刀具钝化对切削力及表面粗糙度的影响_贾秀杰

1、DOI：10.13196/j.cims.2011.07.88.jiaxj.004第17卷第7期2011年7月计算机集成制造系统ComputerIntegratedManufacturingSystemsVol.17No.7July2011文章编号:1006-5911(2011)07-1430-05刀具钝化对切削力及表面粗糙度的影响贾秀杰,李剑峰,孙 杰(山东大学机械工程学院,山东 济南 250061)摘 要:目前有关刀具钝化对切削力和加工零件表面粗糙度的影响的研究比较少。通过单因素法对比试验,分别测出在不同切削参数下刀具钝化引起的切削力及加工后零件表面粗糙度的变化。分析结果表明,随着切削速度的

2、增加,刀具钝化后的切削力增加了,FX和FZ方向增加比较明显;随着径向、轴向切深的增加,钝化刀具切削时的切削力增加了,FZ增加的最明显。随着切削速度、径向切深及轴向切深的增加,表面粗糙度都明显减小,加工工件的表面质量得以改善。关键词:刀具;钝化;切削力;表面粗糙度中图分类号:TH161 文献标志码:AInfluenceofcuttingtoolbladepassivationoncuttingforceandsurfaceroughnessJIAXiu-jie,LIJian-feng,SUNJie(SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,

3、Jinan250061,China)Abstract:Therewerefewresearchesabouttheinfluenceofcuttingtoolpassivationoncuttingforceandpartssurfaceroughnessbynow.Throughsinglefactorcomparativetest,changesofcuttingforceandpartssurfaceroughnesswhichbroughtbycuttingtoolpassivationunderdifferentcuttingforceparameterwastestedrespec

4、tively.Resultsshowedthatwiththeincreaseofcuttingspeed,thecuttingforcesincreasedaftercuttingtoolbladepassivation,forceincreasedobviouslyinFX,FZdirection;asradialandaxialcuttingdepthincreased,cuttingforcealsoincreasedwithFZforceincreaseddramatically.Thesurfaceroughnesswasobviouslyreducedwiththecutting

5、speed,thecuttingdepthofradialoraxialincreased,andthequalityofworkpiecessurfacewasimproved.Keywords:cuttingtools;passivation;cuttingforce;surfaceroughness0 引言在切削加工中,刀具被称为机床的/牙齿0。改进刀具对降低切削成本比其他任何单一过程的改变都更具有潜力。合理地选择和应用现代切削刀具是降低生产成本的关键。据统计,刀具费用占制造成本的214%4%,却直接影响占制造成本20%的机床费用和38%的人工费用。在有色金属(特别是钛合金、铝合金)的加

6、工中,普遍采用硬质合金刀具(涂层),刀具的钝化对切削性能的影响至关重要。艺方法受到严格保护,文献资料较少。经过普通砂轮或金刚石砂轮刃磨后的刀具刃口存在程度不同的微观缺口,尺寸一般在0101mm0105mm,严重时高达011mm以上1。以下几种情况下需要对刀具进行钝化:¹刃磨后的刀具均需钝化。º在重负载及冲击性载荷条件下,需要对刀具刃口进行强化。刀具刃口钝化后一般可有效延长刀具寿命20%以上,甚至达到2倍以上,大大降低刀具成本,给用户带来巨大的经济效益。»涂层的需要。化学气相沉积(ChemicalVa-porDeposition,CVD)涂层刀具或刀片在涂层前,几乎

7、毫无例外地对刀具刃口进行钝化处理,才能保证涂层的牢固性和使用寿命。1 刀具刃口钝化技术的国内外研究现状刀具刃口钝化技术涉及企业的核心机密,其工收稿日期:2010-06-23;修订日期:2010-11-24。Received23June2010;accepted24Nov.2010.(;supfenseBasicResearchProjects,China(No.2007-06-107),andtheNationalHigh-Tech.R&DProgram,China(No.2009AA044303).第7期贾秀杰等:刀具钝化对切削力及表面粗糙度的影响1431桂育鹏研发了小型可转位刀片钝

