Tialn涂層刀具干銑氟金云母陶瓷切削力試驗(yàn)研究*

蓋立武，郭旭紅，沈翔宇，鄧大松，郭大林

(1. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

Tialn涂層刀具干銑氟金云母陶瓷切削力試驗(yàn)研究*

蓋立武1,2，郭旭紅1，沈翔宇1，鄧大松1，郭大林1

(1. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

氟金云母陶瓷材料在工業(yè)生產(chǎn)和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但與金屬材料相比，存在著加工效率低，刀具磨損快，機(jī)加工成本高等缺點(diǎn)，限制了氟金云母陶瓷材料的推廣使用。為了優(yōu)化氟金云母陶瓷材料的銑削加工參數(shù)，提高刀具的使用壽命，文章采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了Tialn涂層刀具干銑氟金云母陶瓷材料的切削力試驗(yàn)，分析了銑削參數(shù)的變化對切削力的影響規(guī)律，提出了高效加工的解決方案，為實(shí)際生產(chǎn)中銑削氟金云母陶瓷材料工藝方案的制定提供了重要的參考依據(jù)。

氟金云母；切削參數(shù)；Tialn涂層銑刀

0 引言

氟金云母陶瓷材料具有很多優(yōu)良的性能指標(biāo)，如：可大范圍調(diào)整的熱膨脹系數(shù)；硬度及機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性高；化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良，能適應(yīng)嚴(yán)苛的工程環(huán)境；具有較高的軟化溫度，在高溫條件下仍然能保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度；介電損耗小、電絕緣性能優(yōu)良；與同等力學(xué)性能的金屬材料相比，其具有密度小、質(zhì)量輕、質(zhì)地致密、不透水、不透氣等優(yōu)勢[1-3]。由于具備優(yōu)異性能及其它功能特點(diǎn)，氟金云母陶瓷材料被廣泛應(yīng)用于新能源、生物醫(yī)學(xué)、光電通訊、精密儀器、空間技術(shù)等工業(yè)生產(chǎn)及高新技術(shù)領(lǐng)域[4-7]。

國內(nèi)外很多學(xué)者對氟金云母陶瓷的制備工藝的研究比較關(guān)注，在這方面也取得了一定的成果。因氟金云母陶瓷相對于工程陶瓷材料易于切削，加工性能和碳鋼相似，所以很多學(xué)者忽略了對氟金云母陶瓷的切削加工性能的研究。但氟金云母陶瓷的可加工性與金屬材料相比有著較大的差別，硬脆特性仍然是氟金云母陶瓷難加工的主要因素之一，與金屬材料相比在加工過程中，加工效率低，刀具磨損快，機(jī)加工成本高，限制了氟金云母陶瓷的推廣使用[8-10]。

本文選用株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的Tialn涂層硬質(zhì)合金刀具對氟金云母陶瓷進(jìn)行銑削試驗(yàn)，研究了氟金云母陶瓷材料銑削加工中切削參數(shù)的變化對切削力的影響，以便為實(shí)際生產(chǎn)中切削用量的選用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

采用HASS VF1立式加工中心進(jìn)行銑削試驗(yàn)，以無錫創(chuàng)新陶瓷有限公司生產(chǎn)的氟金云母陶瓷為試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分和物理性能分別見表1、表2所示。采用株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的Tialn涂層硬質(zhì)合金銑刀，刀具為整體式立銑刀，刀齒為4齒，直徑為12mm,螺旋角為30o,刃長為30mm,刀齒為尖角保護(hù)型。

表1 氟金云母陶瓷材料的化學(xué)成分

表2 氟金云母陶瓷材料的性能指標(biāo)

試驗(yàn)系統(tǒng)：選用精度高、響應(yīng)速度快的銑削力測量儀器是進(jìn)行銑削力研究的重要保障，本試驗(yàn)儀器由Kistler9257三向壓電式測力儀、Kistler5070電荷放大器，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。Kistler9257三向壓電式測力儀的基本技術(shù)參數(shù)：靈敏度0.01N,量程0～10kN(Z),0～5kN(X、Y)[11-12]。

首先將Kistler9257三向壓電式測力儀用壓板安裝在機(jī)床工作臺上，小型平口鉗通過一個支撐平板相聯(lián)接固定在測力儀中的固定孔中，為了防止陶瓷材料被夾裂，在平口鉗的夾緊面上放上橡膠軟墊，試件的夾持效果如圖1所示。這樣的裝夾設(shè)計(jì)可以使銑削力通過測力儀中的傳感器直接傳給電荷放大器，避免了壓板的夾緊力對測力儀的干擾。

