CL01-104@低速载货汽车车架及悬架系统设计
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机械毕业设计车辆工程
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CL01-104@低速载货汽车车架及悬架系统设计,机械毕业设计车辆工程
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在 高速 端铣切削中切屑 形成的调查 作者 Yuan Ning,M.Rhman,Y.S.Wong 摘 要 端 面 球形 铣刀广泛地用于金属模和铸模工业。然而， 在高速球面端铣中 切屑形成研究 方面的工作做的非常少 。 在 一个 调查 实验 中， 已经在 这一项 研究中被引导建立切屑 形成 机理 。 普通 的铸模钢 H13的硬度 达到 HRC55， 在 高速加工中心不加切削液的情况以 10 30 千 转 /分的速度范围 被加工时： 会产生 四个典型的 切屑 和三 种 类型的 振动 。 假使采用 SEM这种方法产生切屑， EDX 方法用来分析 切削 刃口和 切屑形成过程 之间 相互 作 用。 基于这一项研究的调查结果 ,切屑 形成 机理 已经在 本文 中 提出 。 在切削 运动 中 ，三种类型的振动 阐述 了 切屑 形成和 振动 行为之间的关系。 基于实验的调查结果 一个判断 切屑 稳定 性 的方法 已经被建议。资讯科技也已经透过这一项研究被建立 ： 典型 的 Adiabatic shear 不在高速球 面端铣 的 切屑 形成方面发生。 关键字 : 球面端铣 ；切屑 形成 机理； 振动； 高 速加工； Adiabatic shear 1. 介绍 在金属 切削 中，现在的 趋势是 自动化 、 高的排除率和 无人操作方向发展 。 这需要非常可靠的 加工过程、 表 面 精度、 工件精度、刀具寿命 是主要重要。但是维持稳定的 加工 , 更 多的注意对 切屑 形状的控制以使它更容易被 排除。 这是因为 切屑 形成和裂断方面是非常重要的在 加工 中。 表面 精度 ，工件精度和 刀具寿命 的问题 是由于在 切屑 形成 过程中 较小 的 改变引起 , 尤其在高速 切削 中 ,有害 的 切屑 形成将会产生有害的效果 。 在旋转，钻孔和面铣的切屑形成方面已经做了 很多的研究工作。 Shaw提出 了一个循环的锯齿状的型面铣的 切屑 , 而且 提出相关的其 它类型的循环和无循环的 切屑 。 Nakayama 解释了 切屑 大小 和 切屑 方向 的 必要意义 ， 切屑 流量和 角形 状 ， 并且清楚地表达螺旋形的 切屑 进行 过程 。 Komanduri 已经 在 切屑 分割和不 稳定 性的研究有很大的进展 。然而看来 很少有 工厂 对 球面端铣切屑 形成的性质 做研究，由于切屑几何形状和切屑过程的复杂性 ,即使它在压铸模和铸模的高速铣中被广泛地应用。 切屑形成的过程很少考虑 ,如振 动。 本文将对 高速 端面 球 铣 实验调查和 切屑形成机理做 基本的讨论 。 2. 理论 在 Merchant出版了他的连续 切屑 形成 机理 的举世闻名模型 短短之后 , 一些作家建议不是所有的 切削过程都 符合这一个模型 。同时 很快被发现 ，在转很多的切削过中，圆柱形形切屑 在 高速 切屑中 形成。 切屑 形成 机理 这已经 重新 更新，同样， 被 Komanduri 和一些的学者 彻底地 评论 。 关于这一个主题已经被 Nakayama 出版 。 Toenshoff 阐述这种在高速切削中，把 基本的 切屑 机理叫 做 adiabatic ntsshear。 在一个变形 过程中，塑性变形是从最弱的点附近开始 , 从而产生应力集中 。 如果应变率 足够高 , 系统 是绝热，而且这些的过热 面积 狭窄 ，这里就有一个 软化 过程 , 同时局部应变增加直到瞬时的剪切发生。过热切削将产生不稳定性切屑形状，切屑 变 形严重 ，而且 切屑 容易 破碎 ,在 旋转的过程中，这些都在不停的进行着 。 