尼龍棒的切削性能試驗(yàn)研究

胡彥軍 張繼林 程仲文 張得福

（蘭州工業(yè)學(xué)院 甘肅省精密加工技術(shù)及裝備工程研究中心，蘭州 730050）

尼龍棒具有韌性好、耐磨性強(qiáng)、耐油、抗震、拉伸、彎曲強(qiáng)度好、吸水性小以及尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛用作耐磨零件、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)件以及家用電器零件等[1-2]。尼龍是非金屬材料，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)金屬切削性能的研究較多，但是對(duì)非金屬切削性能的研究相對(duì)較少。例如，尼龍棒國(guó)內(nèi)外高校將其作為實(shí)訓(xùn)材料，并未研究它的切削性能。目前，國(guó)內(nèi)已有關(guān)于非金屬切削性能的研究。張立峰等[3]研究了碳纖維增強(qiáng)塑料高速切削加工性能及碳纖維增強(qiáng)塑料切削材料的去除機(jī)理；陳能[4]建立了纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的微切削加工有限元仿真模型，并研究了加工參數(shù)對(duì)切削過(guò)程的影響，探索了加工過(guò)程中纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的變形行為與斷裂機(jī)制；史賀飛[5]通過(guò)仿真和切削實(shí)驗(yàn)研究了SiO2/HDPE 復(fù)合材料的切削加工機(jī)理；李順才等[6]采用兩種試驗(yàn)方案分別對(duì)相同直徑的鋁棒和尼龍棒進(jìn)行相同車削參數(shù)的車削試驗(yàn)，得到了兩種車削試驗(yàn)方案中各個(gè)振動(dòng)信號(hào)最大自功率譜密度的均值隨車削參數(shù)的變化規(guī)律。

本文以切削速度uc、進(jìn)給量f、和背吃刀量ap這3 個(gè)因素為自變量，利用搭建的切削試驗(yàn)平臺(tái)，研究以金剛石刀具切削尼龍棒的試驗(yàn)，以掌握非金屬材料切削參數(shù)與切削力的影響規(guī)律，為切削參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 切削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及機(jī)床

試驗(yàn)材料選擇普通的尼龍棒，如圖1 所示。機(jī)床選擇沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的CAK5085si 數(shù)控車床，其主電機(jī)功率為7.5 kW，如圖2 所示。試驗(yàn)采用KISTLER 測(cè)力儀，如圖3 所示。

圖1 尼龍棒

圖2 CAK5085si 數(shù)控車床

圖3 KISTLER 測(cè)力儀

1.2 試驗(yàn)刀具

刀具采用金剛石車刀（刀尖材料為金剛石），如圖4 所示。它的幾何角度中，前角γ0=15°，后角α0=10°，刃傾角λs=0°。此外，刀尖圓弧半徑為0.4 mm。

圖4 金剛石車刀

1.3 試驗(yàn)方案

在搭建好的試驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5 所示。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)確定切削參數(shù)，如表1 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別控制每組中的兩個(gè)參數(shù)保持不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，觀察參數(shù)改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

基于試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)方案進(jìn)行切削試驗(yàn)，測(cè)力儀采集的數(shù)據(jù)如圖6 所示。刀具進(jìn)入和退出切削過(guò)程時(shí)，切削力波動(dòng)明顯，取中間較為穩(wěn)定的階段，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2 所示。

圖6 采集的數(shù)據(jù)

2.2 試驗(yàn)分析

為了研究切削參數(shù)對(duì)切削力的影響關(guān)系，將表2的試驗(yàn)結(jié)果用Origin 8.0 分別作出切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量與切削力的關(guān)系圖，如圖7 所示。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

從圖7 可知，隨著切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量的變化，F(xiàn)z占主導(dǎo)作用，決定了切削過(guò)程。圖7（a）中，隨著切削速度逐漸增加，F(xiàn)x逐漸增加，F(xiàn)y、Fz和F都先減小后增加（總體呈減小趨勢(shì)），速度從60 m?min-1增加到120 m?min-1時(shí)，F(xiàn)是原來(lái)的0.92 倍，降低幅度較小。從圖7（b）可知，隨著進(jìn)給量逐漸增加，F(xiàn)x逐漸增加，F(xiàn)y、Fz和F都先增加后減小（總體呈增加趨勢(shì)），速度從0.1 mm?r-1增加到0.4 mm?r-1時(shí)，F(xiàn)是原來(lái)的1.87 倍，增幅度較小。從圖7（c）可知，隨著背吃刀量逐漸增加，F(xiàn)x和Fy先減小后增加，F(xiàn)z和F先增加后減小，背吃刀量從0.5 mm 增加到1.5 mm 時(shí)，F(xiàn)是原來(lái)的1.59 倍，增加幅度較小；背吃刀量從0.5 mm 增加到2 mm 時(shí)，F(xiàn) 是原來(lái)的0.67 倍，降低幅度較小。

圖7 切削參數(shù)對(duì)切削力的影響

3 結(jié)語(yǔ)

以切削力為目標(biāo)，以切削參數(shù)為自變量，采用單因素試驗(yàn)方案，利用試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行尼龍棒車削試驗(yàn)，研究了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。在車削過(guò)程中，F(xiàn)z占主導(dǎo)作用，F(xiàn)x和Fy其次要作用，當(dāng)進(jìn)給量和背吃刀量一定時(shí)，隨著切削速度的增加，切削力降低；當(dāng)切削速度和背吃刀量一定時(shí)，隨著進(jìn)給量的增加，切削力逐漸增加；當(dāng)切削速度和進(jìn)給量一定時(shí)，隨著背吃刀量增加，切削力增加，當(dāng)背吃刀量增加到2 mm 時(shí)，切削力降低。