PCD刀具超声振动车削SiC_p_Al复合材料时的切削力特性研究

1、22工具技术PCD刀具超声振动车削SiCp/Al复合材料时的切削力特性研究焦锋赵波刘传绍徐可伟焦作工学院摘要:用PCD刀具对SiCp/Al复合材料进行了超声振动车削与普通车削的对比试验,探讨了切削速度、进给量和切深三种切削参数在两种切削状态下对切削力的影响规律,得出了超声振动车削SiCp/Al复合材料的主切削力经验公式。关键词:超声振动车削,SiCp/Al复合材料,PCD刀具,StudyonCuttingForceof/ChuanshaoetalinwhichSiCp/Alcompositesaremachinedbycommonturningandultrasonicvi2brationwi

2、thPCDcutters,theinfluenceofthreekindsofcuttingparameterssuchascuttingvelocity,amountoffeedandcuttingdepthonthecuttingforceinthetwokindsofturningprocessisdiscussed.TheempiricalformulaofmaincuttingforceinultrasonicvibrationturningSiCp/AlcompositeswithPCDcuttersispresented.Keywords:ultrasonicvibrationt

3、urning,SiCp/Alcomposite,PCDcutter,cuttingforce1引言SiCp/Al复合材料是一种刚性颗粒增强型金属基复合材料,由于它具有比强度和比刚度高、线膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨耐热性好、可重熔性好、价格低廉等优点,因此被广泛应用于航天、航空和汽车工业。由于该材料中加入了高强度的硬脆SiC陶瓷颗粒,极大地提高了基体材料的力学性能1,同时具有复合材料宏观各向同性的特点。另一方面,正收稿日期:2002年2月是由于SiC增强颗粒的加入,使这种复合材料的机械加工性恶化,加工时刀具磨损剧烈,难以保证加工精度和加工表面质量。研究表明2,高速钢刀具和硬质合金刀具在切削S

4、iCp/Al复合材料时暴露出越来越多不足,因此不少学者致力于研究和开发适合加工SiCp/Al复合材料的新型刀具材料。多晶金刚石(PCD)是一种新型超硬刀具材料,PCD刀具由精选的人造金刚石微晶体在高温高压下烧结而成,由于在烧结过程中加入了添加剂,使金刚石晶体间形成了以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等为主要成分的结合桥,金刚石晶体以共价键形式牢固镶嵌于结(3):1281323GClauser,AValle.Laserweldingexplained.IndustrialDia2mondReview,1987(5):2072084李志远等.PDC复合片与硬质合金刀杆真空扩散焊的实片时,恒温保持时

5、间可选取为1620s。(3)钎焊强度随PCD复合片硬质合金基底和45钢刀杆钎焊表面粗糙度值的增加而增大。一般情况下,45钢刀杆焊接表面粗糙度可取Ra712m,硬质合金基底焊接表面粗糙度可取Ra0118001250m。(4)采用部分不等间隙钎焊接头设计可有效减验研究.华中理工大学学报,1995,23(1):145EBenz.Vacuumbrazingasaproductionmethod.IndustrialDi2amondReview,1991(5):2492506陈建民等.聚晶金刚石片的真空钎焊.焊接,1995(9):11137AndyDavies.Inductionbrazingfordi

6、amondtoolmakers.Indus2trialDiamondReview,1992(6):3253278于宏图.PCD刀具感应钎焊温控系统及焊接参数的研究.少气孔、夹渣等钎焊缺陷和焊接应力,提高钎焊质量。参考文献1张启运,庄鸿寿.钎焊手册.机械工业出版社,1999,3003132BexPA,ShaftoGR.TheinfluenceoftemperatureandheatingtimeonPCDperformance.IndustrialDiamondReview,1984大连理工大学硕士学位论文,1999,6278第一作者:王适,博士研究生,大连理工大学机械工程学院,116024,辽

7、宁省大连市编辑:汪莉© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2002年第36卷823合桥构成的坚固骨架中,使PCD的硬度和韧性大大提高。因此,PCD刀具既具有金刚石的高硬度,又具有强于单晶金刚石的高韧性,同时刀片基体还具有很高的抗弯强度。用PCD刀具车削加工金属基碳化硅颗粒增强复合材料是一种精密、高效的新型加工方法,已有许多学者对此进行过研究,但大都局限于利用PCD刀具进行普通切削加工3,4。近年来,应用超声振动切削方法加工难加工材料显示出加工精度高、质量

