金属切削工艺管理（精选7篇）
金属切削工艺管理 篇1
1 概述
在机械加工生产中, 金属切削液是一种重要的工艺辅助材料。正确使用金属切削液可以减少刀具消耗、降低零件报废率、降低企业成本。金属切削液的应用和管理是机械加工中的一个重要课题, 在精密加工中尤其具有重要的意义。
本文结合生产实践, 对金属切削液的特点及适用性进行了阐述, 提出了选用金属切削液及设备的方法, 并介绍了金属切削液及其设备的管理方法。
2 金属切削液的应用
金属切削液是随着工业发展而产生的, 历史非常悠久。人类注意到切削加工中刀具对材料的直接切削要耗费大量能量且产生大量的热, 导致了工艺的不稳定, 而各类形式的切削液明显改善了加工性能和质量, 于是金属切削液逐渐发展起来。
2.1 金属切削液的工艺作用
2.1.1 减摩作用
减摩作用也可称之为润滑作用, 指切削液在工件、切屑、刀具之间界面上的降摩擦能力[1], 切削液必须能渗透到各个界面上, 并在其中能形成强度较高的吸附性润滑膜, 从而降低工件、切屑及刀具间的摩擦, 减少加工阻力。
2.1.2 冷却作用
金属加工过程中, 所消耗的功95-97%都转变成了切削热。其中, 2/3转化成变形热, 1/3转化成摩擦热。
冷却作用就是在加工过程中切削液将工件和刀具的热量吸收转移的作用。
2.1.3 冲洗作用
金属切削过程中, 刀具碎末及金属碎屑随着加工的进行而不断产生, 冲洗作用就是切削液净化加工界面的能力。意义在于延长刀具寿命并保证了加工质量。
2.1.4 防锈作用
指切削液对完成加工的工件具有短期工序间防锈的作用。
2.2 金属切削液的分类和性能
金属切削液按其性质可分为水基切削液和油基切削液。其中水基切削液又分成全合成型和半合成型切削液。
2.3 金属切削液的构成
全合成型切削液一般是以纯净水为基础液, 还含有稳定剂、乳化剂、抗硬水剂、抗菌剂、防锈剂、润滑剂、抗极压剂、消泡剂和香料等。
稳定剂、抗氧化剂、抗硬水剂是作为体系稳定剂而存在的, 保证了切削液可存贮性和各类工况下的使用寿命;抗菌剂的作用是防止体系内的有机物因微生物的繁殖而变质腐败;防锈剂的作用是短期防锈;润滑剂的作用是减摩润滑;抗极压剂的作用是维持、加强界面间润滑膜的强度。消泡剂的作用在于减少体系中各类添加剂 (一般为各类表面活性剂) 的发泡作用的消极影响;添加香料的目的是改善工作现场的气氛。
半合成型切削液与全合成型的差别在于其中的润滑剂以某些油类为主。
油基型切削液与水基切削液的构成差别较大。其成分主要是基础油, 其次是防锈剂、抗油雾剂、抗极压剂、抗氧化剂等。
油基型切削液的使用效果很大程度上取决于基础油的类别和等级。
一般来说, 该类产品所使用基础油可分为三类。
第一类为溶剂精制油;第二类为加氢精制油;第三类为加氢异构化油[2]。其中第二类油工艺性能较好。
2.4 金属切削液的选用原则
金属切削液的选用应从下面三个方面综合考虑:
2.4.1 工艺适用性
如上所述, 切削液有减摩、冷却、冲洗、防锈四个功能, 但在某一特定的工艺中, 很难保证任何一方面都达到使用者的期望。在选用时应有所侧重。
一般来说, 可以参照下表来对切削液的选用进行考量:
√-适用×-不适用
实际工作中应结合具体工艺需求来分析比较, 常常要通过对比实验和数理统计的方法来确定。
2.4.2 运行成本
这是所有企业用户都比较重视的问题。
水基切削液的运行成本一般为油基型切削液的20%-30%, 但水基切削液不能通用于所有工况;同时, 机床、刀具和工装成本往往在机械加工型生产企业中占有很大一部分, 而切削液选型的正确与否关系到机床维护成本和刀具成本, 因此, 在选择切削液时, 各企业需要根据自身实际情况综合考虑何种切削液最适合本企业的需要。
2.4.3 安全性
市场上销售的切削液中有些成分对操作人员是有人身危害的, 如可导致呼吸器官受损或各类皮炎等。在选用之前, 应要求供方提供产品MSDS (产品安全数据单) , 其中说明了产品中的有害成分和可能的不良反应, 对于产品的存贮要求及是否有燃爆危险都作出了说明。
为了降低风险, 企业应考虑采用低毒、环保型产品。
2.5 金属切削液处理设备
金属切削液处理设备在国内一般归口于机床辅机类产品, 但该类产品的性能往往对于产品加工质量有时具有决定性的影响, 特别是在精加工和超精加工方面。
一般来说, 该类设备可分成单机供回系统和集中净化系统两类。
单机供回系统一般表现为机床回液槽箱的形式, 一般由磁性分离器、粗过滤网、供液泵和槽箱等构成, 复杂些的还带有自动纸带过滤装置。容积一般不大于1m3。
集中净化系统一般由磁性分离器、过滤装置、高/低压供液泵及切削液温度控制装置构成, 容积可从几立方米至数百立方米。
2.6 金属切削液处理设备的选用
如何选用金属切削液处理设备, 需要从两方面考虑:
(1) 切屑类型相近的机床数量。
(2) 切削液处理设备的特点和工厂的产量。
2.6.1 切屑类型相近的机床数量
同一车间切屑类型相近的机床数量超过5台时, 可以考虑采用集中净化系统, 如铣床、车床的加工都产生较大的片状切屑, 可以归为一类;精磨床产生细小粉末状碎屑, 可以归为另一类。切屑类型不同的机床不建议共用同一集中净化系统。
2.6.2 切削液处理设备的特点和工厂的产量
工厂的产量直接影响到切削液处理系统的维护频率和切削液的使用寿命。加工中产生切削热及大量的碎屑。切削液受热后有效成分发生分解或氧化, 单机供回系统上一般没有冷却设施而且容积小, 这种变化尤其明显;碎屑进入切削液导致切削液的乳化状态被破坏, 清洗质量下降, 槽箱内的沉积物逐渐增加, 在加工负荷大时切削液的这种变化可以逐渐从色泽或气味上反映出来, 如从清澈变浑浊或从单一的颜色变成混浊态。产量越大, 切削液受到的影响越显著。
