PCD金剛石刀具車削2A12硬鋁合金工藝參數(shù)的優(yōu)化*

王 勝，周明安，巫少龍，楊 帆，2，余文利

(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310000)

PCD金剛石刀具車削2A12硬鋁合金工藝參數(shù)的優(yōu)化*

王 勝1，周明安1，巫少龍1，楊 帆1，2，余文利1

(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310000)

采用特定品牌PCD車刀在英格索爾50T線性高精度導(dǎo)軌FANUC數(shù)控車床上，對(duì)2A12硬鋁合金進(jìn)行外圓輪廓車加工試驗(yàn)，觀察硬鋁合金在特定工藝參數(shù)下切屑形態(tài)及加工質(zhì)量的變化。利用高端的數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備及軟件，對(duì)加工成型的硬鋁合金表面進(jìn)行輪廓度及圓柱度測(cè)量。分析特定品牌PCD車刀在不同加工工藝參數(shù)下2A12硬鋁合金的加工質(zhì)量，得出最佳的切削進(jìn)給速度Vf=0.12 mm·r-1、切削深度為ap=1.2mm。結(jié)果表明，合理選擇加工切削的刀具材料、加工工藝參數(shù)，可使2A12硬鋁合金切屑成完美的彈性卷屑狀，工件表面輪廓與理論輪廓貼近，圓柱精度較高，實(shí)現(xiàn)加工2A12硬鋁的高效高質(zhì)量切削。

金剛石刀具；切屑形態(tài)；輪廓度

0 引言

硬鋁(2A12)合金有良好的機(jī)械加工性能，因此被廣泛的應(yīng)用于航空、兵器、數(shù)控加工等各個(gè)領(lǐng)域。但其在切削加工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)粘刀及大量積屑瘤的現(xiàn)象發(fā)生，很大程度上影響了工件加工質(zhì)量及增加刀具的損壞率[1]。因此，應(yīng)考慮先進(jìn)的刀具切削材料，例如人造聚晶金剛石(PCD)[2]，其在高溫高速加工過(guò)程中仍保持良好的切削性能。

目前機(jī)械加工中，針對(duì)模具鋼、鈦合金的刀具切削研究比較集中，吳明陽(yáng)和FM Cabrera等研究了不同的刀具切削金屬材料的性能分析[3-5]。汪耀龍和王朋等研究了金鋼石車削過(guò)程氣囊的改進(jìn)，在一定參數(shù)條件下車削工表面件微納組織的變化與氣囊的拋光成形[6-9]。劉志兵等研究了圓弧刃刀具在仿真建模過(guò)程中切削參數(shù)變化對(duì)工件質(zhì)量影響的預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)[10]。賈秀杰等研究了刀具切削過(guò)程中刀具的鈍化影響切削力及表面粗糙度的變化，結(jié)論得出刀具鈍化越嚴(yán)重其在切削過(guò)程中切削力越大，其表面粗糙度越高，表面質(zhì)量越低[11]。王義強(qiáng)等研究了銑削過(guò)程中模具鋼的變化特性及疲勞失效的劇變階段[12]。邱新義等研究了不同機(jī)夾刀具切削不銹鋼時(shí)切削形態(tài)及刀具磨損規(guī)律[13]。

綜上分析，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要針對(duì)硬鋁及模具鋼經(jīng)過(guò)特定刀具加工后工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，并未涉及表面質(zhì)量的研究，研究成果有一定局限性。因此本文主要研究PCD刀具在車削硬鋁合金2A12過(guò)程工藝參數(shù)對(duì)其表面質(zhì)量、切屑形態(tài)等方面的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2A12鋁合金毛坯，硬鋁合金的主要成分[13]，見(jiàn)表1。

表1 硬鋁合金棒料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)刀具,采用Kennametal公司的特定PCD刀具，其幾何參數(shù)如表2。