8、好的优点,其良好的加工性能引起人们的极大关注,超声振动加工正逐渐成为精密、加工的重要手段之一5,6。DSiCp/Al,对PCD,分析对比了切削速度、进给量和切深等切削参数对切削力的影响规律,试验和讨论结果对金属基复合材料的切削加工(尤其对薄壁类、细长轴零件的加工)具有一定指导意义。2切削试验条件(1)机床:CA6140普通车床;刀具:PCD焊接车3切削力与切削参数的单因素关系试验与分析3.1切削速度对切削力的影响(1)试验与测量为研究切削速度的变化对超声振动切削力的影响,在切削试验中,保持进给量f=08mm、切深ap=0.,n=min时超声振动Fc1。Fc与机床转速n的关系机床转速n(r/mi

9、n)振动切削力Fc(N)普通切削力Fc(N)6012.2733.99013.1633.2518016.9130.2730525.2533.26(2)结果与分析试验获得的切削速度与切削力的关系如图2所示。由图可见,普通切削时,随着机床转速增大,切削力变化不大。振动切削时,由于其脉冲切削效应,在一个振动周期T内只有tc时间进行切削,故平均切削力Fc为脉冲切削力峰值的tc/T,且随着切削速度增加,有效切削时间tc变长,平均切削力Fc也逐渐增大。当切削速度接近临界切削速度(即tc/T1)时,Fc=Fc(此时即为普通切削状态)。由图可见切削力随转速增大而逐渐增大的变化趋势:当转速为60r/min时,振动

10、切削的切削力只有普通切削时的1/3;随着转速增大,有效切削时间随之增加,当转速增大到180r/min时,振动切削的平均切削力增大到普通切削时的1/2左右;当转速接近临界转速时,振动切削即转化为普通切削。由此可知,试验结果与理论分析基本吻合。刀;工件材料:金属基复合材料SiCp/Al棒料,熔铸,重量百分含量12%,粒度W14,棒料直径<42mm,长度150mm。(2)振动装置:自制纵向振动装置(振幅15m,频率20kHz)。(3)切削力测量装置(见图1):测力系统采用北航SDC2CJ4A电阻应变式测力仪。该测力仪有多档可选量程,试验中选用的测量范围为0500N,测量精度为0.2N(可满足精

11、密测量的要求)。由于测力仪频响范围为03000Hz,虽可满足一般切削力测量的要求,但不能测出超声振动切削中频率高达20kHz的切削力脉冲波形,因此试验中实际测出的是切削力的平均值。图2切削速度与切削力的关系3.2进给量对切削力的影响图1切削力测量装置(1)试验与测量为研究进给量的变化对超声振动切削力的影响,在切削试验中,保持机床转速n=90r/min、切深© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 24工具技术ap=0.3mm不变,仅改变进给量f,分别测量进给

12、量f=0.08mm、0.12mm、0.20mm时超声振动切削和普上的切削负荷增大,刀具振幅减小,振动切削的脉冲切削效应减弱,使振动切削时的平均切削力增大。通切削的切削力Fc,试验结果见表2。表2切削力Fc与进给量f的关系进给量f(mm/r)振动切削力Fc(N)普通切削力Fc(N)0.0813.0035.370.1222.4045.980.2052.4065.874(2)结果与分析示。由图可见,的增大,导致切削力增大较快。由于振动切削时较大的进给量可能引起刀架的低频振动,因此本试验中选用的进给量较小,以保证加工精度和加工表面质量。:(与普通车削相比,超声振动车削的平均主切削力Fc明显减小。在较小

13、切削用量下,Fc的减小尤为显著。(2)在超声振动车削条件下,随着切削用量的加大,切削力稳定增加。超声振动车削的切削力切削速度特性与普通切削时因积屑瘤影响而表现出的切削力切削速度特性有明显区别。显微观察表明,在相应的的切削速度范围内,超声振动车削不会产生积屑瘤。(3)当切削速度v大于临界切削速度时,超声振动车削仍具有上述特点;当v增大到一定值后,切削力的增加趋于平缓。4振动切削时切削力与切削参数的多图3进给量与切削力的关系因素正交试验与分析(1)多因素正交试验方案对SiCp/Al金属基复合材料进行超声振动车削的切削力正交试验,通过回归正交分析,讨论切削力与各切削参数之间的关系,并选择最合适的振动