如果工厂中80%的机床在满负荷运转的情况下都已经达到16小时/日或以上, 就应考虑采用集中净化系统。一般来说, 这时单机供回系统的不足已经抵销了设备投资低的优势。
3 金属切削液及处理设备的管理
3.1 金属切削液的管理
3.1.1 水基切削液的管理
水基切削液需要检测pH值、折光浓度及含菌量。
无论是全合成还是半合成型水基切削液的正常pH值一般在8.5以上, 为了准确的控制切削液的状态, 需要使用电子pH计来检测切削液的pH, 应每日进行一次。
折光浓度可以采用折光仪来得出, 每日检测一次。
折光仪是基于折射定律设计的。在实际工作中有一个需关注的问题。
切削液在使用超过两个星期后, 内部往往混入了大量金属碎屑 (对于精磨工艺尤甚) , 其中较轻的一部分悬浮在体系中, 从宏观上看, 切削液变“浓”了, 其折光率因而也发生了变化, 这就导致折光仪的读数无法反映有效成分的真实浓度。
这时, 仅通过折光仪来判定切削液的状态就不够可靠了, 同时应注意切削液的pH及加工后工件的工序间防锈性能, 如果二者出现明显下降, 则要相应提高切削液的浓度。
一般来说, 单机供回系统中切削液的使用周期不应超过两个星期, 集中净化系统中切削液的使用周期不应超过4个月。切削液寿命临近末期的特征是pH逐渐下降, 以致无法控制, 加工后的工件常在数小时内生锈。
为了准确掌握切削液的状态, 还应定期检测切削液中的微生物含量, 微生物的繁殖是导致切削液失效的重要原因之一。实际工作中可以采用德国舒美公司的微生物检测片, 能在48小时内检出液体中的微生物含量。当微生物含量较高时, 必须废弃切削液。如继续使用, 微生物和菌类的迅速繁殖会导致加工质量劣化和零件生锈。
3.1.2 油基切削液的管理
油基切削液一般需要检测粘度、油中颗粒物的含量和颗粒度, 在加工流程中同时使用水基切削液和油基切削液时, 一般还要通过Karl-Fischer实验检测油基切削液中的含水量。
粘度检测是通过粘度仪实验来完成的, 检测粘度的目的是为了判定油基切削液是否发生了氧化分解或其他方面的变化。该检测至少每两星期进行一次。
油中颗粒物含量和颗粒度是通过真空抽滤法实现的, 通过真空抽滤设备和高精度滤片可以将油液和一定尺寸的颗粒物实现分离, 通过分析天平称重后可以得出单位油液中颗粒物的含量, 如果再配合颗粒度分析仪, 则可检出各种尺寸颗粒的相对比例。该检测对于精密加工尤其具有重要意义。
Karl-Fis che r水分测定实验是通过Karl-Fis che r水分测定仪完成的, 该实验的方法详见ASTM D1744。由于Karl-Fischer测定仪比较昂贵, 该实验可以委托切削液供应商来进行, BP、壳牌等公司一般都备有这类设备代为客户进行检测。
油基切削液只能通过管理良好的净化再生过程保持其品质, 需要避免水、灰尘、杂质混入, 对于洒落的油液, 不可以回收再用, 以免污染切削液处理设备中的油液。如果油液发生了明显的劣化, 就只能淘汰换新。一般来说, 在有效的管控下, 集中净化设备中的油基切削液往往可以运行两年甚至更长时间而不发生变质劣化。
3.2 金属切削液处理设备的管理
金属切削液处理设备的管理包括日常管理和定期维护两方面内容。
3.2.1 金属切削液处理设备的日常管理
日常管理工作一般有:
(1) 监控磁性分离装置的功能是否正常。
(2) 监控滤材状态并及时更新。
(3) 及时清空接渣、接布容器。
(4) 监控冷却装置的运行状态。
3.2.2 金属切削液处理设备的维护
该表所列内容只适用于水基切削液处理设备, 油基切削液处理设备只需进行换液和清理工作, 而且在管理状态良好的情况下, 维护周期可以根据实际延长, 在实践中, 曾有油基切削液集中净化设备在良好管控下运行2年未清理换油而状态依然良好的事例。
下面就维护的一些事项进行说明。
杀灭微生物需要使用专用微生物消除剂。目前, 市场上比较好的产品有BP公司的TechnicleanMTC 43, 德国舒美公司的grotan RWS等。具体的施用方法需与供货方进行技术方案设计后确定。
选用集中净化系统的企业在将系统和机床相连接时, 有通过地沟和架设悬吊式管路两种方式, 前者影响车间环境卫生且易污染切削液, 已经不再流行;目前的主流方式都是采用悬吊式管路连接净化系统和各个机床的。
由于切削液中混杂了大量细小的碎屑, 当液体在管路中流速下降或遇到弯头及阀门时, 部分碎末会沉降在管路中, 日积月累会导致管径变窄甚至被封闭住。
为了避免彻底堵死的情况发生, 应制定一个符合工厂实际的维护周期对管路进行疏通、清理。实际操作时, 需要将管路连接分离后从悬吊架上卸下, 在指定的场地上用专用设备或特制工具以机械力进行疏通、清理。工作完毕后再起吊至悬吊架上完成装配复原。
4 结论
金属切削液具有减摩、冷却、清洗、防锈四大功能, 在实践中需要从工艺适用性、运行成本和安全性等三个方面进行综合考虑, 选择合适的品种。水基切削液和油基切削液各有优缺点, 适用工况也不全相同, 在选择时一般应侧重于工艺最需要的性能。选择切削液处理设备需要综合考虑本厂的机床状况、工厂产量和切削液处理设备的特点。水基切削液需要检测pH值、折光浓度及含菌量;油基切削液一般需要检测粘度、油中颗粒物的含量和颗粒度, 必要时还需要做Karl-Fische实验。金属切削液处理设备的管理包含日常管理和设备定期维护两方面。只有两个方面的工作内容都按照规范要求完成, 才能保证设备处于良好的状态, 从而延长切削液的使用寿命。对于机械加工生产来说, 金属切削液及其设备的正确使用、良好管理对于保证加工质量、降低工厂运行成本具有重要的意义。
参考文献
[1]周雍鑫, 周俊《.金属切削液使用指南》[M].1版.北京:中国石化出版社.机械工业出版社.2000:10.
