖已崩掉。由于淬火T10A比淬火45钢的硬度高得多, 切削过程中产生的切削力和切削热也相应增大, 致使刀屑接触区的机械应力和热应力都随之增大, 刀具更容易发生疲劳破坏。随着切削速度的提高, 刀具的失效形式从磨损失效转变成了破损失效。切削淬硬T10A时, 在较低的切削速度下, AWT刀具的寿命比SG-4刀具寿命增长很多;在较高的切削速度下, AWT刀具寿命与SG-4刀具寿命相当。此外, 在高速、低速下, 两种陶瓷刀具均表现出良好的切削性能, 可用于高硬材料的精加工。
2.2.3 断续车削淬硬45钢
由图5可知:在v=115m/min时, AWT和SG-4在切削初期前刀面均产生剥落, 但不影响刀具使用, 加工表面质量良好。AWT表现出良好的抗破损性能, 其抗冲击次数是SG-4的1.5倍。在v=175m/min时, AWT和SG-4在切削初期前刀面均破损, 但不影响刀具使用, 加工表面质量良好。切削初期切屑呈螺旋状, 后期切屑变的平直, AWT的抗破损性能是SG-4抗破损性能的1.2倍。由试验可知, 断续切削时, AWT纳米复合陶瓷刀具比SG-4具有更好的抗破损性能。
断续切削淬硬45钢 (HRC44～48) 时, 陶瓷刀具的损坏形式以破损为主。AWT刀具的抗破损性能在低速和高速下均优于SG-4刀具的抗破损性能, 其抗破损性能约为SG-4的1.2倍。刀具破损的主要原因是机械冲击和热应力。切削速度升高, 断续切削的温度差也增大, 增大到一定程度后, 温度差所引起的热应力对刀具破损将会产生重要的影响。AWT刀具材料断裂韧度的提高是促进刀具抗破损能力提高的重要原因。
3 结论
(1) AWT纳米复合陶瓷刀具材料的物理力学性能表明该材料可以作为金属切削刀具材料。 () () 由于纳米相的添加, 材料的断裂韧性得到了较大的提高。
(2) 根据AWT纳米复合陶瓷刀具材料与SG-4复合陶瓷刀具材料进行的切削性能对比试验可知, AWT纳米复合陶瓷材料的微观结构、内部残余热应力场、位错群、裂纹钉扎、穿晶断裂和沿晶断裂的混合, 都促进了材料强度和韧性的提高, 是AWT刀具材料的抗磨损是抗破损能力提高的主要原因。
(3) AWT纳米复合陶瓷刀具材料适于连续车削洛氏硬度HRC40以上的淬硬钢, 尤其适合断续车削淬硬钢。
(4) 纳米复合陶瓷刀具材料微观结构设计、原料组分粒度级配优化、纳米粉体分散及多组分原料混合工艺参数优化、材料烧结致密化及热压烧结工艺参数优化、刀具工件匹配性等方面的研究, 将有助于进一步提高或改善刀具材料的抗磨损性能和抗破损性能。
摘要：采用热压烧结工艺, 成功制备Al2O3/ (W, Ti) C纳米复合陶瓷刀具材料。经测试, 材料的平均抗弯强度为840MPa, 平均断裂韧性为6.55MPa.m1/2, 维氏硬度为21GPa。通过与陶瓷刀具材料SG-4的切削性能对比试验, 发现该材料连续切削淬硬钢和淬硬工具钢的性能优于SG-4, 是一种适合连续切削淬硬工具钢, 尤其适合断续切削淬硬钢的刀具材料。
关键词：纳米复合刀具材料,切削性能,连续切削,断续切削
参考文献
[1]艾兴.高速切削加工技术[M].北京:国防工业出版社, 2003.
[2]王建平.硬质金属材料高速切削加工研究[J].工具技术, 2005, 39 (10) :51-53.
[3]Sternitzke M.Review:Structural Ceramic Nanocom-posites[J].J.Eur.Ceram.Soc.1997, 17:1061-1082.
[4]Knauss W G, Chasiotis I, Huang Y.Mechanical Meas-urement at the Micro and Nanometer Scales[J].Me-chanics of Materials, 2003, 35:217-223.
[5]陈国清, 谢杰, 王旭东, 等.Al2O3/ZrO2/MgAl2O4三元纳米复相陶瓷的微观组织和力学性能[J].航空材料学报, 2008, 28 (5) :31-35.
