多种刀具高速脆性切削纯铁切削性能研究.pdf

齐鲁工业大学学报第 卷 第 期 年 月出版 .:./.【机电与信息工程】多种刀具高速脆性切削纯铁切削性能研究刘永龙苏国胜赵 猛刘 义齐鲁工业大学(山东省科学院)机械工程学部山东 济南 摘要:在工件材料塑性应力波波速阶段脆性切削工件可以避免材料因软黏性大而产生的难断屑、应变硬化、黏刀等问题 选用硬质合金刀具、陶瓷刀具和立方氮化硼()刀具高速(线速度高达 /)脆性切削纯铁观察各类刀具切削后刀具的磨损情况、切削力和已加工表面质量 结果表明:种刀具中硬质合金刀具磨损最为严重其次是 刀具陶瓷刀具磨损最小 硬质合金刀具后刀面发生剧烈的磨粒磨损 前刀面出现月牙洼磨损在月牙洼内充满高温熔化物和脆性断裂碎片陶瓷刀具无明显磨损特征但前、后刀面上有大量的工件黏附 相比于硬质合金和 刀具陶瓷刀具加工的加工表面缺陷较少有极少的侧向流动粗糙度和硬化层最小是高速切削纯铁比较理想的刀具材料关键词:多种刀具纯铁高速切削刀具磨损切削力表面质量中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.()(/).:收稿日期:网络出版时间:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:刘永龙硕士生研究方向:刀垫材料刚度对抗冲击破损行为的影响通信作者:苏国胜博士、教授研究方向:高速/高效切削加工.齐鲁工业大学学报 年第 期纯铁塑性大、强度低、韧性强在切削加工时容易出现切屑长而不断、刀具黏结影响加工效率和加工表面质量是一种难加工材料朱金鹏等用 涂层硬质合金刀片在进给量为./、切削深度为.进行纯铁车削实验研究切削速度的变化对表面粗糙度的影响 结果表明在切削速度为 /时表面粗糙度很大这是由于工件表面材料主要受刀具的挤压作用使得纯铁材料极易黏结在刀具表面形成积屑瘤导致的从 /到 /时表面粗糙度持续减小这是由于切削速度的提高提高了切削温度纯铁材料发生了明显的热软化效应积屑瘤减小导致表面粗糙度降低 从 /到 /时表面粗糙度又持续增大这是由于切屑与刀具间摩擦加剧导致刀具前刀面温度大幅度升高使工件表面发生严重的塑性变形和侧向流动增大了表面粗糙度值孔金星等用刀具主偏角为 刀具前角为 刃倾角为 的硬质合金刀具在切削参数为切削速度/和 /进给量./切削深度.时对纯铁进行切削 结果表明随着切削时间的增加切削速度为 /时刀具后刀面相对磨损缓慢同时加工表面粗糙度平缓增大 而切削速度为 /时随着切削时间的增加刀具后刀面剧烈磨损同时工件表面粗糙度急剧增加表面形貌严重恶化 同时采用无磨损刀具、后刀面的平均磨损量 为.和.的刀具在 冷却润滑条件下对纯铁材料进行切削 发现无磨损刀具的刃口较为锋利在刀具与纯铁工件接触点前方产生严重的“塑性凸出”效应工件表面呈现较大的残余拉应力在材料塑性应力波波速阶段切削工件可以避免材料因塑性大而产生的难断屑、应变硬化、黏刀等问题 采用以铣代车的方式在纯铁材料塑性应力波波速阶段切削纯铁观察硬质合金、陶瓷 种材料刀具切削纯铁的刀具磨损和已加工表面质量为纯铁高速脆性切削刀具优选提供参考高速切削实验.刀具选择为实现在 /速度下脆性切削纯铁选择图 所示硬质合金(型号)、(型号)和陶瓷(型号)种刀具 种刀具几何参数有所不同其中硬质合金刀具切削刃为锋刃并有一定的前角 而 和陶瓷刀具切削刃为负倒棱前、后角均为 刀杆为 型复合压紧式刀杆注:()硬质合金刀具()刀具()陶瓷刀具图 种刀具几何形状.