[2]关子杰《.金属切削液基础和应用》[M].1版.北京:中国石化出版社.2006:51.
浅论金属切削加工切削液 篇2
关键词：金属切削加工,切削液,水溶性切削液
金属切削液,即金属及其合金在切削加工过程中使用的工艺润滑油。金属切削加工是指用具有一定几何形状的刀具,通过刀具与工件间的相对运动,从工件表面切除金属层以获得具有一定几何形状,尺寸和表面质量的工艺过程。
金属的加工方法繁多,其中金属切削加工是金属加工中最常见、应用最广泛的一种。根据工件的形状、精度及表面质量的不同要求,金属切削加工可分为车、铣、钻、刨、镗、铰、拉削、齿轮切削、螺纹加工及磨削等。现在主要讲述金属切削液中水溶性金属切削液的性能和选取。
一般习惯地把金属去切屑加工所用的润滑剂称为切削液,而把金属变形用的润滑剂称为金属加工工艺用液体。金属加工液则是泛指上述两类加工、作业用润滑剂。
而金属的去除和金属的变形是金属的机械加工通常的两种类型。
1 金属切削液的种类
金属切削液通常可分为以冷却为主的水溶性金属切削液和以润滑为主的纯油性金属切削液;水溶性金属切削液又可细分为可溶性油(乳化液)、半合成切削液(微乳化液)和合成切削液三种。在所有润滑油中,金属切削液的用量视各国的具体情况不同,约占其润滑油总用量的2%~3%,我国金属切削液的年用量约为6万吨左右,其中水溶性金属切削液和纯油性金属切削液各占50%左右的份额。
大部分金属切削需要使用切削液,甚至在可以正常进行干切削的作业,如果选用适当的冷却润滑剂也可增加工效。早在1883年,F.W.泰勒(Taylor)曾证明用冲洗刀具和加工件可使切削速度提高30%~40%。
金属切削液的品种繁多。ASTM D2881把金属加工用的液体划为三类:(1)油和油基液体;(2)水基乳液及分散体;(3)化学溶液(真溶液及胶体溶液)。近年来,金属切削液的发展和变化主要是在水溶性液体领域(2、3类)。由于这类液体以水为基质,其传热速度高(水的传热速度为油的2.5倍)。等量的水吸收一定热量后,比油的温升要慢得多,从而提高了冷却效果,且可减少油雾,因此水基切削液的用量增大。以英国为例,水基切削液在整个切削液市场中约占60%。但是水基切削液与油相比存在着润滑性差,其次是锈蚀、胶体稳定性、化学稳定性、生物稳定性、可滤性、泡沫性等问题。这些问题对切削液在机床应用时的“油池寿命(Sum p Life)”至关重要。合理选择、应用、监控和维护,对使用水基切削液特别重要。
水溶性切削液的主要性能。我们使用水溶性金属切削液的主要目的是:(1)延长刀具的使用寿命;(2)保证和提高工件的加工尺寸精度;(3)改善工件表面的光洁度;(4)及时排除金属屑,确保切削过程顺利进行;(5)及时带走切削热,迅速均匀冷却刀具和工件等;(6)防止机床和工件产生腐蚀和锈蚀;(7)提高切削加工效率,降低成本。为实现上述目的,要求水溶性金属切液必须具备下列几方面主要性能:冷却性能;润滑性能;清洗性能;防锈性能。
2 金属切削液的成分与选择
根据我国目前市场情况,切削液的主要成分如下:
(1)油或油基液体;(2)乳液;(3)合成液体;(4)化学溶液。
3 水溶性金属切削液的选取
选取金属切削液,首先要根据切削加工的工艺条件及要求,初步判断选取纯油性金属切削液或水溶性金属切削液。通常我们可以根据机床供应商的推荐来选择;其次,还可以根据常规经验进行选取,如使用高速钢刀具进行低速切削时,通常采用纯油性金属切削液,使用硬质合金刀具进行高速切削时,通常可以采用水溶性金属切削液;对于供液困难或切削液不易达到切削区时采用纯油性金属切削液(如攻丝、内孔拉削等),其他情况下通常可采用水溶性金属切削液等。总之,要根据具体切削加工条件及要求,根据纯油性金属切削液和水溶性金属切削液的不同特点,同时考虑各个工厂的不同实际情况,如车间的通风条件、废液处理能力及前后道工序的切削液使用情况等,来选取具体的切削液类型。
其次,在选取了切削液类型后,还要根据切削加工工艺、被加工件材质及对工件的加工精度和粗糙度的要求等,初步选取切削液的品种。如选取磨削加工切削液时,我们不但要考虑普通切削加工的条件,更要考虑磨削加工工艺本身的特点:我们都知道,磨削加工实际上是多刀同时切削的加工工艺,磨削加工的进给量较小,切削力通常也不大,但磨削速度较高(30~80m/s),因此磨削区域的温度通常都较高,可高达800~1000℃,容易引起工件表面局部烧伤,磨削加工热应力会使工件变形,甚至使工件表面产生裂纹;同时,因为磨削加工过程中会产生大量的金属磨屑和砂轮砂末,会影响加工工件的表面粗糙度等;因此,在选取磨削加工的水溶性金属切削液时,我们更要求该切削液具有良好的冷却性、润滑性和清洗冲刷性。而根据工件材质的不同,在选取水溶性金属切削液时也要从不同材质的不同特性选取不同的切削液产品,如切削高硬度不锈钢,就要根据其硬度高、强度大、难切削等特点,选取极压性能好的极压型水溶性金属切削液,来满足切削过程中对切削液的极压润滑性能要求;而对于如铝合金、铜合金等材质时,由于其材质本身的韧性大、活性大等特点,在选取水溶性金属切削液时,则更要求切削液的润滑性、清洗性等,同时,不能腐蚀工件。
在上述初步选取了金属切削液后,还应该从切削液产品对人身的刺激性/毒性、使用寿命、废液处理等方面综合考虑,最终选取正确的金属切削液的品种及使用浓度。在选取水溶性金属切削液时,我们首先要考虑产品的低刺激性、低毒性,以确保操作人员的人身安全;同时,各个使用厂家都强调切削液产品的使用寿命的长短,都要求所选水溶性金属切削液具有一个相对长的使用寿命,来满足工厂降低综合成本的要求,而且,较长的切削液使用寿命,不但降低了水溶性金属切削液的使用量,更减少了换液次数,减少机床停机时间,降低了人工费用,以及减少水溶性金属切削液的废液处理次数和处理以及由此而产生的大量废液处理费用;第三,随着各国对环境环保要求的不断提高,要求水溶性金属切削液的废液必须经过废液处理并达到国家及地方的三废排放标准,方可进行排放,因此,各工厂在选取水溶性金属切削液时,也把其废液处理难易程度列入选取标准之一。