8、化机,用于刀片刃口钝化,使刀具寿命提高47%,同时表面粗糙度稳定提高一级2;陈德洪等分析了刀具刃口钝化对硬质合金螺纹刀具的影响,研发了振动钝化的工艺方法3,采用振动钝化的方法提高硬质合金螺纹刀片耐用度,加工合格率高于其他刃口倒圆半径的刀片,且切削过程稳定。精加工使用绞刀,当刀具刃口未经钝化时,其加工内孔表面有时达不到图样要求,经过良好钝化处理后,其表面粗糙度可稳定达到116Lm018Lm,同时刀具寿命可提高1倍左右。文献1采用有限元仿真方法研究了刀具刃口半径对切削力、切削温度等因素的影响;文献4采用有限元仿真和试验相结合的方法分析了刀具刃口钝化半径对涂层刀具寿命的影响;文献5分析了刀具刃口钝化

9、对铝合金加工的影响;文献6分析了刀具刃口半径对高速钢铣刀片抗磨损性能的影响。通过试验方法分析刀具钝化对难加工材料影响的研究相对较少,本文采用单因素实验法,研究不同加工参数下刀具刃口钝化对加工钛合金切削力、加工后的表面粗糙度的影响规律。2向压电式动态测力仪、Kistlter5007三通道电荷放大器、AZ208R八通道数据采集卡、便携式粗糙度测量仪、DELL笔记本计算机、振动及动态信号采集分析处理系统CRASS一套(南京安正软件有限公司)。铣削力测试原理如图1所示。212 实验条件及方案铣削方式为顺铣;冷却方式为干切削;铣削方案的铣削参数如表2表4所示,钝化与非钝化刀具均采用此组参数。3 切削力实

10、验结果分析采用Kistler9257A三向压电式动态测力仪测量切削力,测量结果如表2和表3所示。表2 钝化刀具单因素实验切削力序号12345678切削速度/(m/min)/转速/(r/min)30/47850/79670/111590/1433110/1752130/20700102/501960103/7614440/6370104/1011920105/1271400106/1521880107/1781363540/637100017791111071001137每齿进给量/mm/进给速度/(mm/min)切深切宽/mm/mm2 钛合金铣削单因素对比实验本章在稳态切削条件下,对比钝化刀具

11、与非钝化刀具在相同切削参数下切削加工生成的切削力与表面粗糙度,研究刀具刃口钝化对此两者的影响规律。211 实验设备及材料(1)机床参数 DAEWOOACE-V500立式加工中心,主轴最高转速为16000r/min,机床功率为11kW,最大进给速度为12m/min(空行程)。(2)工件材料 Ti-6Al-4V钛合金,尺寸为100mm85mm20mm的矩形块,材料的主要化学成分如表1所示。表1 Ti-6Al-4V化学成分TiAlVFeOCNFx/NFy/NFz/N72167116100821335412479160461705819083170701005010053100751006810072

12、1707417046130511007010037100581306510045100681305617053130881007710051100821307610066130111100801676613011413081100341706310047100371708010057130421006010055100501004110054130381003113048170%H91011121314151617基体5156175315415<0125<012<0108<0105<0101(3)刀具参数 采用钝化与非钝化两把刀具,刀具为整体硬质合金四齿立铣刀,规

13、格为203060R4。钛合金加工钝化刀具刃口钝化值为0101mm0102mm之间最合适,本文选取钝化值为01(4)测量仪器 实验设备包括:Kistler9257A1432计算机集成制造系统续表2第17卷192021222324013015017019111113241703417047100341704717057167401306117063170511207010057100521008216774100611701101708810040/6371007表3 未钝化刀具单因素实验切削力序号1245678910111213141516171819202122232440/637100013

14、015017019111113740/63710001740/637切削速度/(m/min)/转速/(r/min)30/47850/79670/111590/1433110/1752130/20700102/501960103/761440104/1011920105/1271400106/1521880107/1781363579111311071001137每齿进给量/mm/进给速度/(mm/min)切深切宽/mm/mmFx/NFy/NFz/N61190921603619051187831943619336141571493618734194501503510734177501583217

15、94210064114321913313057100301673910058190341803615068170351304311068190381674617091130411236516711613042130391006013032110341305710033100321004617030130451002313024110551003917031180521304513038150211002813021100311004717028110321404917031130451407619030180431607116034170491709810038133311 刀具钝化对切削力的