实验方案本实验设置采用以铣代车的方式使切削速度达到 /工件为厚.直径 的纯铁圆盘 通过螺栓将其固定在刀柄上并安装在大宇 型数控加工中心的主轴上 刀具通过刀杆固定在台钳上为对比 种刀具脆性切削纯铁的效果设置了不同切削长度从而选出切削长度大且刀具磨损小的刀具每种刀具在切削固定长度后将更换新的刀具进行后续切削 切削参数见表 表 切削参数设置切削速度/()未切削切屑厚度/切削长度/切削宽度/.年第 期刘永龙等:多种刀具高速脆性切削纯铁切削性能研究实验结果及分析.切屑形态切屑的形态随着切削速度的变化而变化图 是切削速度从 /到 /时切屑形态的变化切削速度为 /时发现切屑为完整的一条带状切屑(图 ()当切削速度为 /时切屑和切削速度为 /的切屑相似仍然为带状切屑(图 ()切削速度为 /带状切屑明显变细切屑卷曲也更加紊乱(图 ()当切削速度为 /时丝状切屑和细窄的带状切屑大量出现并团聚在一起(图 ()随着切削速度的进一步提高切削速度达到 /时切屑形态为粉末状切屑(图 ()注:()切削速度 /()切削速度为 /()切削速度 /()切削速度 /()切削速度 /图 不同切削速度下切屑的形态图时的切屑对图()中切屑进一步放大如图 图()()显示图()中的颗粒切屑是尺寸为 的微小片状切屑碎屑或切屑熔融小球 熔融球是切削过程中切屑被切削热(主要是刀屑摩擦热)加热飞出时与氧气接触熔化形成的 图()中的片状切屑有脆性边界说明片状切屑是由脆性断裂形成的 片状切屑的颜色为银亮色说明切屑是在较低温度下形成的没有被高温氧化注:()熔融切屑与脆性断裂切屑图()为()中切屑大框的局部放大图()为()中切屑小框的局部放大图()脆性断裂的切屑图 切削速度 /时的切屑形态图.切削力为了对比 种刀具在 /速度下脆性切削纯铁的性能使用测力仪对刀具切削力进行了测量图 为 种刀具在 /速度时切削纯铁时的主切削力其中细实线为采集的原始数据 为便于观察切削力的变化对数据进行了每 个数据取 个平均值的处理结果为对应颜色的粗实线总体来看陶瓷刀具的切削力最大 刀具次之硬质合金刀具切削力最小 在前.内为切削力快速提升的阶段可以看到 刀具切削力增加最快但最大值较小 并且在.附近出现了先小幅下降再增大的现象这可能是刀具磨损造成的 硬质合金在该阶段增加趋势与陶瓷刀具基本一致但最大值要小于陶瓷刀具 硬质合金、和陶瓷刀具的最大切削力分别为.、.和.硬质合金刀具切削力在.之间迅速降低这应该是刀具严重磨损造成的 随后切削力出现大幅度的波动甚至出现了负值波动范围在 之间 此时刀具后刀面出现大面积的磨损后刀面与工件表齐鲁工业大学学报 年第 期面大面积接触并发生摩擦、挤压造成切削力大幅波动 和陶瓷刀具在达到最大切削力后切削力缓慢下降并且切削力波动幅度较小说明刀具磨损没有硬质合金刀具这么大 切削力波动幅度大小能够在一定程度上反应刀具的磨损程度从波动幅度来看硬质合金磨损最大 次之陶瓷刀具磨损最小图 切削速度为 /时 种刀具的切削力.刀具磨损由于刀具磨损程度不同在实验中根据磨损程度进行了分段切削表 为 种刀具分段切削长度表 种刀具最终切削长度刀具类型切削长度/硬质合金刀具 刀具陶瓷刀具.使用超景深显微镜对刀具磨损情况进行观察 图 为 种刀具切削.