同时,由于水溶性金属切削液中通常都含有表面活性剂、油性剂、矿物油及少量水分,这要求水溶性金属切削液的储存周期不能太长;因此,为确保水溶性金属切削液产品的新鲜,供应商的生产能力、供货周期也应在水溶性金属切削液选取时加以考虑。
在金属切削液的选取中,水溶性金属切削液的选取因其使用特点则更显重要。
4 切削液的使用和维护
配制(稀释)只有水基切削液需要配制,即按一定比例加水稀释。水基切削液特别是乳化型的,在用水稀释时要注意以下几个方面:
(1)水质
(2)稀释
(3)劳动卫生与环境
5 切削液使用中的问题及其对策
5.1 切削波变质发臭的问题
切削液变质发臭的主要原因是:切削液中含有大量细菌,切削液中的细菌主要有耗氧菌和厌氧菌。耗氧菌生活在有矿物质的环境中,如水、切削液的浓缩液和机床漏出的油中,在有氧条件下,每20~30min分裂为二。而厌氧菌生存在没有氧气的环境中,每小时分裂为二,代谢释放出SO2,有臭鸡蛋味,切削液变黑。当切削液中的细菌大于106时,切削液就会变臭。
5.1.1 细菌主要通过以下渠道进入到切削液中
(1)配制过程中有细菌侵入,如配制切削液的水中有细菌。
(2)空气中的细菌进入切削液。
(3)工件工序间的转运造成切削液的感染。
(4)操作者的不良习惯,如乱丢脏东西。
(5)机床及车间的清洁度差。
5.1.2 控制细菌生长的方法
(1)使用高质量、稳定性好的切削液。
(2)用纯水配制浓缩液,不但配制容易,而且可改善切削液的润滑性,且减少被切屑带走的量,并能防止细菌侵蚀。
(3)使用时,要控制切削液中浓缩液的比率不能过低,否则易使细菌生长。
(4)由于机床所用油中含有细菌,所以要尽可能减少机床漏出的油混入切削液。
(5)切削液的p H值在8.3~9.2时,细菌难以生存,所以应及时加入新的切削液,提高p H值。
(6)保持切削液的清洁,不要使切削液与污油、食物、烟草等污物接触。
(7)经常使用杀菌剂。
(8)保持车间和机床的清洁。
(9)设备如果没有过滤装置,应定期撇除浮油,清除污物。
5.2 切削液的腐蚀问题
5.2.1 产生腐蚀的原因
(1)切削液中浓缩液所占的比例偏低。
(2)切削液的p H值过高或过低。例如PH>9.2时,对铝有腐蚀作用。所以应根据金属材料选择合适的p H值。
(3)不相似的金属材料接触。
(4)用纸或木头垫放工件。
(5)零部件叠放。
(6)切削液中细菌的数量超标。
(7)工作环境的湿度太高。
5.2.2 防治腐蚀的方法
(1)用纯水配制切削液,并且切削液的比例应按所用切削液说明书中的推荐值使用。
(2)在需要的情况下,要使用防锈液。
(3)控制细菌的数量,避免细菌的产生。
(4)检查湿度,注意控制工作环境的湿度在合适的范围内。
(5)要避免切削液受到污染。
(6)要避免不相似的材料接触,如铝和钢、铸铁(含镁)和铜等。
5.3 产生泡沫的问题
在使用切削液时,有时切削液表面会产生大量泡沫。
5.3.1 产生泡沫的主要原因
(1)切削液的液面太低。
(2)切削液的流速太快,气泡没有时间溢出,越积越多,导致大量泡沫产生。
(3)水槽设计中直角太多,或切削液的喷嘴角度太直。
5.3.2 避免产生泡沫的方法
(1)在集中冷却系统中,管路分级串联,离冷却箱近的管路压力应低一些。
(2)保证切削液的液面不要太低,及时检查液面高度,及时添加切削液。
(3)控制切削液流速不要太快。
(4)在设计水槽时,应注意水槽直角不要太多。
(5)在使用切削液时应注意切削液喷嘴角度不要太直。
5.4 操作者皮肤过敏的问题
5.4.1 产生操作者皮肤过敏的主要原因
(1)p H值太高。
(2)切削液的成分。
(3)不溶的金属及机床使用的油料。
(4)浓缩液使用配比过高。
(5)切削液表面的保护性悬浮层,如气味封闭层、防泡沫层。杀菌剂及不干净的切削液。
5.4.2 在工作中,为了避免操作者皮肤过敏,应该注意以下几点
(1)操作者应涂保护油,穿工作服,带手套,应注意避免皮肤与切削液直接接触。
(2)切削液中浓缩液比例一定要按照切削液的推荐值使用。
(3)使用杀菌剂要按说明书中的剂量使用。
还有,氟橡胶、脂橡胶受切削液影响变形较小,在用作机床密封件时,可优先考虑。为了防止变形,机床密封件所用橡胶含脂量一般应大于35%。另外,为了有效防止切削液引起机床油漆脱落,可选择环氧树脂漆或聚腔酯漆。
金属切削切屑形成机理的研究 篇3
金属切削的过程是由于刀具的前后刀面对切削层的挤压、摩擦, 使得切削层金属发生剪切滑移和摩擦变形, 最终形成切屑的过程。采用解析法对金属切削机理的定量分析还存在一定的困难[1]。
本文以碳钢为主要研究对象, 通过有限元法对金属切削过程建立了正交切削的热力耦合模型, 对金属切削加工切屑形成的机理进行了有限元分析[2]。
1 二维正交切削有限元模型的建立
图1 给出的是简单二维金属切削模型。刀具的前角为18°, 刀具的后角为7°, 切削刃钝圆半径为0.03 mm。工件的材质为45 钢, 对应MARC材料库中的C45。工件的尺寸为1.4 mm×0.7 mm, 切削速度为2 250 mm/s, 切削深度为0.14 mm。
为简化模型, 采用刀具为刚形体、工件为变形体进行模拟, 工件的下表面施加固定全约束, 左边端面施加X方向的位移约束, 采用位移收敛准则, 收敛精度取为0.1%。
