基于變速試驗(yàn)原理的材料切削加工性能快速評(píng)價(jià)方法

劉瑤，蔣炳炎，申瑞霞，彭華建

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

對(duì)于具有高硬度、高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱性等一系列特點(diǎn)的新型工程材料[1-2]，利用傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法對(duì)其切削加工性能評(píng)價(jià)存在時(shí)間長(zhǎng)、成本高的不足。目前，應(yīng)用較多的材料切削加工性能評(píng)價(jià)方法有單參數(shù)評(píng)價(jià)法和基于模糊理論的多參數(shù)評(píng)價(jià)法。單參數(shù)評(píng)價(jià)方法是利用刀具切削壽命、切削力、切削溫度和已加工表面等參數(shù)中的1項(xiàng)來(lái)評(píng)價(jià)工件材料的切削加工性能[3-5]。單參數(shù)法簡(jiǎn)便、直觀、靈活性大，但由于切削條件選擇具有主觀性和片面性，使其所得結(jié)果的通用性較差。王細(xì)洋等[6]針對(duì)不同類型零件，從材料、零件熱處理、結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化 4個(gè)方面評(píng)價(jià)其切削加工性能。該方法繼承了單參數(shù)評(píng)價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)，且更加全面，但仍有較大片面性，可信度不高。基于模糊理論的多參數(shù)評(píng)價(jià)法是借助綜合評(píng)判的方法對(duì)材料切削加工性能進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，目前較常用的方法是加權(quán)平均法。加權(quán)平均法是根據(jù)各因素的重要程度而賦予不同的權(quán)重，然后，對(duì)每一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)下的評(píng)定結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均處理[7-9]。多參數(shù)法能較全面的反映材料切削加工性能，但由于設(shè)定影響因素權(quán)重的過(guò)程具有主觀性，評(píng)價(jià)結(jié)果可信度不高，且表征參數(shù)多，評(píng)價(jià)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。本文作者設(shè)計(jì)了一套材料切削加工性能快速評(píng)價(jià)方法，以相對(duì)可切削系數(shù)表征材料切削加工性能，通過(guò)變速切削擴(kuò)大切削速度評(píng)價(jià)范圍，并據(jù)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探討該方法的準(zhǔn)確性和可行性。

1 評(píng)價(jià)與試驗(yàn)方法

材料切削加工性能快速評(píng)價(jià)是通過(guò)車削的方法快速評(píng)價(jià)工件材料在粗加工條件下的切削加工性能，為2種或多種材料切削加工性能的比較以及當(dāng)切削深度、進(jìn)給量、刀具耐用度一定時(shí)切削速度的選擇提供理論依據(jù)。

在切削試驗(yàn)中，本評(píng)價(jià)方法利用變速的方法評(píng)價(jià)工件材料在較大切削速度范圍內(nèi)的切削加工性能，與傳統(tǒng)相對(duì)可切削系數(shù)評(píng)價(jià)法相比，擴(kuò)展了速度評(píng)價(jià)范圍，能夠更全面地評(píng)價(jià)其切削加工性能。同時(shí)，以一種切削加工性能較好且較通用材料的刀具使用壽命為基準(zhǔn)，通過(guò)比較切削其他材料時(shí)的刀具使用壽命獲得相對(duì)可切削系數(shù)，從而來(lái)評(píng)價(jià)其切削加工性能。此評(píng)價(jià)方法較真實(shí)地反映了2種或多種材料在較寬速度范圍內(nèi)切削加工性能的優(yōu)劣，可信度高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了材料切削加工性能的快速評(píng)價(jià)，節(jié)約了工件、刀具材料和大量的試驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)，本方法依據(jù)單刃車刀壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) ISO 3685—1993[10]設(shè)計(jì)切削試驗(yàn)方案，使其具有更大通用性，便于不同科研人員之間的信息互換。

1.1 評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

1.1.1原理

在相同條件下切削不同材料，在切削速度v一定時(shí)，刀具使用壽命tv較長(zhǎng)，或在刀具使用壽命t一定時(shí)切削速度vt較大的材料，其加工性能較好；反之，其加工性能較差。設(shè)定刀具使用壽命t＝60 min時(shí)，切削速度vt可寫作v60；同樣，當(dāng)?shù)毒邏勖鼮?0和15 min時(shí)，切削速度分別為v30和v15。 一般以切削正火狀態(tài)45號(hào)鋼的v60作為比較不同材料切削加工性能的基準(zhǔn)，寫作(v60)j，而將其他各種材料的vt與其相比，該比值稱為相對(duì)加工系數(shù)Kr，即