所以，必须衡量这些理论是否值得用于调整球面端铣。 在 球面端铣过程中 ,有决定 切屑 形成的很多不 稳定因素 。 通常下列的因数对于 切屑 形成的分析被 考虑之 : (一 )金 属 和工作件材料的热塑料特性 ; (二 ) 切断的状态 ; (三 )剪修剪区 可变性 ; (四 ) 改变 刀具 上的磨擦力状态 (第二次的剪区 ); (五 ) 最初区和第二区的关系 (六 ) 刀具的 结构和切屑过程的交互作用 ，也就是 ,动态 因 素 。 上述的因 素 的细 节将在 稍后讨论。 然而，在 本文 中，主要 讨论在切削过程中 动 态因素的影响 。 3. 建立实 验 实验在高速 加工 中心 Makino V-55 上被引导。用于这一项研究的 机械条件是 是 : 变细长速度， 1030 k 的转 /每分 ; 轴向 切断深度从 0.1 变化到 0.8 毫米 ; 而且补给率是在 0.025-0.05 毫米 /齿的范围中。 测试材料是 AISIH13,硬度 HRC55，而且它的化学成分是 : C: 0.37%,Cr: 5.3%; W: 1.4%; Mo: 0.4%; Mn: 1.0%; Si: 1.0%. 铣刀是一个 12 毫米固体碳化物和 TiA1N 涂料的球面的端铣刀。 螺旋角 300 的 ,刀具的前倾角 0从 00 变化到 30，在切 削 刃和 间隙角中 从 11 变化到 13 。在 实验中刀具工件保持垂直 。 ， 一个 Kistler 测力计用来测 切 削力。 力信号以一个 12,000个试样 /s/通风槽的抽样率被多的通风槽 DAT(数传声音带子 ) 记录机。 一个光学显微镜被采用观察 刀具 。 过程 被一个 HP 示波器检测。 所有的切削 在干的情况 下进行 。 切屑 的 SEM 和 EDX 分析被实行，而且分别的图像被轮流。 切屑 试样在每个切 削 结束的时候被收集 ,其余 被一个高压力空气喷嘴吹走避免来自不同的切 削的切屑的混入 。 4. 结果和讨论 在研究中被发现 切屑 可分为 四 种 类型。第一型 :切屑 形成 ，型 2: 不稳定的 切屑 , 型 3: 具决定性的 切屑 和型 4: 严格的 切屑 。 第一型 是稳定的 加工 的产品。型 2-4 切屑 和不同严重的 振动过程 发生。 当 刀具 是在它的磨耗标准里面 ， 排除 刀具 的磨耗的时候，所有的 切屑 从 加工过程中 获得 。 4.1.型 1 切屑 形成 图 1 A 表 示因为它的形状 和几何 形状符合得较 好，所以 切屑 从稳定的切断获得 ,被定义为一个稳定的 切屑 ， 稳定 过程如 图 2 。 用球 面 端铣 切 削在 正常产 品 一个被弯曲两次的 切屑 5. 从图 1 A ，稳定的 切屑的形 状 与一个锥形类似。 这被归因于球面的端铣刀的在 切 削片段的几何学。 切屑 形成在一个球形的帽上发生。因此，对 于积 削容积的相等 ， 切屑 几何学 影响较低 ,那个nts尺寸和每个 切削 的形 状 将会 与 一个适度同种的工作材料是相同的。 在切 削 的 过程中 ， 切削 刃 的不同部分是各不相同的 。 另外 , 所有 切削 刃的点 , 按 照他们的不同切削角 ,必须 承 受不同的负载。图 2 B 的阴暗面积表现面积，刃口在一个旋转装置中移动过 程 ,也就是 刀具 -工作件连络面积。 刀具 与工作件成垂直。， 刀具 尖端在大小方面虽 然 非常小 ,实际上不在 切削中起作用， 因为它的切断速度是零。 这就 是 为什么 切屑 不是一个完全锥形 和 图 2 B 的 片碎区域是如何形成 。 由于 它被 刀具 尖端分 离开，所以锥形的顶端 看 不见 ,这恶化表面的性质。 如此一个较好的策略是倾斜 刀具 ，以便 切削刃 边缘与 刀具 一起预订 , 像Schulz 所 建议。 在图 2 B,O 代表 刀具 尖端 ,所以 区域 BOC 表现被 刀具 尖端擦离开的工作件的部分。 在稳定的切断中 ,刀具与工作件接触长度就 是被预 计 的刃口长度。在 分割区域如 图 2 中被显示 ABCD 。 区 域 ABCD 也代表切削刃与 工作件接触稳定的面积。 