2 计算结果与分析
2.1 切屑温度场
金属切削过程中工件温度场分布如图2 所示, 可以看出, 位于前刀面与切屑接触处的第二剪切滑动区内, 存在较高的温度, 这正好吻合了文献4 的结果, 且最高切削温度达到302.7 ℃, 而工件内部和刀尖附近的温度较低, 大概为200 ℃。在第一变形区, 切削温度呈现带状分布的规律, 这是由于切屑的剪切变形。温度主要来源于工件的塑性变形、刀具与切屑以及刀具与已加工表面的摩擦[3]。
2.2 切屑应力场
工件的切削区的等效应力分布如图3 所示, 可最大等效应力, 最大等效应力达到1 069 MPa, 并且向右应力值逐渐减小, 这说明塑性流动在切屑起始弯曲部分的值最大, 且向两边逐渐减小。且切削后的已加工表面上还存在较大的残余应力。此图也很好地体现了切屑和工件的塑性流动行为。
图4 为金属稳定切削阶段的切削应力分布图, 从图中可以看出, 刀具前方的工件和切屑的主应力为压应力, 与刀具后刀面接触的部位存在较大的拉应力, 最大应力为2 352 MPa。工件的塑性变形主要发生在第二和第三变形区, 而第一变形区的塑性应变最小。
工件稳定切削阶段的剪应力分布如图5 所示, 可知:剪切应力最大绝对值产生于主剪切变形区 (第一变形区) 且靠近刀尖位置, 由于断裂面总是沿最大剪切应力轨迹方向, 预示该处可能产生裂纹。这也正好吻合了第一变形区内的金属的剪切滑移现象。
2.3 切削力分析
金属切削过程的切削力- 时间曲线分布规律如图6 所示, 可以看出, 当刀具开始接触到工件后, 刀具的切削力开始急剧增大, 并迅速接近于稳定的状态, 且最大的切削力达到214.6 N。
在切削过程中, 由于金属切屑不断从工件上分离, 切削力达到最大值后, 出现一定程度的上下跳动[4]。
在切削过程中, 随着刀具的前进, 切削力不断增大, 当刀尖前面的节点满足几何分离标准时, 刀尖前临近的节点开始发生分离, 同时网格开始重新划分, 切削力突然开始降低。在切削的稳定阶段, 随着刀具向前移动, 切削力又开始增加, 并在某一平衡位置附近上下波动。在切屑将要从工件上分离时, 切削力急剧降低, 从而形成了如图6 所示的波动曲线。
2.4 残余应力分析
完整切削过程的残余应力变化曲线如下页图7所示, 从图中曲线可以看出, 工件表层产生了拉伸残余应力, 这是因为残余应力主要是由金属的塑性变形引起的, 当刀具切削工件时, 表层金属被拉伸而变形, 因此工件表层主要是残余拉应力, 如图7- 1 所示。当刀具切削完工件后, 拉伸的弹性变形将逐步恢复, 拉伸的塑性变形则不能恢复, 表层金属的拉伸塑性变形, 受到与它相连的里层未发生塑性变形金属的牵制, 所以切削完成后, 工件的表层是残余拉应力, 里层是残余压应力, 如图7- 2 所示。
3结语
1) 通过对金属切削切屑形成过程的有限元分析, 获得了切屑形成过程的温度场和应力场的分布规律。
2) 本文采用MSC.MARC软件的网格重画分功能与几何分离准则理论, 很好地解释了金属切屑形成的机理, 第一变形区产生的剪应力是裂纹生成与扩展的主要原因。
摘要：应用MARC有限元软件并采用二维热力耦合的弹塑性大变形与接触非线性有限元法, 真实模拟了金属切削切屑形成的过程, 数值计算结果给出了工件三个变形区在不同的切削阶段的温度场、应力场与应变场分布。根据稳定切削阶段的应力场得出了刀具切削力与工件切削后的残余应力分布。研究成果可以为金属切削提供理论依据和技术支持。
关键词：切削,形成机理,热力耦合,弹塑性大变形,接触非线性
参考文献
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论金属切削过程及其物理现象 篇4
1 切削过程及切削种类
1.1 金属的切削过程与切削变形区
金属的切削过程也是切屑形成的过程, 图1-1是当切削塑性金属时, 当工件受到刀具的挤压以后, 切削层金属在始滑移面AO以左发生弹性变形, 愈靠近OA面, 弹性变形愈大, 在OA面上, 应力达到材料的屈服强度σS, 则发生塑性变形, 产生滑移现象。随着刀具的连续移动, 应力和变形也逐渐加大, 在终滑移面OE上, 应力和变形达到最大值, 越过OE面, 切削层金属将脱离工件母材, 沿着前刀面流出而形成切屑。
1.2 切削塑性金属材料
切削塑性金属材料时, 在刀具与工件接触区域产生的三个变形区, 如图1-2所示。OA与OE之间是切前层的塑性变形区, 称为第一变形区, 第一变形区的变形量最大, 切屑与前刀面磨擦的区域Ⅱ称为第二变形区, 切屑形成后与前刀面之间存在很大的压力, 沿前刀面流出时必然有很大的磨擦, 因而使切削底层又一次产生塑性变形, 工件已加工表面与后刀面接触的区域Ⅲ称为第三变形区, 第三变形区是已加工表面产生加工硬化和残余应力的主要原因。
2 切屑的种类
工件材料的不同或采用不同的措施, 会产生不同类型的切屑, 并对切削加工产生不同的影响。
2.1 带状切屑
使用较大前角的刀具并选用较高切速、较小的进给量和切深切削硬度较低的塑性材料时, 从而形成连绵不断的带状切屑如[图a]示。带状切屑的顶面呈毛茸状、底面光滑。形成带状切屑的切削比较平稳, 切削力也较小, 加工的表面较光洁。但它会缭绕在刀具工件上, 损坏刀刃, 刮伤工件, 为此, 常在刀具前刀面上磨出各种不同形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽, 以促使切屑成卷或折断。
2.2 节状切屑