對(duì)Kr大于1的材料，其加工性能比45號(hào)鋼的加工性能好；對(duì)Kr小于1的材料，其加工性能比45號(hào)鋼差。vt和Kr是最常用的加工性能指標(biāo)，在不同的加工條件下都適用。比較據(jù)系數(shù)Kr，確定材料是否易于切削。系數(shù)Kr較大，則材料較易切削；系數(shù)較小，則材料較難切削。

材料切削加工性能快速評(píng)價(jià)試驗(yàn)方案根據(jù)Heginbotham和 Pandey提出的變速切削評(píng)價(jià)原理[11]設(shè)計(jì)，采用外圓變速車削法，其原理如圖1所示。

圖1 外圓切削原理圖Fig.1 Principle of cutting excircle

在使用相同刀具的條件下，車削2根不同直徑的同種工件材料。記錄后刀面平均磨損量sB達(dá)到0.3 mm時(shí)所需要的路程、切削次數(shù)和初始切削速度，通過(guò)計(jì)算將泰勒公式vt-1/k=C中的系數(shù)C和k求出，從而定量確定t與v的關(guān)系。求出當(dāng)?shù)毒邏勖鼮?0 min時(shí)的最大切削速度v60，并設(shè)參照工件材料45號(hào)鋼的切削加工性能指數(shù)為100，采用

求出待評(píng)價(jià)材料的可切削性指數(shù)Kv，用于評(píng)價(jià)材料的切削加工性能。

1.1.2切削用量

對(duì)工件進(jìn)行變速車削，在Z軸方向每進(jìn)給1 mm增加1次轉(zhuǎn)速，增加量為1 r/min。車床的初始轉(zhuǎn)速為100 r/min，終止轉(zhuǎn)速為600 r/min[12]。在試驗(yàn)條件為粗加工的條件下，依據(jù)單刃車刀壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO 3685—1993的4組標(biāo)準(zhǔn)切削條件(如表1所示)，選擇C組數(shù)據(jù)作為此次試驗(yàn)的切削條件。

表1 標(biāo)準(zhǔn)切削條件Table 1 Standard machining conditions

1.1.3結(jié)果處理

定性比較工件材料的切削加工性能，繪制切削路程與后刀面平均磨損量的關(guān)系曲線，比較不同材料的曲線形狀、斜率及達(dá)到指定后刀面磨損量時(shí)切削的路程；定量比較工件材料的切削加工性能，通過(guò)比較vt來(lái)定量確定材料的切削加工性能；比較切屑形態(tài)(由于切屑是切削過(guò)程中熱量散發(fā)最重要的途徑，是否容易斷屑決定了切削熱能否及時(shí)散出)，找出影響材料切削加工性能優(yōu)劣的原因。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方案，對(duì)試驗(yàn)工件進(jìn)行變速切削試驗(yàn)，以驗(yàn)證該評(píng)價(jià)方法的可行性。試驗(yàn)采用LEADWELL-T8數(shù)控車床進(jìn)行切削試驗(yàn)，采用VMS-15100影像測(cè)量?jī)x獲取刀具圖像并測(cè)量后刀面磨損值。工件材料為45號(hào)鋼，長(zhǎng)度為560 mm，直徑為 96 mm。刀具屬機(jī)夾外圓涂層車刀，材料牌號(hào)為YW1，刀片型號(hào)為31003CZ。根據(jù)表1選取單邊切削深度為2.5 mm，進(jìn)給量為0.4 mm，車床主軸轉(zhuǎn)速在200～700 r/min范圍內(nèi)變化。

具體切削試驗(yàn)步驟如下：

(1)根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行數(shù)控編程，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，確保程序正確無(wú)誤。

(2)將工件和刀具裝夾在車床上，設(shè)定工件坐標(biāo)零點(diǎn)。

(3)按照試驗(yàn)方案對(duì)工件進(jìn)行變速車削。

(4)切削長(zhǎng)度每增加250 mm時(shí)，利用影像測(cè)量?jī)x采集刀具主后刀面磨損部位圖像，將其導(dǎo)入圖形處理軟件中計(jì)算刀面平均磨損量sB，記錄備用。若sB達(dá)到或超過(guò)0.3 mm，則停止車削，如未達(dá)到，則重復(fù)以上車削。