14、切削参数。转速、进给量和切深是车削过程中最重要且基本独立的三个参数,因此选择上述三个参数作为正交试验因素。采用L9(23)正交表作三因素、三水平的正交试验(不考虑交互作用),建立表4所示试验因素水平表。0.539.7264.503.3切削深度对切削力的影响(1)试验与测量为研究切削深度的变化对超声振动切削力的影响,在切削试验中,保持机床转速n=90r/min、进给量f=0.08mm/r不变,仅改变切深ap。分别测量切深ap=0.1mm、0.3mm、0.5mm时超声振动切削和普通切削的切削力Fc,试验结果见表3。表3切削力Fc与切深ap的关系切深ap(mm)振动切削力Fc(N)普通切削力Fc(N

15、)0.13.6015.300.314.8045.50表4试验因素水平表试验因素水平1转速(m/min)4.248.4812.72进给量(mm/r)0.080.100.15切深(mm)0.100.300.50(2)结果与分析试验获得的切削深度与切削力的关系如图4所示。由图可见,切削力对切削深度的变化相当敏感。当切深ap<0.3mm时,振动切削力仅为普通切削力的1/3;当切深达到0.5mm时,振动切削力和普通切削力逐渐接近,表明随着切深的增加,刀具单位面积水平2水平3(2)试验结果与分析根据表4所列切削条件,采用L9(23)正交表,可得表5所示切削力试验数据。© 1994-2010

16、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2002年第36卷825表5切削力试验数据试验序号123456789转速(m/min)4.244.244.248.488.488.4812.7212.7212.72进给量(mm/r)0.080.100.150.080.100.150.080.100.15切深(mm)0.100.300.500.300.500.100.500.10径向切削力主切削力(N)41181013024130131762310010118271476129(N)2.587.03

17、36.148.1430.003.1233.304.008.00轴等刚性较差零件时可获得满意的加工精度。(3)由切深ap的指数特点可知,要减小切削力,必须使ap<1mm,由此也可说明超声振动车削特别适合精密和超精密加工。参考文献1陈华辉.现代复合材料.,19992全燕鸣等.SiC.(3.(1):60644.PCD刀具加工SiC颗粒增强铝基复合材料的合理切削速度.材料工程,1999(1):1419对表5,B、检验参数tF为7b0B=b1b2bt0t=t1t2t5陈斌等.超声振动切削薄壁镜筒零件的研究.机械工程师,2001(1):40426徐可伟等.超声振动在精密切削中的应用.机械设计与制11

18、79=01140112112195=0145012961造工程,2001(3):63647虞鸿祉等.工业实验设计技术数理统计在工业技术中的应用.东南大学出版社,1990第一作者:焦锋,硕士,讲师,焦作工学院机械工程系,454000河南省焦作市编辑:胡红兵F=11.77瑞士纺机37%出口亚洲据瑞士公布的出口数据表明,2000年瑞士纺织业的出口额较上一年度上升了20%,但2001年上半年上升趋势出现停顿,下半年不升反降。尽管全球经济衰退依然对美国和欧洲市场有不小影响,但亚洲纺机市场却出现了增长趋势。从瑞士纺机生产商接受的定单来看,来自亚洲地区的定单在增加。2002年整体形势乐观。尽管2002年上半

19、年整体下降趋回归方程为F=10117901140112vfap1135=61169v0114f0112ap1135采用F检验法检验回归方程效果,因为F=11177>F0105(3,5)=5.41,所以该回归方程相当显著。回归方程中的各个自变量则采用t检验,因为t3>1,所以切深对于切削力是不可忽略因素。由回势不可避免,但据保守乐观的估计,下半年世界经济将会慢慢复苏。由于采用前瞻战略,瑞士纺机业始终能成功地战胜各种挑战,进一步扩展全球市场。虽然瑞士是内陆小国,但在很多领域都位于前列,纺机业也是如此。瑞士纺机业由于出色的产品质量和创新能力而被世界所承认,已在全球纺机业中占了33%的份额,在全球纺