一般用较低的切速粗加工中等硬度的塑性材料时, 容易得到这类切屑[图b], 材料已达到破裂程度, 被一层一层地挤裂而呈锯齿形, 这是最典型的切削过程, 由于变形较大, 切削力也较大, 且有波动, 工件表面较粗糙。
2.3 崩碎切屑
在切削铸铁和黄铜等脆性材料时, 切削层金属发生弹性变形以后, 形成不规则的碎块状屑片, 即为崩碎切屑[图c]。工件愈是硬碎, 愈容易产生这类切屑。产生崩碎切屑时, 切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近, 刀尖容易磨损, 并容易产生振动, 影响表面粗糙度。
在生产中, 常采取加大前角、提高切速或减小切削厚度可将节状切屑转变成带状切屑, 使加工的表面较为光洁, 以保证切削加工的顺利进行。
3 积屑瘤
在一定范围的切速下切削塑性金属时, 常发现在刀具前刀面靠近刀刃的部位粘附着一小块很硬的金属, 这就是切削过程所产生的积屑瘤, 或称刀瘤, 如下图左所示, 在右下角图示是实际积屑瘤的外观效果。
3.1 积屑瘤的形成
积屑瘤是由于切屑和前刀面剧烈的磨擦而形成的。当切屑沿前刀面流出时, 在一定的温度和高压的作用下, 切屑底层受到很大的摩擦阻力, 致使这一层金属的流动速度降低, 形成“滞流层”。当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子间的结合力时, 就有一部分金属粘结在刀刃附近形成积屑瘤。
3.2 积屑瘤对切削加工的影响
积屑瘤增大了刀具的前角, 使切屑变形和切削力减小。积屑瘤会在加工表面上留下不均匀的沟痕, 并有一些粘附在工件表面上, 影响尺寸精度和表面粗糙度。所以, 粗加工产生积屑瘤有一定好处, 但精加工时须避免积屑瘤的产生。
3.3 影响积屑瘤的因素
工件材料和切削速度是影响积屑瘤的主要因素。
塑性大的材料, 切削时的塑性变形较大, 容易产生积屑瘤。塑性小硬度较高的材料, 产生积屑瘤的可能性以及积屑瘤的高度相对较小。切削脆性材料一般没有塑性变形, 形成的崩碎切屑不流过前刀面, 因此一般无积屑瘤产生。
切削速度很低度 (v<5m/min) 时, 切屑流动较慢, 由于切削温度低, 因而不会出现积屑瘤;切速在5-50m/min范围内, 切屑底面的新鲜金属与前刀面间的磨擦系数较大, 同时切削温度升高, 因而容易产生积屑瘤。一般钢料在v≈20m/min、切削温度为300℃左右时, 磨擦系数最大, 积屑瘤的高度也最大。当切速很高 (v>100m/min) 时, 由于切削温度很高, 切屑底面呈微熔状态, 磨擦系数明显降低, 积屑瘤亦不会产生。
4 切削热
4.1 切削热的产生和传散
在切削过程中, 由于绝大部分的切削功都转变成热能, 切削热的传散方式是不一样的, 例如:不用冷却液, 以中速切削钢件时, 切削热的50%-86%由切削带走, 10-40%传入工件, 3-9%传入车刀, 52.5%传入钻头, 5%左右传入周围介质。
4.2 切削温度及其影响因素
切削温度的高低取决于切削热的产生和传散情况, 其主要影响因素是工件材料、切削用量、刀具角度和冷却条件。
4.2.1 工件材料的影响
工件材料强度、硬度愈高, 切削时消耗的功愈多, 切削温度也就愈高。材料的导热性好, 可以使切削温度降低。
4.2.2 切削用量的影响
增大切削量, 产生的切削热相应增多, 致使切削温度上升。切削速度大一倍时, 切削温度增加20-33%;进给量增大一倍时, 切削温度大约只升高10%, 切削深度增大一倍时, 切削温度大约只升高3%, 因此, 为了有效的控制温度, 选用大的切深和进给量比选用大的切速有利。
4.2.3 刀具角度影响
前角和主偏角对切削温度影响较大, 前角加大, 变形和摩擦减小, 因而切削热减少, 但前角不能过大, 否则刀头部分散热体积减小, 不利于切削温度的降低。主偏角减小将使刀刃工作长度增加, 散热条件改变, 因而使得切削温度降低。
4.2.4 切削热对切削加工的影响
切削热传入工件后, 会导致工件的膨胀或伸长, 引起工件变形, 影响加工精度, 特别是加工细长轴, 薄壁套以及精密零件。
4.3 切削液
要改善散热条件, 使用切削液除冷却外, 还可以起到润滑、清洗和防锈的作用, 一般常用的切削液包括:水溶液、乳化油、切割油。
5 刀具的磨损
在切削过程中, 刀刃的磨损到一定程度, 必须及时修磨, 否则会产生振动并使得零件表面质量下降。
5.1 刀具磨损形式
按照其发生的部位分三种形式:后刀面磨损、前刀面磨损、前刀面和后刀面同时磨损。具体外观见下图所示:
5.1.1 后刀面磨损
在切削脆性金属或以较低的切速和较小的切削厚度 (a<0.1mm) 切削塑性金属时, 前刀面上的压力和摩擦力不大, 温度较低, 磨损主要发生在后刀面上, 使得刀刃附近形成后角接近0度的小棱面。
5.1.2 前刀面磨损
在以较高的切速和较大的切削厚度, 切削塑性金属时, 前刀面上的压力很大, 会发生这种磨损。
5.1.3 前、后刀面同时磨损
发生的条件介于上述两种磨损之间, 以中等切削厚度 (a=0.1-0.5m m) 切削塑性金属时, 经常会发生这种磨损。
6 结语
经验表明, 在刀具正常磨损阶段的后期, 急剧磨损阶段前更换刀具或重磨为最好, 这样既可以保证加工质量, 也可以充分利用刀具材料, 对于制造和刃磨比较简单、成本不高的刀具, 耐用度可以定低些, 对制造和刃磨比较复杂, 成本较高的刀具, 耐用度可以定的高些, 总之影响刀具耐用度的因素很多, 为了保证各种刀具所规定的耐用度, 特别注意合理的选择切速。
参考文献
[1]濮良贵, 纪名刚主编.机械设计, 第七版.北京:高等教育出版社, 2001.