后刀面的磨损情况 整体来看硬质合金刀具磨损最严重前刀面(图()出现明显的缺口后刀面(图()磨粒磨损严重磨损宽度超过后刀面宽度的/刀具的磨损要明显好于硬质合金刀具前刀面(图()负倒棱处出现了明显的月牙洼磨损月牙洼窄而深 后刀面(图()也出现了较为明显的磨损 陶瓷刀具表现最优前、后刀面(图()均没有发现明显磨损随后使用新的 和陶瓷刀具进行切削长度为.的切削实验磨损情况如图 所示 图()为 刀具前刀面可以清楚的看到发生了月牙洼磨损月牙洼较深宽度较窄且均匀 后刀面(图()出现了较为严重的磨粒磨损 图()为陶瓷刀具前刀面没有发现磨损后刀面(图()则出现了轻微的磨粒磨损注:()硬质合金刀具前刀面()刀具前刀面()陶瓷刀具前刀面()()()为对应后刀面图 种刀具切削.后刀具前后刀面磨损图 年第 期刘永龙等:多种刀具高速脆性切削纯铁切削性能研究注:()刀具前刀面()陶瓷刀具前刀面()()为对应后刀面图 切削.后刀具前后刀面磨损图从图 可以看出陶瓷刀具的表现明显更优因此对陶瓷刀具进行了更长距离的切削实验观察陶瓷刀具的耐磨情况 图 展示了陶瓷刀具分别切削.和.时的前、后刀面磨损情况 从图()可以看出前刀面基本没有发生磨损在切削刃处存在少量黏附的工件材料 图()则表明随切削长度的增加后刀面的磨损宽度有所增加磨损程度也进一步增加注:()切削.前刀面()切削.前刀面()()为对应后刀面图 陶瓷刀具分别切削.和.后刀具前后刀面磨损图对 种刀具切削不同长度后的后刀面磨损宽度进行了测量结果如图 所示 在相同切削长度下硬质合金刀具表现最差 刀具次之陶瓷刀具最好 硬质合金刀具后刀面磨损宽度最大最大值为.因此该刀具不适合纯铁的高速脆性加工 刀具磨损宽度由.时的.增加到.时的.而陶瓷刀具由.时的.增加到.时的.从切削长度来看刀具后刀面磨损宽度随切削长度的增加而增大图 /速度下切削不同长度后刀面磨损宽度齐鲁工业大学学报 年第 期通过 进一步观察 种刀具的磨损情况并对其进行分析 图 展示了硬质合金刀具切削.时前、后刀面磨损情况 图()显示硬质合金刀具原有的切削刃已经消失 在前刀面边缘处(图()存在一些黏附的工件材料进一步放大后图()显示材料是层叠堆积在前刀面上 图()显示后刀面磨损十分严重磨损区有大量的工件材料黏附说明后刀面发生了明显的黏结磨损 在后刀面边缘(图()也黏附一些材料并在磨损区出现了少量划痕(图()注:()()为前刀面()()为后刀面图 硬质合金刀具切削.时刀面的磨损图图 是 刀具切削.时前、后刀面的磨损情况 图()显示前刀面出现了月牙洼磨损这是由于切屑从前刀面滑出时与前刀面发生摩擦引起的 从图()中可以看到磨损区存在明显的纵向划痕 且在靠近切削刃处磨损较深形成一个横向的沟槽在远离切削刃的地方磨损较浅 在磨损区靠近切削刃的地方(图()存在大量表面光滑的附着物附着物形态各异表面较为圆润像是高温熔化后形成的 在沟槽底部(图()能够看到一些薄片状的材料像是脆性断裂形成的切屑 通过进一步放大图()显示薄片表面平整边界锋利没有发生变形 说明材料发生了脆性断裂一部分脆性断裂形成的切屑被存储在磨损的沟槽中 后刀面(图()磨损情况明显好于硬质合金刀具 放大后(图()发现后刀面存在一些类似图()所示的附着物大量的材料附着在后刀面上使刀具发生了黏结磨损导致刀具磨损加剧 并且在左侧区域发现了如图()所示的工件黏结黏结后的表面较为平整 在工件黏结处还有一道微裂纹穿过而在图()左侧则存在大量纵向划痕注:()()()()为前刀面()()为后刀面图 刀具切削.