刀具磨损与切削用量关联度试验研究.doc

刀具磨损与切削用量关联度试验研究 潘建新1，潘祎2 （1.湖南科技职业学院实习实训指导中心，湖南长沙，410004） （2.徐州医学院医学影像学院，江苏徐州，221004） 摘要：文章通过对POLMAX材质试件在不同切削条件下的加工试验，重点分析了涂层刀具的磨损形式，总结出了切削用量影响刀具磨损的规律。研究结果表明：YG类涂层硬质合金刀具加工淬硬POLMAX不锈钢时，低速阶段主要表现为粘结磨损，高速阶段主要表现为氧化磨损与扩散磨损；切削用量中切削速度对刀具磨损影响最大，当切削速度较低时（小于50m/min）刀具磨损量几乎保持在同样的水平，而当切削速度达到120m/min以上时，刀具磨损量急剧上升。 关键词：刀具磨损；切削用量；关联度 :TG506.1 1前言 随着人们对塑料产品外观质量要求的不断提高，高光洁度模具材料应用越来越普遍。POLMAX是瑞典ASSAB的光学级（表明粗糙度值在0.3-0.7m之间）镜面塑胶模具钢，具有优良的抛光性、耐腐蚀性、耐磨性和可加工性，广泛应用于对产品表面质量有严格要求的光学、医疗和CD/DVD等领域，是制造高光洁度模具的必备材料。然而，对该材料切削工艺知识的缺乏，又往往造成切削效率降低、刀具寿命缩短、加工质量变差等问题，特别是刀具磨损问题，成为影响POLMAX切削效率的主要原因之一。本文通过对POLMAX材质试件在不同切削条件下的加工试验，重点分析了涂层刀具的磨损形式，总结出了切削用量影响刀具磨损的规律，研究结论对生产实际有一定的指导作用。 2刀具磨损形式及过程 刀具磨损形式一般为前刀面月牙洼磨损、后刀面均匀磨损以及副后刀面由摩擦引起的沟槽磨损1。随着切削时间的增加，切削温度升高，刀具材料和工件材料还会发生粘结，两者产生相对运动粘结点产生剪切破坏，将刀具材料粘结颗粒带走造成刀具的粘结磨损。无论何种磨损形式，刀具的磨损过程和一般机械零件的磨损规律相同，如图1所示，分为三个阶段：初期磨损阶段（AB段）、正常磨损阶段（BC段）和急剧磨损阶段（CD段）2。 3切削用量对刀具磨损的影响试验 3.1试验方案 本试验主要研究切削速度对刀具磨损的影响规律，试验用刀具采用涂层刀片，油雾冷却方式，切削速度的水平设定为：35、50、80、120、160m/min。测量内容主要是观察刀具磨损形貌并测量后刀面磨损量。后刀面磨损量的测量方案是：试件加工一定长度后观察刀片磨损情况，当后刀面为均匀磨损时，取磨钝标准为平均磨损量达到0.3mm；当后刀面为剧烈磨损时，取磨钝标准为最大磨损量达到0.6mm。具体取点测量方案如表1所示。 试件所用材料为POLMAX不锈钢，淬火后硬度达到HRC52，属典型的难加工材料。选择进给量时主要考虑机床进给机构的强度、车刀刀杆的强度和刚度、硬质合金刀片的强度和工件的装夹刚度等因素。因是半精加工，切削深度不会很大，而且，较大的切削深度也会加快刀具的磨损。本试验中主要研究切削速度对刀具磨损的影响，根据金属切削手册及株洲钻石切削刀具股份有限公司刀具样本中的推荐值，选取切削深度和进给量分别为ap=0.3mm、f=0.2mm/r。切削速度是影响刀具磨损和刀具寿命的主要因素，因此，在选择切削速度时要充分考虑工件材料、刀具强度、机床刚性等各种因素。在目前国内的研究中，切削淬硬POLMAX不锈钢时的切削速度都比较低，普通切削时，速度一般设定为40-60m/min，高速切削时，速度可以达到200m/min左右3。根据前面确定的切削深度和进给量，通过查表或计算的方法 选用35m/min、50m/min作为普通切削速度，高速切削阶段选用三组较高的速度，分别为：80m/min、120m/min、160m/min。 3.2试验条件 3.2.1试件材料 本次试验采用棒料POLMAX不锈钢，直径为150mm，长度为800mm。