金属切削工艺管理 篇5
1 研究的意义
本研究的意义主要体现在以下几个方面:
(1) 通过对企业, 相关学校的充分调研, 找到高职办学所存在的问题, 重新确立机床设备维修工程技术专业人才培养的规格和模式, 实现学校所培养的人才与企业的实际需求有机地统一, 提高高职办学的针对性。
(2) 通过调查分析和深入研究, 按“工学结合, 半工半读”要求改革传统的教学模式, 教材体系, 使其更加趋同于企业的工作过程实际, 让毕业生企业好用, 提高高职教育的社会认同度。
(3) 通过比较研究, 批判性地国外职业教育的成功经验, 增加我们办学的国际视野, 找到办学过程中纠偏办法, 也会有利于高职教育的健康发展。
(4) 以机床设备维修工程技术专业为对象, 为机械类的其他专业改革提供依据和借鉴。
2 研究过程
其研究过程分为两个阶段。
第一阶段:调研、分析阶段。要求设计问卷、现场调查、专家访谈等形式进行调研取得第一手资料。
(1) 机床设备维修工程技术人才规格及定位调研:
①企业生产、管理、服务一线岗位的岗位描述及人才需求状态分析;②毕业生所在岗位对知识、能力、素质的要求;③毕业生能否适应所在岗位的需求;④召开现场调研会、发放问卷调查表;⑤对部分大、中、小型机械工业企业进行现场调研。
(2) 《金属切削机床》理论教学现状调研:
①现有课程体系现状与分析;②当前机床设备维修工程技术人才培养模式的现状与分析;③当前人才培养方案的设计原则分析与分析;④现有专业教学改革现状与特色分析;⑤现有专业能否满足社会需求分析。
(3) 《金属切削机床》实践教学现状调研:
①实践教学的现状及分析;②校内外实习基地建设的现状及分析;③实践教学改革的现状与特色分析;④顶岗实习的操作与管理的现状分析。
(4) 机床设备维修工程技术人才培养质量评价调研:
①评价的现状与分析;②教学质量评价体系的现状与分析;③建立质量标准与质量评价体系应该注意的环节;④引进社会评价的可行性分析。
(5) 机床设备维修工程技术专业师资队伍现状调研。
①现有师资队伍现状与分析;②“双师型”教师培养的现状与分析;③专兼职教师队伍建设的现状、稳定性及其分析。
第二个阶段:深入研究, 分析阶段。
通过调查分析, 查找大量的文献资料, 明确了机床设备维修工程技术专业的人才培养目标, 即为制造培养高素质的劳动者, 形成了适应“工学结合、半工半读”人才培养模式的、基于工作过程导向的、满足“TLP” (T=Teaching, L=Learning, P=Practicing) 即教、学、做一体化的教学体系。从理论教学、实践教学、教材体系、评价方式和师资队伍建设等方面提出了具体的方案, 这些方案均建立在充分调研的基础上, 符合现在和将来一定时期企业的实际需要。学校要成立有企业专家参与的专业教学指导委员会, 指导专业的建设和发展, 包括课程设置、教学标准的制定和实施、教材体系的建设和开发等。
调研结题以后, 应该按照专业设置标准立即启动教材的建设、校内外实习实训基地的建设、保证“TLP”的校内实施, 顶岗实习的校外实施, 订单培养的校内外交替实施。这种实践本身也是对研究成果的一种最为有效的检验。
3 研究方法
本研究主要采取定量分析与定性分析相结合, 理论分析与案例分析相结合, 实地调查与文献查找相结合的办法, 主要有文献法及网络研究法、调查法、访谈法、案例分析法、比较研究的方法。
3.1 文献法及网络研究法
借助学校图书馆和网络的数据库查阅大量的文献资料, 收集研究的相关理论依据, 应用于研究。
3.2 调查法
用设计问卷或现场的方式, 对企业、毕业生、在校生及家长进行调查, 以取得研究的第一手资料, 为研究提供现实依据。
3.3 访谈法
举行企业代表, 优秀毕业生代表和学校相关老师参与的座谈会, 听取关于研究的相关问题的意见和建议;走访企业进行重点访谈。
3.4 案例分析法
通过对典型事件, 现象的分析, 寻找研究的现实证据。
3.5 比较研究的方法
比较国内外的相关研究, 批评性地吸取相关研究的成果, 用于本研究, 从中提炼出可供本研究的借鉴之处, 支撑本研究。
参考文献
[1]邓怀德.金属切削机床[M].北京:机械工业出版社, 1987.
金属切削工艺管理 篇6
据统计数据显示, 2010年国内市场的刀具消费总额达到350亿元, 居全球第一, 2011年再创新高, 达到400亿元。与国内庞大的市场容量形成鲜明对比的是, 高端刀具的市场份额被国外生产商所占据, 目前我国进口刀具约占市场总量的1/3, 而且全是现代高效刀具。生产及检测模式的滞后, 严重影响了国内金属切削刀具行业的发展。
刀具又称切削刀具, 是机械制造中用于切削加工的工具, 按照用途来讲, 一般可用于切削金属、木材、石材等。金属切削刀具用于加工金属制品, 因此所用材质非常坚固, 这类刀具的切削部位也就是刀片的生产原料早先一般是高速钢、工具钢, 后又发展到今日的超硬材料如硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等, 此类刀具也广泛应用于航空航天、汽车、航海、机械加工、石油矿山开采等各个领域。
近年来, 我国刀具行业持续高速增长, 虽经世界金融风暴袭击, 发展势头却依然不减, 尤其是金属切削刀具的市场需求量逐年猛增。与此同时, 质检问题却一直困扰着刀具制造行业。随着国内检测技术的提升, 金属切削刀具行业急需智能化的检测方式。
金属切削工艺管理 篇7
刀具磨损的研究主要集中在刀具寿命计算、磨损机理分析、磨损轮廓预测以及磨损对工件表面质量的影响上。刀具寿命通常用经验公式来表达,如Taylor公式或它的其他转化形式。Taylor公式定义了刀具寿命和切削参数之间的关系。然而,对于刀具制造商和科研人员来说,刀具的磨损过程和磨损轮廓也是非常重要的信息。
发生在刀具前刀面的月牙洼磨损是由切屑和刀具前刀面之间高温、高压和剧烈的摩擦导致的。一般认为,月牙洼最大深度、月牙洼最大深度位置距刀刃的距离和月牙洼宽度是评价刀具寿命的关键值。然而,了解并预测整个月牙洼磨损轮廓随切削时间的变化才是刀具磨损研究的最终目的。