[6]宋世学, 艾兴, 赵军, 等.Al2O3/TiC纳米复合陶瓷刀具材料的力学性能与增韧强化机理[J].机械工程材料, 2003, 27 (12) :35-36.
[7]艾兴, 邓建新.陶瓷刀具的发展与应用[J].机械工人 (冷加工) , 2000 (9) :4-6.
[8]樊宁.梯度功能陶瓷刀具的应力设计及切削性能研究[D].济南:山东工业大学, 1998.
活用副切削刃提高切削效率 篇6
关键词：主切削刃,副切削刃,主偏角,副偏角,辅助切削
0 引言
在切削加工中, 主切削刃在切削加工中担任主要切削任务, 但副切削刃的作用, 相关文献中均简单表述为“辅助切削”, 而究竟如何“辅助切削”则缺乏进一步阐述。很多人甚至忽视了副切削刃的作用, 将其闲置, 导致加工效率下降、加工质量降低。笔者认为有必要弄清楚这一问题。以最典型的车削加工外圆为例, 我们把有副刃车刀的切削结果和无副刃车刀的切削结果进行比较, 就可以很清楚地看到副切削刃的作用。
1 无副刃车刀的切削结果
图1加工中使用的车刀副偏角为90°, 相当于无副刃车刀, 如果快速进刀, 切削后的表面将呈螺纹状, 如图所示。螺纹形的残留高度h与每转进给量f和刀具主偏角Kr有关。根据图中的几何关系, 我们可以得出残留高度的数学表达式:
实际加工中我们看到的车削外圆表面通常并没有明显的螺纹形 (螺纹加工除外) , 这是由于采用了较小的每转进给量, 从而减小了残留高度。当加大每转进给量时螺纹形就会明显地显现出来。
由式 (1) 可知, 在无副刃切削条件下, 要减小残留高度, 就要减小每转进给量和刀具主偏角, 这样做固然可以提高表面质量, 但同时进给量的减小意味着放慢加工速度, 其结果是使刀具加工效率大大降低。
2 有副刃车刀的切削结果
有副刃车刀的切削结果大有改观, 切削后的螺纹形残留高度会减小, 如图2。
这一切削结果是由于副切削刃切除了图中黑体填充部分造成的, 这就是副切削刃的辅助切削作用。此时根据图中的几何关系, 我们可以得出螺纹形的残余高度H的数学表达式:
其中Kr和Kr’分别为主偏角和副偏角。由式 (2) 可知, 有副刃切削时, 残留高度不仅受进给量f和主偏角Kr影响, 还受到副偏角Kr'影响, 三者取值越小则残留高度越小。在副偏角Kr'较小时, 可将主偏角Kr取较大值, 并适当加大进给量, 仍然可以取得较好的加工效果。当Kr'=0°时, 副切削刃将切除全部残留金属, 残留高度H=0。
由于副切削刃的辅助切削作用, 加工表面质量大大提高, 且由于可以使用较大进给量、较大吃刀量, 加工效率也会提高。
3 主、副切削刃的切削负担
既然主、副切削刃都参与切削, 但主切削刃是主力, 副切削刃为辅。我们不妨通过切除面积定量地明确二者的切削负担。如图3所示, 主切削刃的切除面积是图中网格线部分, 根据图中的几何关系, 其面积为:
化简后为:
由式 (1) 可知, f=hctgKr……………………………… (5)
将式 (5) 带入式 (4) 后可得:
式 (6) 说明, 主切削刃的切除面积受切深a (或吃刀量) 、主刃残留高度h、进给量f等三个因素影响。h越大则留给副刃的切削任务越大。
副切削刃切除的是图中被涂黑的三角形, 切削面积为:
式 (7) 表明, 在副偏角Kr'=0°时副切削刃的切削面积最大, 达fh/2, 此时副切削刃切除了全部的主刃残留面积。但前提是主切削刃必须有足够的残留。若进给量f较小, 且主偏角Kr较小, 造成残留高度hh较低, 则副切削刃切除的金属必然很少, 基本上被闲置。。
4 副切削刃的科学应用可以提高效率和表面质量
在实际应用中, 我们应正视副切削刃的辅助切削功能, 充分发挥其作用。在粗加工中尽可能用副切削刃分担切削任务, 这样可以减少主切削刃的发热, 还可以更快地进给;在精加工中则应当使用较小的副偏角以提高表面精度, 其作用比提高转速和减小进给量更加有效。如果在采用较小副偏角保证表面质量的前提下加大进给量, 可收到优质高效的加工效果。
5 结论