(5)試驗(yàn)結(jié)束后，整理試驗(yàn)設(shè)備，收集切屑采集圖像。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具后刀面形態(tài)與磨損量

后刀面磨損主要與材料的抗熱震性、硬度和抗氧化黏著能力有關(guān)[13]，后刀面磨損量是衡量切削性能的重要指標(biāo)[14-15]。圖2～5所示為切削不同行程時(shí)后刀面形態(tài)。

由圖2～5可見：后刀面出現(xiàn)了明顯磨損，并隨切削長(zhǎng)度的增長(zhǎng)呈逐步擴(kuò)大趨勢(shì)；圖3和圖4中有明顯的磨損區(qū)域，并可以分辨出在切深2.5 mm對(duì)應(yīng)的車刀處有明顯的溝槽，同時(shí)也呈擴(kuò)大趨勢(shì)，且形成了典型的后刀面磨損B區(qū)和N區(qū)[16]，磨損在參與切削的切削刃中部較均勻，B區(qū)磨損帶的寬度一致。由于加工硬化層的影響，靠近工件外表面處的N區(qū)磨損較為嚴(yán)重；在后刀面磨損圖片中可以發(fā)現(xiàn)，有不同程度的金屬附著物，存在一定量的積屑。由圖5可見：當(dāng)切削長(zhǎng)度達(dá)到2 500 mm，即切削時(shí)間為23 min時(shí)，后刀面出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象，刀具發(fā)生失效，切削次數(shù)少，評(píng)價(jià)時(shí)間短。后刀面磨損量與切削時(shí)間的關(guān)系見圖6。由圖6分辨出初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段，與刀具磨損理論較吻合[17]。

圖2 切削試驗(yàn)前后刀面形態(tài)Fig.2 Shape of flank face before cutting

圖3 切削長(zhǎng)度為500 mm時(shí)后刀面形態(tài)Fig.3 Shape of flank face when cutting length is 500 mm

圖4 切削長(zhǎng)度為2 250 mm時(shí)后刀面形態(tài)Fig.4 Shape of flank face when cutting length is 2 250 mm

圖5 切削長(zhǎng)度為2 500 mm時(shí)后刀面形態(tài)Fig.5 Shape of flank face when cutting length is 2 500 mm

圖6 后刀面磨損量與切削時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between flank wear and cutting time

2.2 前刀面月牙洼磨損

前刀面有明顯的月牙洼磨損，并呈擴(kuò)大趨勢(shì)，說(shuō)明斷屑槽的存在仍會(huì)產(chǎn)生月牙洼磨損，如圖7所示。

圖7 切削長(zhǎng)度為2 250 mm時(shí)前刀面形態(tài)Fig.7 Shape of rake face when cutting length is 2 250 mm

2.3 切屑形態(tài)

在切削過(guò)程中切屑可以分為2種：在速度較低時(shí)，為較短的“C”形切屑[18]；在速度較高時(shí)，為較長(zhǎng)的帶狀切屑。切屑的長(zhǎng)度隨速度的增加而變長(zhǎng)。這說(shuō)明在低速切削時(shí)，斷屑槽能較好控制切屑的形態(tài)。但隨著速度的提高，開始大量出現(xiàn)帶狀切屑，說(shuō)明當(dāng)速度提高到較大時(shí)，斷屑槽不能很好地控制切屑的形態(tài)。

3 結(jié)論

(1)采用基于變速原理的材料切削加工性能評(píng)價(jià)方法對(duì)工件進(jìn)行2次不同切削速度范圍的變速切削，即可完成工件材料切削加工性能的評(píng)價(jià)，且變速切削可使刀具在20 min左右時(shí)間失效，工件材料用量少，評(píng)價(jià)周期短，縮短了新型材料切削加工性能的研究周期，為切削參數(shù)優(yōu)化提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)，減少了生產(chǎn)過(guò)程中的盲目性。

(2)以相對(duì)可切削系數(shù)表征工件材料的切削加工性能，依照單刃車刀壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO 3685—1993設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)，保證獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤。切削試驗(yàn)所得的刀具磨損曲線與刀具磨損理論曲線相吻合。

(3)該評(píng)價(jià)方法可根據(jù)需要設(shè)定變速范圍，并在該范圍內(nèi)對(duì)工件材料的切削加工性能實(shí)施快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，擴(kuò)展了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的切削速度范圍。同時(shí)，由于該方法依照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，使不同科研人員之間的信息互換變得更為便利，通用性更佳。

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