表2 刀具的幾何參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

選擇FANUC數(shù)控系統(tǒng)，型號(hào)為：大連機(jī)床英格索爾50T線性高精度導(dǎo)軌數(shù)控車床，將PCD刀具裝夾到成都英格生產(chǎn)的壓板式機(jī)夾刀桿上，將D=50mm的2A12棒料進(jìn)行正交切削實(shí)驗(yàn)。如圖1安裝好精制的金剛石材料車削刀具，進(jìn)行切削試驗(yàn)。采用FANUC系統(tǒng)編程的G71粗車指令，結(jié)合粗車刀具先將的大部分毛坯余量去除后，留有按照正交試驗(yàn)加工參數(shù)的余量，再利用PCD刀具結(jié)合G70精車指令，進(jìn)行切削精加工成形試驗(yàn)。

圖1 正交優(yōu)化車削試驗(yàn)過(guò)程

表3為正交數(shù)據(jù)分布情況，設(shè)置相應(yīng)的加工工藝參數(shù)，采用正交優(yōu)化的方法進(jìn)行切削加工。

表3 選擇加工工藝參數(shù)設(shè)置正交優(yōu)化試驗(yàn)

按照試驗(yàn)的序號(hào)，分別采集切削試驗(yàn)后的工件，進(jìn)行編號(hào)，并利用數(shù)字檢測(cè)技術(shù)對(duì)其切屑形態(tài)、輪廓、粗糙度等進(jìn)行綜合分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)切削形態(tài)的影響

車削上通常使用刀具進(jìn)給速度Vf的單位是：mm·r-1，即刀具的移動(dòng)速度V和工件主軸轉(zhuǎn)速S存在著一定的比例公式V(mm·min-1)=S×Vf，PCD金剛石刀具在英格索爾50T數(shù)控車床上，對(duì)硬鋁2A12進(jìn)行實(shí)際車削，觀察宏觀狀態(tài)下的切屑形態(tài)。

圖2根據(jù)正交試驗(yàn)參數(shù)，顯示9種工藝參數(shù)下的切屑形態(tài)。不難發(fā)現(xiàn)，不同工藝參數(shù)加工后的切屑形態(tài)各不同，按照工藝參數(shù)的設(shè)置相應(yīng)的對(duì)切屑進(jìn)行編號(hào)。當(dāng)ap由0.4 mm增加至0.8 mm(即編號(hào)01～03切屑的變化)，切屑形態(tài)由粉粒狀斷屑逐漸發(fā)展為成根條形螺紋狀，并有向崩碎狀切削發(fā)展的趨勢(shì)。崩碎狀切屑是數(shù)控車加工過(guò)程中要求避免的一種形態(tài)，此形態(tài)下切削工件與刀具切削力瞬間增加，刀具急劇磨損。仔細(xì)比對(duì)不難發(fā)現(xiàn)，05號(hào)切屑形態(tài)，在9件試樣中，其切屑形態(tài)程現(xiàn)的規(guī)則彈簧狀，并且此參數(shù)在切削過(guò)程中，切削聲音良好、刀具切削平穩(wěn)、排屑順暢規(guī)整(均勻的往刀桿后方排屑不粘刀)，相比較另外8種切削過(guò)程其屬于最佳的切屑形態(tài)及排屑模式，此時(shí)的工藝參數(shù)為：S=2000 r·min-1,ap=1.2 mm，F(xiàn)=0.12 mm·r-1。

圖2 正交試驗(yàn)時(shí)采集的切屑形態(tài)

2.2 工藝參數(shù)對(duì)工件表面輪廓度的影響

正交試驗(yàn)研究了2A12硬鋁合金在PCD刀具切削過(guò)程中，表面輪廓度曲線變化規(guī)律，采用CV3200輪廓度測(cè)量?jī)x，結(jié)合Formtrac軟件對(duì)加工成形進(jìn)行輪廓測(cè)量。分別測(cè)量與正交試驗(yàn)編號(hào)對(duì)應(yīng)的01～09號(hào)試驗(yàn)2A12硬鋁合金樣品，得出工件實(shí)際表面的輪廓度曲線，利用CAD軟件對(duì)實(shí)際輪廓度和理論設(shè)計(jì)的輪廓度進(jìn)行比對(duì)，如圖3所示。