接着 发现一个不稳定的加工过程 , 切削 刃 与工 件接触面积和长度实质上 总是有 差异。以稳定的切断在一个齿接触期间 ,时期CT,将有一切屑 生产。 图 3 举例说明 在 稳定 切削过程中，切断刃的运动区域 。 这种 切屑 形成被归因于二个因 素 :剪切 过程 ，它是依赖球面端铣刀的几何学， 也就是 切 削的 区域 几何学 。 球面端铣刀的几何形状，决定了稳定切削区域的几何形状 ，在稳定的切削过程中有相对优势的决定效果。 剪切开始 于 当刃口开始 接 触 工作件。 如使 刀具 旋转 ,最初的变形区也适当地移动。切屑从刀具第一个倾斜面流到刀具的第二个倾斜面的过程中， 切屑 也就在形成了。 同时 ， 切屑 的中心 向上扩大 。 这一个过程是 连续，直到 切屑 的上面边的运动是 刀具的第二个 倾斜 面 时 。 然后 切屑 沉积 在第一个和第二个 倾斜面 之间 ,没有方法移动并且卷 曲 如图 2 A 所显示的面 ,造形第二个变形区。 在稳定的切 削过程中，槽是 切屑唯一向前移动的 路径。注意， 刀具 正在旋转 ,这一个 积屑 实际上被造形如一个锥形。 这就使它变成了 两次 -弯曲 的 锥形。 当被产生的 切屑 离开时，剪切被完成，而且当刀齿离 开工 件的时候， 切屑 卷曲也同时停止。 在切屑形成过程中 将 不 会有 切屑 - 工作件 相接触。 当 刀齿离开 工件的时候，一个 切屑 形成 过程 完成。 另外的一个 刀 齿将会依次与工作件一起 接触 ，而且 切屑 形成再一次开始。 在 HSM 中 是广为人知的 ， 很多的切 削 热进入 切屑 之内被转移。 在 切屑 面积中的温度 , 尤其在 切屑 的较低边中 , 将会非常高。 正常地 T2 是比 T1 高 , 所以热应力将会产生导致 切屑 弄卷到一个较小的半径。 (如 图 4) 切屑 将会像一个热的双金属的弹簧 , 虽然 切屑 较低部分和 刀具 面之间很少磨擦。 当 T2 比 T1 高许多 的时候 ,nts切屑 将会向曲率的中心卷。 通过 切屑 颜色的分析查证 , 切屑 热 比较低的部分颜色总是很比较黑暗 比 上面的 面 , 意谓 被 氧化的范围以由一个较高的温度所引起。 在 切屑 和 倾斜面 面之间的磨擦是无关重要的。 从 EDX 分析图解 (图 5) ，没有涂料 (TiA1N) 和接合料 (钴 ) 的机械要素被发现 ,这证明没有刀具材料转移到切屑之中。 占优势的 刀具 磨耗机械装置被发现是第一流侧面磨 损 (图 6) 。最大的磨 损 总是以最高的切 削 速度刃口部分发生。 这也说明了在倾斜面上的磨损上微小的。 在稳定的切屑过程中， 切屑 的产生像 在第一个 和第二个倾斜面面 之间交互作用的结果。 如早先所说的 , 切屑 在高的割削速率下面的分割正常地被归因于 断热的剪 现象 ,通常在连续 加工时 像 旋转 或钻 孔 3-8 中被发现。 但 是 它在 球面端铣 是 可疑的。 “ adiabatic shear” 有一些 重 要事物发生。 应该也有 材料。 将会有 缺陷 ，而且 应变 在 切屑 的表面中发现。 从图 1 A ，没有如此的现象被观察。 如此 得出 一般结论 :”adiabatic shear”不是端铣的 切屑 分割 所造成； 切屑 借着 旋转刃口 使其发生 。 在球 面端铣 的 切屑 形成 过程 中 ,在特定 的切 削条件 之下也存在一个 分 割 现象。 理由被发现是 本身 振动而不是断热的剪切。 这导致型 2 切屑 形成。 4.2. 型 11 切屑 形成 图 7 A 表 示 一个 从振动获得的 典型 切屑 。叫做一个不稳定的 切屑 或元素的 切屑 。它通 常 起因于从 刀具 尖端开始的周期破裂。 有时它是在工作材料中发生的断热剪的结果。 在这一项研究中， 原因 发现是 被刺激的 自己 振动 ，叫做型 振动 。 因为一个型 2 切屑 是有特色的， 振动 作记号。 (如 图 7 B 的圈 )在实验中，当那出现不同寻常的时候 ,这将产生 一个不平顺表面粗度 ， 而且 加 工面将会有被不光 (迟钝的 ) 。 切屑 是一个以几何学相当好 ，符合 削减分割如图 8 所示。 