16、影响分析对比两组实验数据可以看出,钝化刀具的切削力比未钝化刀具的切削力稍大,但不明显。这与文献7的结论相反,产生的原因可能与钛合金的化学活性高、摩擦系数大、弹性模量低有关。分析图2的三组曲线可得:¹随着切削速度的上升,Fx,Fy,Fz三力具有下降趋势;º钝化刀具产生的切削力大于未钝化刀具。因此刀具钝化对Fx与Fz产生的影响较大。分析图3的三组曲线可得:¹随着进给速度的增加,Fx,Fy,Fz三力具有上升趋势;º钝化刀具的向力z第7期贾秀杰等:刀具钝化对切削力及表面粗糙度的影响1433分析图4的三组曲线可得:¹径向切深对切削力的影响规律不明显;&#

17、186;钝化刀具产生的切削力总体大于未钝化刀具。其中刀具钝化对轴向力Fz影响较大。312 刀具钝化对粗糙度的影响分析使用TR200型粗糙度测量仪对每组实验表面粗糙度进行测量,取样长度为l=018mm,评定长度为51mm,为减少误差,每次粗糙度值取三次测量的平均值。测量结果如表4所示。表4 粗糙度测量结果序号12356789101112131415161718192021222324切削速度/(m/min)/转速/(r/min)30/47850/79670/111590/1433110/1752130/20700102/501960103/7614440/6370104/1011920105/1

18、271400106/1521880107/1781363579111301301501701911111311071001137每齿进给量/mm/进给速度/(mm/min)切深切宽/mm/mm粗糙度Ra(钝化)011680113001114011330112301162011620110901131012060130001299011380116201244012280119301154011990124701111011280114601203粗糙度Ra(未钝化)01507011940121401199011590112901186012310135301398013910139601186

19、0119901331013230128501371013510137301256012920135001316分析图5的三组曲线可得:¹随着轴向切深的增加,三个方向的切削力均有增大的趋势;º钝化刀具产生的切削力大于未钝化刀具。因此刀具钝化对轴向力Fz影响较大。40/63710001740/6371007通过分析图6对比曲线可已看出:随着切削速度的增加,工件表面粗糙度有下降的趋势;钝化刀具加工生成的表面粗糙度相对较小。从图7中对比曲线可得:¹随着进给速度的增加,工件表面粗糙度有上升趋势;º钝化刀具加工生,1434计算机集成制造系统第17卷4 结束语难加工材

20、料加工时采用钝化刀具,可以提高刀具的耐用度。但有必要对加工过程中刀具钝化引起的切削力的影响及加工后零件表面粗糙度的变化规律进行研究。本文通过分析两组实验数据,得出了其变化规律。(1)刀具钝化后切削力比未钝化时略有增加,特别是FX,FZ方向增加得比较明显。因为钝化在消除刀具微缺陷的同时,也使刀具的锋利程度降低,增大了切削力。但影响钛合金加工刀具寿命的主要因素是切削温度和刀具微缺陷造成的应力集中,从而引起加工过程中的破损,刀具钝化消除了微切削,降低了刀具破损的几率,这将在后续研究中得到验证。(2)钝化刀具降低了钛合金加工工件表面粗糙度,特别是表面粗糙度随着切削速度、径向切深及轴向切深的增加,减小非

21、常明显。因为钝化后形成了切削刃部位小的圆弧结构,对工件表面起到修光作用。参考文献:1 YENYC,JANA,ALTANT.Afiniteelementanalysisofor-面粗糙度的影响,如图8所示。分析可得:¹径向切深/轴向切深对表面粗糙度的影响规律不明显;º钝化刀具加工生成的表面粗糙度相对较小。thogonalmachiningusingdifferenttooledgegeometriesJ.Jour-nalofMaterialsProcessingTechnology,2004,146(1):72-81.2 GUIYupeng.Discussionontoole

22、dgedullingtechnologyJ.CNCMachinetoolmarket,2005(12):96-100(inChinese).桂育鹏.刀具刃口钝化技术的探讨J.数控天地,2005(12):96-100.3 CHENDehong,HURongsheng,YINGuomao,etal.There-searchandapplicationofcarbidebladestrengthenprocessJ.CementedCarbide,1999,16(4):228-231(inChinese).陈德洪,胡荣生,殷国茂,等.硬质合金刀片刃部强化工艺的研究与应用J.硬质合金,1999,16(4):228-231.4 BOUZAKISKD,MICHAILIDISN,SKORDARISG,etal.Optimisationofthecuttingedgeroundnessa