时刀面的磨损图 年第 期刘永龙等:多种刀具高速脆性切削纯铁切削性能研究图 展示了陶瓷刀具切削.时前、后刀面磨损情况 图()显示前刀面没有明显的磨损在距离切削刃约 处存在一些纵向划痕和一些小月牙洼说明在前刀面发生了磨粒磨损 同时还存在一些纵向的微裂纹裂纹中间宽两头窄 说明裂纹开始于磨损较为严重的中间区域然后向切削刃扩展 由图()可以看到裂纹终止于距离切削刃约 处 图()显示后刀面也出现了轻微的磨损 在图()所示区域还出现了大块的工件材料黏结在后刀面上 黏结材料表面平整并有大量纵横交错的龟裂纹 在后刀面(图()也发现了类似前刀面的微裂纹但裂纹长度明显短于前刀面的且数量较少 同样裂纹也终止于距离切削刃约 处注:()()为前刀面()()为后刀面图 陶瓷刀具切削.时刀面的磨损图.加工表面质量.加工表面形貌通过电火花线切割机从圆盘上切割下一小块在超景深显微镜下观察加工表面形貌 图 为不同刀具切削纯铁后的已加工表面形貌 根据表 和图 硬质合金刀具在切削.后磨损十分严重因此没有进行更长距离的切削实验 图()为切削.后的加工表面 为了方便对比不同刀具对加工表面质量的影响 和陶瓷刀具的加工表面为切削.后获取的 图()可以看出加工表面质量很差在左侧边缘加工表面呈弧形(图()在中间和右侧出现了两条暗纹加工表面波动较大 图()显示 刀具的加工表面明显好于硬质合金刀具表面竖条纹均匀表面没有发现明显波动平整度较好从图()可以看出 刀具的加工表面也存在一些缺陷在左侧出现一条断续的条纹在右侧也出现一条暗纹 暗纹显示此处有一条较深的沟槽这是后刀面(图()磨损较为严重导致的 图()所示加工表面与图()相似没有发现明显的缺陷 将放大倍率进一步调大后发现在图()左右两侧也存在一条暗带但相对于图()来说相对较轻注:()()硬质合金具切削.()()刀具切削.()()陶瓷刀具切削.图 加工表面形貌图齐鲁工业大学学报 年第 期通过 对加工表面进一步观察 图 是硬质合金刀具加工后的工件表面图()显示在工件边缘存在明显的劣化 图()中存在一个大的沟槽部分沟槽被侧向挤压的工件材料盖住 在中间部分有一块深色的熔化后的材料黏附在加工表面这是高温熔化的工件材料被氧化后形成的 在图片右侧存在一些划痕 将其进一步放大可以看到表面存在一些微孔洞(图()孔洞没有明显被拉长的痕迹注:()加工工件表面形貌()为()的局部放大图()为()的局部放大图图 硬质合金刀具加工后的工件表面图图 为 刀具加工后的工件表面 图()显示加工表面较为平整没有看到明显的缺陷 将其放大后发现仅有一些纵向划痕(图()进一步放大能够看到一些小的沟槽和侧向流动(图()注:()加工工件表面()为()的局部放大图()为()的局部放大图图 刀具加工后的工件表面图图 展示了陶瓷刀具加工后的工件表面 图()显示加工后的表面质量较高 但在右侧存在一些缺陷经放大后发现存在大量的孔洞孔洞没有被拉长或变形(图()进一步放大后图()中所示孔洞中存在一个小的凹坑 可以看到凹坑底部和四周是光滑的晶粒表面没有发生变形 说明此时加工表面变形深度较浅 可以看到陶瓷刀具加工后的表面于 刀具相比没有较大的塑性变形 划痕侧向流动很小孔洞的边缘也没有韧性撕裂的痕迹 说明陶瓷刀具在 /时脆性加工纯铁的性能要好于 和硬质合金刀具注:()加工工件表面()为()的局部放大图()为()的局部放大图图 陶瓷刀具加工后的工件表面图.