在图 7 B 中显示的 振动形 状 标志也是符合 切屑 的形 成 。刃口接触面积在图 8 中显示 ,通过 它清楚地 看 见到一个 切屑 的形成 切屑 接触面积是非常小的 ， 稳定切断与那相较的地方 ， 面积被显示阴暗的。 shadedarea 是被 分开。 每个阴暗的面积代表一个元素的 切屑 。 这种 稳定 切屑 形成 机理 的 差异来自 significandy 。当 振动 完全发 生 时候 , 刃口不再移动 ， 以 某种 方式在稳定的切 削 , 但是 在 振动中 ， 当它正在旋转的时候 ， 在一个 刀 齿接触的时候 ， 时期 CT, 在稳定的切断中 刃口没有 总是与工 件的接 触 , 但是当它离开一个元素的 切屑 时候 ，也就是 完全地离工件。 为了要离开另外的元素 切屑 ,nts它将会再一次恢复到工件表面并且重复 过程 。 如 图 9 表 示 的实线运动。 实线以代表切 削 场所 区域 ACB 交叉 ,意谓刃口将会跳跃离表面一阵子。 在被 观察一个齿接触的时期 ,复 合 式的 切屑 被生产 ,在稳定的切 削 中，一个 切屑 被生产。 产生 一个 比稳定的 切屑 的时候 ，对于刃口只需要经过一个非常小的角旋转，切 削过程 短许多。 这是一种 完全被发生的 振动 ,叫做型一 振动 。 振动 的方向是在 轴向， 以刃口联 接 刀具 为 中心。基于事实， 切屑 是同一的形 态， 并且按规定尺寸制作，而且 振动 也 均匀 地被生产 , 振动被期望是一常数振幅和时期。广为人知那一个 振动是一种任意的振动。 这里在于振动方向的持续变化。 这是对于 分段 切屑 形成的现象处理。 这种 切屑 形成再一次被发现不恰当的对断热的剪 切 。明显的刃口运动引起分割。 4.3. 型 111 切屑 形成 当型 2不稳定 切 削的时候，型 3 切屑 不完全地分割。 叫做决定性的 切屑 , 代表型 B 振动 。 图 10 A 的产生 切屑 是有波浪 形， 几乎对称 ,像 一个正弦波。 在 切屑形成的这 一 型 111中，只有一个 切屑 是在稳定的切断中同样地生产 ， 在一个单一切 削过程 中 ，刀 齿接触时期，它是不 像是 完全 ， 因为有一些楔。 振动 标志也不同于图 10 B 看来的型 2 切屑 的那些。 这种 切屑 形成对于 其 它的也被注意在 切 削 ,从型一 振动 和稳定的切断 分别 。 这些特性成为型 3 切屑 的形成因素 ,象征型 B 振动 。 型 3 切屑 组成或多或少连接了机械要素。 因此 ，它通常起因于智能迟滞的层高度一个周期变动 ,但是非常少 有 通往交互区剪 切屑 的变形。 随 同成形的 切屑 厚度 不同( 切断深度 )，斜角度和 间 隙角的循环变化。 加工过程中 刃口运动在切 削 的程序中 ，这样产生上述的 这些变化。 工 件 二类型的不安定性 ( 材料上升温暖气流不安定性和 adiabatic shear) 在部份的 切屑 形成方面依次不在这一个 切屑 的形成方面扮演重要角色。在 球面端铣过程中 ,由于流动 的高速，相当多的热能发 散 ，而且由于低的热 变形 ，沿着滑动摩擦 (破裂 ) 表面造成热的软化处理和相当多的表 面质量 。 有趣 是 发现在 切屑 的这二个类型之间 ， 振动 在表面 精度 上被留下的标志建议 型 B 振动 不比 型 C 严格。 图 11 和 12 提供 型 B 振动 图解式的示范。在图 11 中，实线为 以刀具运动的场所不交叉 稳定的切 削 , 意谓 刀具 总是 接触在 - 削 削 的 区域 。在型 B 振动 中，刃口发生了 关于型一的一个相似的模型 振动 ，而且它通常在一个 具 有 决定性的 切断的深度发生 , 超过 这一 振动 将会完全地发生，而且一个型 2 切屑 将会被生产。 在这个切 削 的深度， 表示 刃口 强烈趋向，但是 振动 不完全地发生。 当 刀具 旋转的时候，刃口也 在 振动。振幅是比那更小 的 一个 振动 。见图 12 的实线 ， 不以 ACB 曲线交叉 , 意谓 刀具 不完全地离工 件 ,这是 切屑 为什么不完全地分开 的理由 。 4.4.