圖3 正交試驗(yàn)后工件輪廓度曲線比對(duì)

綜合分析圖3比對(duì)曲線，05號(hào)參數(shù)比對(duì)圖中，實(shí)際測(cè)量的輪廓和理論設(shè)計(jì)的輪廓最為貼近，即輪廓加工精度最佳，其切削參數(shù)為：S=2000 r·min-1，ap=1.2mm,F=0.12 mm·r-1，可見(jiàn)此參數(shù)在整個(gè)綜合切削過(guò)程中，最為合理有效，切削三要素配合最佳，能夠得到高質(zhì)量的輪廓。而偏離最為嚴(yán)重的是01號(hào)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，其在9件試樣測(cè)試中，輪廓偏離的最為明顯，其有3處較為明顯的偏離，其切削參數(shù)與05號(hào)最大的區(qū)別是ap、F相差較大。由此可見(jiàn)輪廓度的控制，背吃量和進(jìn)給量較小時(shí)在PCD刀具加工硬鋁材質(zhì)工件時(shí)其輪廓度難保證，要得到高精度的輪廓需要合理結(jié)合主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量、進(jìn)給量綜合設(shè)置。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)粗糙度(光潔度)的影響

從圖4不難看出，正交試驗(yàn)編號(hào)05成形的工件，用肉眼及1500W像素拍照分析其表面光潔度平整均勻，因05號(hào)參數(shù)切屑形態(tài)最佳確保表面無(wú)劃傷，其余工件表面稍有劃傷及光潔度不高。

圖4 正交試驗(yàn)后工件表面光潔度變化形態(tài)

粗糙度值的高低完全能夠決定金屬工件加工是否合格，利用北京潤(rùn)寶便攜式高精度粗糙度儀(分別率：0.001μm)，分別對(duì)圖4每個(gè)工件的2段圓柱進(jìn)行表面粗糙度的測(cè)量，每段圓柱測(cè)量3次，并取平均值進(jìn)行計(jì)算，最終測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 不同工藝參數(shù)狀態(tài)下的粗糙度值

從表3中綜合分析，對(duì)9件試樣的粗糙度進(jìn)行比對(duì)，得到如下粗糙度變化曲線如圖5。

圖5 正交試驗(yàn)后工件粗糙度變化曲線

分析圖5不難發(fā)現(xiàn)，粗糙度隨著工藝參數(shù)的變化，呈現(xiàn)出規(guī)則變化趨勢(shì)。整體分析發(fā)現(xiàn)，粗糙度精度最高的工藝參數(shù)集中在正交試驗(yàn)的01號(hào)和05號(hào)工藝參數(shù)，但是結(jié)合圖2、圖4，綜合分析01號(hào)工藝參數(shù)車削過(guò)程中導(dǎo)致的排屑不良，將已加工表面劃傷，使得其表面光潔度不好，而05號(hào)工件表面光潔度較高。綜上分析可知，硬鋁合金在PCD刀具車削過(guò)程中，即要確保工件的光潔度，又能得到高精度的表面粗糙度，則綜合選擇05號(hào)工藝參數(shù)進(jìn)行車削，得到最佳的車削效果。

2.4 工藝參數(shù)對(duì)圓柱度的影響

將硬鋁合金正交試驗(yàn)后的9件試樣，在數(shù)字化檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，調(diào)整合適的溫濕度，放置24h后，用西安愛(ài)德華公司的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，進(jìn)行圓柱度的檢測(cè)。對(duì)9件試樣的圓柱度進(jìn)行整理歸納，得到如下圓柱度變化曲線如圖6所示。