粗糙度使用白光干涉仪对加工表面粗糙度进行测量 每个工件选 个区域进行测量并取平均值结果如图 所示 总体来看硬质合金刀具切削.的加工表面最差选取的 个区域粗糙度 值均大于 切削.的加工表面要好于硬质合金的其粗糙度 在.之间 陶瓷刀具表现最优与 切削相同距离的情况下粗糙度低至.硬质合金、和陶瓷刀具的已加工表面粗糙度平均值分别为.、.和.年第 期刘永龙等:多种刀具高速脆性切削纯铁切削性能研究注:硬质合金切削.和陶瓷刀具切削.图 不同刀具加工表面粗糙度.加工硬化在金属切削过程中刀具后刀面和加工表面接触的第三变形区刀尖半径和后刀面会对加工表面产生挤压和摩擦 对于纯铁这种塑性较好的材料刀具的挤压会使加工表面的材料被拉长压扁 摩擦也会使材料温度更高材料软化塑性进一步提高 同样摩擦还会使加工表面出现细小的沟槽挤压和高温软化会使材料发生侧向流动变形 纯铁材料的这种变形会使加工表面发生加工硬化表现为表层硬度明显增加采用显微硬度仪测量 种刀具加工的工件表层显微硬度结果如图 所示 整体来看硬质合金和 刀具加工后的表面硬度较高陶瓷刀具加工后的表面较低 硬度沿加工表面深度方向逐渐降低在 的深度时 个工件硬度都接近基体硬度值 图 工件表层显微硬度图 为不同刀具的加工表面硬化层深度 硬质合金刀具加工表面的硬化层深度为 要小于 刀具的 这可能是硬质合金刀具加工后的表面边缘是曲面硬化深度是从表面边缘开始计算使得结果要小于从加工表面中间高度计算的结果 陶瓷刀具加工后的表面硬化层深度为 是 种刀具中最小的 同时陶瓷刀具还有更好的耐磨性更高的加工表面质量 因此陶瓷刀具更加适合纯铁的脆性切削图 不同刀具加工后的表面硬化层深度齐鲁工业大学学报 年第 期结论本文选择硬质合金、陶瓷 种材料刀具在 /速度下对纯铁进行了高速脆性切削实验通过分析刀具磨损、已加工表面质量和切削力等要素评价 种刀具的切削性能为高速脆性切削纯铁刀具优选提供参考 结论如下:()切削线速度为 /时切削实现了纯铁的脆性切削切屑形态为脆性断裂形成的碎屑其尺寸范围为 ()在 /速度下切削纯铁陶瓷刀具耐磨损性能最好 即使在切削 长度的情况下前刀面也没有出现明显磨损后刀面出现了轻微磨粒磨损 刀具后刀面磨粒磨损明显且前刀面出现了月牙洼磨损 硬质合金刀具表现最差前后刀面磨粒磨损十分严重()工件已加工表面质量与刀具磨损表现基本一致 陶瓷刀具的加工表面光洁度高粗糙度小 从表层显微硬度结果来看陶瓷刀具的加工表面的加工硬化程度较轻硬化层深度较浅()陶瓷刀具切削力大于硬质合金和 刀具且切削力波动幅度小加工过程更平稳有利于精加工的实现参考文献:.():.():.(/):.朱金鹏杨吟飞孔金星.纯铁材料精密切削过程切削力及表面粗糙度研究.制造技术与机床():.():.(/):.():.孔金星胡锟李亮等.纯铁车削刀具磨损对表面完整性的影响.华南理工大学学报():.刘维伟李晓燕万旭生等.高速车削参数对加工表面完整性影响研究.机械科学与技术():.:.:():.:.陶恒苏国胜冯利民等.纯铁车削中不同材质刀具磨损的实验研究.齐鲁工业大学学报():.:.():.:.():.年第 期刘永龙等:多种刀具高速脆性切削纯铁切削性能研究 刘波孔金星.切削参数对纯铁车削表面粗糙度的影响.机床与液压():.():.:.:.().():.():.:.():.:.:.(/):.(责任编辑:孙洪清校 对:赵立爱)