圖1 試件的安裝圖

把測力儀固定在機(jī)床的工作臺上，就可以進(jìn)行銑削試驗(yàn)了，圖2所示為試驗(yàn)用的銑削力測量系統(tǒng)。

圖2 銑削力測量系統(tǒng)

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法，選擇切削深度ap、切削寬度ae、每齒進(jìn)給量fz、切削速度v，4個參數(shù)，每個參數(shù)變化5個水平，具體參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案

銑削方式為順銑，冷卻方式為空氣自然冷，進(jìn)刀方式為沿著延長線進(jìn)刀。試驗(yàn)主要研究材料的切削性能，不考慮加工工藝對切削力的影響，因此將走刀路線設(shè)為直線，加工路線和銑刀受力如圖3所示。

圖3 銑刀走刀路線和受力分析

銑削為斷續(xù)切削，因此圖3中的Fx、Fy和Fz為銑刀的刀齒在X、Y和Z三個方向的瞬時切削分力，在銑削加工中銑刀刀桿還受到徑向力Fr、切向力Ft和軸向力Fa的作用，它們的大小為Fx、Fy和Fz在其矢量方向的投影，其中徑向力Fr會引起銑刀刀桿的彎曲變形，切向力Ft會引起銑刀刀桿的扭轉(zhuǎn)變形，軸向力Fa會引起銑刀刀桿沿軸線方向的壓縮變形[13]。為了得到比較均勻的銑削力，首先將試件的表面銑平，每組試驗(yàn)都安排兩次，取其平局值為最終的銑削力，銑削分力信號如圖4所示，從圖中可以看出各銑削分力都比較均勻。

圖4 銑削力信號圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

由試驗(yàn)測得的各向銑削分力FX、Fy、FZ與切削用量的關(guān)系如圖5～圖9所示。由圖5～圖9可以看出Fy是Fx、Fy、Fz中的最大一個分力，是本次試驗(yàn)中的主切削力，是重點(diǎn)考察的對象；FX的值除了在圖5中變化較大外，在其余各圖中變化較??；FZ值最小，且也比較平穩(wěn)，在銑削中可以忽略它對加工的影響。從圖5～圖9還可以看出，主切削力Fy隨著切削用量的增大而增大，其中切削深度和切削寬度對主切削力的影響較大，每齒進(jìn)給量和切削速度對主切削力的影響較小。下面將分析每種切削參數(shù)的改變對主切削力的影響規(guī)律。

圖5 切削寬度ae對銑削力的影響

3.1 切削寬度ae對銑削力的影響

塑性金屬的切削試驗(yàn)指出：切削寬度ae的增加，變形系數(shù)不變，從而切削分力呈正比增加趨勢。從圖5可以看出Fy從切寬1mm到切寬3mm之間增大比較迅速，當(dāng)切寬大于3mm以后，銑削分力Fy的增速放緩，這是因?yàn)榉鹪颇柑沾尚纬傻氖且恍┍浪榍行?，?dāng)切削寬度增加時在已加工表面形成大凹坑，反而有利于減少刀具與工件之間的摩擦，從而相應(yīng)的減少一些切削力，使銑削分力增加放緩。而另一方面，當(dāng)切寬較小時FX增速較緩，當(dāng)切寬大于3mm以后FX急劇增大，采集的銑削力信號圖顯示X方向存在較大的沖擊力，如圖所示。

圖6 X向沖擊力信號圖

這是由于切削寬度增加時，試件與刀具在徑向的接觸面積增大，使得刀具所受的瞬時徑向力增大，刀具承受的彎曲變形加大，由于銑削是斷續(xù)切削，在空切的時候，刀具又發(fā)生彈性變形的恢復(fù)，這樣就使得刀具與試件間發(fā)生周期性的撞擊，引起工藝系統(tǒng)的振動。當(dāng)切削寬度增加時會在X方向檢測到明顯的沖擊力，沖擊力的大小和工藝系統(tǒng)的剛性有較大關(guān)系，當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性較好時，沖擊力較小，當(dāng)工藝系統(tǒng)的剛性較差時沖擊力較大。

3.2 切削深度ap對銑削力的影響

從圖7可以看出，主切削力Fy的變化趨勢和圖5類似，都是先快后慢，這和切削寬度ae對主銑削力Fy的影響原因是一樣的。這是氟金云母陶瓷材料與金屬材料切削時的顯著不同點(diǎn)，符合典型的玻璃陶瓷切削規(guī)律。從圖7也可以看出切削分力FX變化不大，并且沒有沖擊力。這是因?yàn)楫?dāng)切削深度增加時在某一截面上的徑向力并沒有增加，雖然沿整個軸向徑向力的合力有所增加，但對工藝系統(tǒng)的影響要比切削寬度ae小得多。