圖6 正交試驗(yàn)后工件圓柱精度變化曲線

從圖6中不難發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)的9件硬鋁合金樣品中，經(jīng)過(guò)三坐標(biāo)的數(shù)字檢測(cè)及圓柱精度變化曲線可以得出，圓柱1與圓柱2在大小上比較是所有小圓柱。圓柱1的圓柱精度最高的試樣出現(xiàn)在試驗(yàn)序號(hào)05處，即工藝參數(shù)是S=2000 r·min-1,ap=1.2 mm，F(xiàn)=0.12 mm·r-1。大圓柱2的圓柱精度最高的試樣出現(xiàn)在試驗(yàn)序號(hào)08處，即工藝參數(shù)是S=2500r·min-1,ap=0.8 mm，F(xiàn)=0.08mm·r-1。

比較分析，05號(hào)與08號(hào)試驗(yàn)參數(shù)，二者的切削三要素均有不同，而實(shí)際的圓柱度差值只為：0.01-0.004=0.006mm,非常之小。此差值在車削精度上影響可以忽略，當(dāng)然也存在檢測(cè)者的測(cè)量誤差的因素，綜合分析圖6，可以得出PCD刀具車削硬鋁合金時(shí)，在同一工件上，不分大小圓柱其車削的圓柱度精度較高的車削參數(shù)是05號(hào)參數(shù)，在該車削三要素的試驗(yàn)下，工件的圓柱度可達(dá)到公差要求精度的0.01mm的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文研究了特定品牌PCD刀具在車削2A12硬鋁合金過(guò)程中切削速度、背吃刀量、刀具進(jìn)給速度等工藝參數(shù)的變化，對(duì)成型工件表面質(zhì)量及切屑形態(tài)的影響。研究表明PCD人造聚晶金鋼石刀具在加工工藝參數(shù)選擇V=315m·min-1,ap=1.2mm，Vf=0.12mm·r-1時(shí)，硬鋁切屑呈現(xiàn)規(guī)則螺紋卷屑狀排出，不擠壓和刮傷已加工的高質(zhì)量表面，無(wú)車削加工積屑瘤產(chǎn)生，刀具損耗小，工件車削加工成形過(guò)程中的輪廓度與理論設(shè)計(jì)的輪廓度越為貼近，工件的粗糙度值最低，加工的表面質(zhì)量最好。

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OptimizationofDuraluminTurningTechnologicalParameterwithDiamondCutter

WANG Sheng1,ZHOU Ming-an1，WU Shao-long1，YANG Fan1,2，YU Wen-li1

(1.Department of Mechanical Engineering, Quzhou College of Technology, Quzhou Zhejiang 324000, China；2. School of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310000, China)

It uses a special PCD cutter in Ingersoll Rand 50T high precision linear guide of FANUC NC lath, do external turning machining experiment on 2A12 Hard Aluminum Alloy, and study the different quality and chip morphology under special machining process parameters. Analyzing the machining quality of profile and cylindricity using special PCD cutter, which through the test of digital measurement system。And optimize the feed speed ofVf=0.12 mm·r-1，cutting depthap=1.2mm. As a result，a reasonable choice of tool and material and process parameter can make 2A12 Hard Aluminum Alloy well curling，surface profile precision higher，cylindricity precision higher，thus the high machining efficiency and high machining quality of 2A12 Hard Aluminum Alloy has come ture.

diamond cutter; shape of chip; profile tolerance

1001-2265(2017)11-0134-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.035

2016-10-13；

2016-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目結(jié)題成果(51475421);浙江省教育廳科研資助項(xiàng)目(Y201636356)

王勝(1985—) 男，浙江衢州人，衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床及自動(dòng)化加工技術(shù)，(E-mail)158942287@qq.com。

TH162;TG519.1

A

(編輯李秀敏)

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