型 4 切 削形成 nts 在图 13 A 中被显示的 切屑 在加一个远的切 削 深度 ， 超过 被获得 最大的稳定切 削深度。 它被 定义为一个严格的 切屑 过程 。 形 状 像稳定的已经被水平地扩大的 切屑 。这 意谓没有 切屑 卷曲程序。在这里明显的压缩标志在 切屑 表面上被观察 , 来自刃口 (图 14) 的运动。 因为高 切屑 负载和有限制的旋 转轴向 力 , 刃口在低的振动和小的振幅。 切屑 被远离工件 ,在非常小剪切的地方 ， 如此 切屑 变成平 面状 。 在这一个 切屑 形成程序中，只有一个 切屑 被生产在一个单一 刀 齿接触 时期。 切屑接触面积是相同的 ，如稳定的切断 , 如 图 15 中 所 显示 . 振动 标志 宽许多 比 键入一个 振动 。 他们也是比型 B 更明显。 振动 标志被 刀具 侧面 接触 ,磨 擦形成 切屑 表面。 这定义为型 C 振动 。 4.5. 切 削条件的效果 切 削 的深度在程序安全性方面一个占优势的效果 , 如 Tlusty和 Ismail 9 计划 , 而且决定这一项研究的 切屑 形成。 在这 里对于一个特定的 刀具 - 工件的结合存在一个 安全性圆形突出部 。 在 机械加工 期间 ， 变更速度，或发现一个最适宜的速度是避免 振动 的最常 用的方法 ,这也在目前被查证实验。 各种不同的方法已经被许多研究员计划 。 在变更旋 转轴向 速度的一些例 子 和补给率中可以增加最大的切 削 深度 。 以一个特定的旋 转轴向速度，通常发现，一 个 比较大切 削 深度被加一个较高的补给率获得。 结果， 切屑形成是 从 改良的和那需要稳定的 切屑 被获得。 为了要充分利用高速铣 ,切 削 的策略一定 要 最佳化。 在这一个实验中， 刀具 保持对工件的垂直 ,如此 ， 最大的 切 削速率不被达 到 , 而且使用下铣或 上 铣 没有差别 。 如此 ， 型 三的铣是 强烈地建议 , 也就是 刀具 在一个特定的 速度 倾斜到工件。在刃口，最大的速度被达成， 而且正常向下的铣可能 产生 比较好的表面精度和比较长的 刀具 寿命。 4.6.通过切屑颜色判断切屑温度 为了要说明在机械加工期间发生的现象，在切屑形成区中 温度 是决定性的。 既然在形成区中测量温度是不可能的， 只有通过 切屑 被发生的在区附近的区域温度 测量 。在铣中 情形是更复杂的 ,因为当在补给方向中移动的时候， 刀具 正在旋转 , 因此在这由检查切屑的颜色预测 温度。 某一 类型的 切屑 颜色在实验中被发现 ， 他们在表 1 中被显示。 Venkatesh发现 切屑 温度和在表 2 中被显示的彩色图比较 ,从一般调查 ，在实验中遇到 最高的 温度是大约 10000 C 。 对于不同的 切屑 颜色，切断的温度是不同的。nts清楚的切 削过程 安全性也或多或少指示温度。 对于淡褐色彩色 切屑 ，缺乏颜色是由于在 切屑 和避免氧化的 刀具 之间 紧秘 接触。 在研究中被发现以愈比较高 的切 削速率和补给率 , 切屑的颜 比较黑暗 , 这意谓氧化铅 含量 比 较 高的范围 。 温度单调地以 切 削速率和切 削 的增大深度上升。 结果 如 表 3 和 4 中被显示。这否认 Salomons 的出名判断 ： 高速球面端铣 切 削 的温度将会 在 特定上面的一个割削速率减少的 。 这建议，最适宜的 切 削速率不是最高的可能速度 ，因为高的温度也将会增加 ,如此 影响 表面 精度 和质地 。 不同的 切屑 颜色发生在全速度被用的范围。 对于一个特定类型的 切屑 形 状 ,没有一种特别的 切屑 颜色 , 意谓这种 切屑 形可能在不同的温度之下被发生。 举例来说，一个完全类型的 切屑 在褐色，蓝的和绿色的颜色中被发现。 如此在这里一个结论可能 是不可能的 ，它是切 削过程 动力学和决定 切屑 形成的材料所决定 。 4.7. 一个判断振动的方法 从上面所做的分析 ， 我们能推断出，从 切屑 的分析是判断 切削稳定性 的一个
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