圖7 切削深度ap對銑削力的影響

3.3 切削速度v對銑削力的影響

從圖8可以看出銑削分力Fy基本上是呈線性比例增加的，這和塑性金屬的切削理論有著較大區(qū)別；這主要是因?yàn)樗苄越饘俨牧系淖冃蜗禂?shù)較大，當(dāng)切削速度提高時溫度也隨著升高，加工過程中材料發(fā)生熱軟化現(xiàn)象使金屬材料變軟，從而減小切削抗力，使切削力的增速變緩，而氟金云母陶瓷材料屬于典型的硬脆性材料，其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良，具有較高的軟化溫度，在高溫條件下仍然能保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度；當(dāng)切削速度增加時銑刀刀齒在單位時間內(nèi)撞擊材料的次數(shù)也增加，切削抗力也隨之增加，從而造成隨著切削速度的提高，切削力呈線性比例增加。但從圖8中也可以看出切削力的變化范圍不大，因此為了提高加工效率在實(shí)際加工中切削速度可以取較大值。

圖8 切削速度v對銑削力的影響

3.4 每齒進(jìn)給量fz對銑削力的影響

從圖9看出在0.01～0.015mm/z時，銑削分力Fy增加比較迅速，在0.015～0.025mm/z銑削分力Fy增速放緩，在0.025～0.03mm/z時增加又變的比較迅速，這是因?yàn)殡S著每齒進(jìn)給量的增加銑刀刀齒切除的切屑厚度變大，刀—屑接觸區(qū)域摩擦增大，進(jìn)而使切削力增大，同時徑向力Fr和切向力Ft還引起銑刀刀桿的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)?shù)稐U變形較小時會在一定程度上減小銑削分力增加的趨勢，隨著銑刀刀桿變形的增大，彈性恢復(fù)的距離也變大，對試件的撞擊力度相應(yīng)增加，從而引起銑削力的急劇增大，由此可見在銑削氟金云母陶瓷材料時，隨著每齒進(jìn)給量fZ的增加，銑削分力不是隨著線性增加的，在一定范圍內(nèi)隨著每齒進(jìn)給量的增加銑削分力的增速放緩。從提高加工效率和刀具耐用度的角度考慮，本試驗(yàn)樣件的進(jìn)給量選擇在0.015～0.025mm/z時比較合適。

圖9 每齒進(jìn)給量fz對銑削力的影響

4 結(jié)論

通過使用Tialn涂層硬質(zhì)合金刀具對氟金云母陶瓷材料進(jìn)行切削力的試驗(yàn)，獲得如下結(jié)論：

(1)隨著切削寬度的增加，X向會產(chǎn)生沖擊力，沖擊力會破壞切削過程中的平穩(wěn)性，造成表面質(zhì)量的降低。

(2)隨著切削速度的增加主切削力Fy基本上是呈線性比例增加的，但在徑向力Fr和切向力Ft的綜合作用下，切削深度、切削寬度和每齒進(jìn)給量并不是呈線性比例增加的。

(3)主切削力Fy隨著切削用量的增大而增大，其中切削深度和切削寬度對主切削力的影響較大，每齒進(jìn)給量和切削速度對主切削力的影響較小。

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ExperimentalStudyonCuttingForceofFluorophlogiteCeramicswithTialnCoatedTool

GAI Li-wu1,2，GUO Xu-hong1，SHEN Xiang-yu1,DENG Da-song1,GUO Da-lin1

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215021, China；2. College of Mechanical and Electronic Engineering,Suzhou Vocational University,Suzhou Jiangsu 215104， China)

Fluorine mica ceramic are widely used in industrial production and high-tech fields. However, compared with metal materials, there are shortcomings such as low processing efficiency, fast tool wear and high machining costs, which limits the popularization of fluorine mica ceramic.In order to optimize the milling parameters of fluorine mica ceramic materials and improve the service life of the tool, the cutting force test of milling fluorine mica ceramic materials with Tialn coated cutters was carried outby single factor test design,studied the influence of the change of milling parameters on cutting force,proposed a highly efficient processing solution,provide an important reference for formulation of milling process for fluorine mica ceramic in actual production.

fluorophlogopite; cutting parameters; Tialn coated cutter

1001-2265(2017)11-0141-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.037

2017-03-20；

2017-04-06

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(BA2014004);江蘇省普通高校研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(ZY32003615)；蘇州市職業(yè)大學(xué)校級課題階段成果(SVU2015CGCX06)

蓋立武(1979—),男，山東滕州人，蘇州市職業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)師、工程師，研究方向?yàn)榍邢骷庸ぜ夹g(shù)，(E-mail)glw@jssvc.edu.cn。

TH140.7;TG703

A

(編輯李秀敏)