该材料的化学成分如表2所示4。 3.2.2加工设备 (1)机床的选择 本试验选用沈阳机床股份有限公司生产的CAK6150数控车床（机床外观如图2所示）。该机床适合于铝合金、石墨、淬硬钢及超硬合金等材料的高速高精加工。其主要性能指标为：最大工件回转直径500mm，最大车削直径300mm，最大车削长度850mm，刀架工位数4工位，刀架最大X向行程250mm，最大Y向行程600mm，主轴电动机功率7.5kw，主轴转速可在40-1800r/min范围内无极调节，最大移动速度X/Z向均为20m/min，配置FANUC0iMate-TC数控系统。 (2)刀具的选择 刀具选用株洲钻石切削刀具股份有限公司生产的涂层硬质合金刀片，刀片型号为MGl20408-EM，刀片材料为K类（YG类）硬质合金材料，刀杆型号为MCLNR2525M12。刀具的主要几何参数：前角0=6，后角0=7，主偏角r=95，副偏角r=4，刃倾角S=-5.5，副后角0=7，刀 尖圆弧半径r=0.8mm。刀杆及刀片外观如图3所示。 3.2.3检测设备 为保证试验结果的准确性，每组试验都选用新的刀片。试验过程中采用日本VHX-1000C型超景深三维显微系统(图4-a)观察刀具磨损形貌的变化情况，并测量刀具后刀面的磨损带宽度。每组试验结束后，采用日本JSM-6360LA扫描电子显微镜及能谱仪(图4-b)对刀具表面进行能谱分析。每次停刀时，再用粗糙度测量仪(图4-c)测量已加工表面的粗糙度，记录不同条件下已加工表面粗糙度值。 4试验结果分析 在切削加工POLMAX不锈钢时，选用的切削用量尤其是切削速度对刀具磨损影响很大。不同的切削速度对刀具的磨损量有着不同的变化。一般而言，切削速度越大，刀具磨损越严重。图6表示出了切削速度分别为50、80和120m/min(ap=0.3mmf=0.2mm/r)时，刀具副后刀面磨损量随切削速度变化的规律（图6中未表示出切削速度为35m/min及160m/min时的变化曲线）。 图5表明：当切削速度达到120m/min以上时，刀具后刀面磨损量急剧上升，而且高速阶段磨损量远远大于低速阶段磨损量。这主要是因为涂层在切削过程中因摩擦脱落，刀具基体直接参与切削，导致刀具磨损加剧，最终失效；另外，在采用35m/min及50m/min切削速度时，刀具磨损量几乎在同样的水平上。这是因为试验用刀具属于超细晶粒硬质合金，晶粒细化后，硬质相尺寸变小，粘结相均匀地分布在硬质相周围，大大提高了刀具的硬度和耐磨性5。 随着切削速度的增加，刀-屑接触面温度与压力越来越大，刀-屑之间的接触由滑动接触变为粘结接触，所以，低速切削时刀具磨损形式主要为粘结磨损。而随着刀具与工件接触表面摩擦过程中产生的粘附力越来越强，刀具材料细微质点发生剥落或剪切。当温度达到800-900时，工件元素与刀具元素之间发生相互扩散6，所以，高速切削时刀具磨损形式主要转化为氧化磨损与扩散磨损。通过实际观察刀具后刀面磨损形貌也可证实结论的正确性。 5结论 本试验研究得到以下主要结论： （1）刀具的磨损形式一般表现为前刀面月牙洼磨损、后刀面均匀磨损以及副后刀面由摩擦引起的沟槽磨损。 （2）YG类涂层硬质合金刀具加工淬硬POLMAX不锈钢时，低速阶段主要表现为粘结磨损，高速阶段主要表现为氧化磨损与扩散磨损。 （3）切削用量中切削速度对刀具磨损影响最大，当切削速度较低时（如35m/min，50m/min）刀具磨损量几乎保持在同样的水平，而当切削速度达到120m/min以上时，刀具磨损量急剧上升。 （4）油雾冷却切削能明显改善刀具磨损情况，大大提高刀具使用寿命。 参考文献： 1赵长明,刘万菊.数控加工工艺及设备M.第一版.清华大学出版社,xx:85-98 2武友德,张跃平.金属切削加工与刀具M.第一版.北京理工大学出版社,x