本研究针对硬质合金刀具切削低碳钢的情况,建立了一个同时考虑黏结磨损和扩散磨损的复合磨损模型,并将其用来分析和预测刀具前刀面月牙洼磨损轮廓。
1 实验研究
月牙洼磨损经验模型通常表达了磨损率和各个切削变量之间的关系。通过切削实验获取切削过程中的各切削变量和磨损率,然后根据这些实验数据拟合出经验模型中的系数,便可以获得相似切削条件下的磨损模型。
实验研究通过使用硬质合金刀具在普通速度范围内切削低碳钢材料来获取月牙洼磨损轮廓。在实验过程中,切削速度有小范围变化,刀具几何参数、进给量和背吃刀量保持不变。此时,切削力和温度是影响月牙洼磨损的主要切削变量,因此本实验侧重于切削力、温度和磨损率的测量。
三组切削测试全部在CA6140普通车床上完成,所有车削实验都模拟正交切削加工过程,使用无涂层硬质合金刀片P10(WC-TiC-Co)干切削低碳钢AISI 1020工件材料。切削速度vc的范围是182～225m/min。刀具前角为0°,后角为5°,进给量为0.1mm,背吃刀量为2mm。
1.1 月牙洼磨损轮廓的测量
本文使用的前刀面月牙洼磨损轮廓测量装置,把CCD激光位移传感器与一个二维微动平台结合在一起,如图1所示。此激光位移传感器拥有0.1μm的分辨力和30μm直径的光束点,测量目标的位置变化范围为±1mm。激光位移传感器能测量一维数据,将它与一个二维微动平台组合使用后,即可实现三维数据测量。
实验采用的微动平台由2个分辨力为10nm的直线电机驱动,直线电机由控制系统控制,可实现自动微进给。测量过程中,刀具放置在微动平台上,CCD激光位移传感器固定在被测月牙洼表面的上方,以实现月牙洼深度的测量。刀具随微动平台沿月牙洼宽度方向移动,即可实现月牙洼截面轮廓的测量。测量过程中,位移传感器数据采集点的间距为1μm,这样的数据密度足可以清楚地展示月牙洼的磨损轮廓。
1.2 切削温度和切削力的测量
在切削实验中,一般很难测量刀屑交界面的温度分布,所以本研究采用有限元切削仿真的方法计算刀屑交界面上的温度分布。本研究还通过实验测量了刀具前刀面附近局部点的温度,同时测量了切削力,并使用这两个测量参数来验证有限元仿真的正确性。实验使用电火花成形加工设备在刀屑交界面下部打直径为1mm的孔,然后将一个直径为1mm的K型镍铬-镍硅微细铠装热电偶固定在孔内(用来测量刀具的局部温度)。为了保证测量的准确性,需确保热电偶前端与孔的末端紧密接触以形成良好的热传递。3组实验中,孔端距主切削刃和前刀面的距离在0.6～1.1mm范围内。在测量切削温度的同时,还使用了Kistler9257B动态测力仪来测量切削过程中的切削力。切削仿真计算的主切削力最符合实际加工情况,研究者经常把它作为仿真是否有效的标准[1],所以本研究主要使用主切削力Fc的测量结果。
1.3 实验测量结果
图2展示了用于拟合模型的实验测量结果。其中,切削力在加工过程中相对稳定,取整个稳态过程的平均值作为测量结果Fc;热电偶所测量的刀具局部点的温度在20s内基本达到稳态,之后随着切削时间的增加,温度稍有升高,把温度最大值作为热电偶测量点的稳态温度值θ。另外两组实验测量的切削力和温度结果列于表1中,图3是对应的月牙洼磨损轮廓测量结果。
2 刀屑交界面温度仿真研究
在切削实验中,由于切削宽度远远大于切削深度,所以可以假设切削区域处于平面应变状态,即可以使用二维切削仿真技术来求解切削区温度。
2.1 FEM模型
本次仿真使用热力耦合和热传递分析来求解刀屑交界面的温度分布和刀具内部局部点温度。首先,使用Deform 2D进行切削过程热力耦合分析,采集刀屑交界面上的温度数据,将这些数据作为刀具热传递分析的热源。然后,使用ANSYS软件的热传递分析模块求解整个刀具的稳态温度场以及热电偶端点的稳态温度值。
在热力耦合分析中,使用Wanheim等[2]提出的常剪切摩擦模型τ=μsτs,其中,τ为摩擦应力,τs为切屑材料在刀屑接触面上的剪切流动应力,μs为常剪切摩擦因数,普通速度下切削碳钢材料时,μs设置为0.82可以获得较为理想的切削力和切削温度的仿真结果[3]。仿真中,刀屑交界面的传热系数K的大小在很大程度上决定了刀具和切屑间热量的传递,一些学者使用一种人为增大刀屑交界面传热系数的方法来提高仿真温度计算的准确性[4]。Filice等[5]的研究表明,K=1000kW/(m2·K)可以获得较为满意的温度计算结果,因此本研究的切削仿真也使用该值。
2.2 仿真结果与实验结果的比较
切削仿真中计算的切削力和温度与实验测量值列于表2。仿真结果与实验结果的误差在切削仿真误差的范围之内,因此可认为本研究使用的有限元切削仿真技术能够作为预测刀屑交界面温度分布的有效工具,表2中的仿真结果可以作为刀具磨损模型的温度输入数据。
3 磨损模型
为了确定普通速度切削时刀具前刀面月牙洼的磨损机理,使用扫描电镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)检测了一组车削测试后月牙洼的磨损表面。图4是月牙洼磨损表面的扫描电镜照片,相对光滑的磨损表面上有少量的黏附材料。图5所示为对图4中月牙洼表面光滑处(点1处)和凸起处(点2处)进行能谱分析的结果。在点1处,仅仅探测出C、W和Ti三种元素,它们都是P10(WC-TiC-Co)刀具的组成元素,而Co元素的缺失可能是由于它已经扩散到切屑材料中。在点2处,不仅存在刀具中的元素,同时也发现了大量Fe、O元素以及少量的Si。Fe是工件材料的主要元素,Si是工件材料中的微量元素,O元素可能是由于加工时高温环境下切屑或刀具材料的氧化而产生的。在月牙洼表面检测到Fe和Si元素,可以证实切屑中的材料一定程度被黏结到月牙洼表面并形成凸起点。从前面的分析可知,在月牙洼磨损形成过程中,刀具内部元素向切屑不断扩散的同时,也有部分切屑材料黏结到磨损表面。因此可以大致推测,使用硬质合金刀具在普通速度下加工碳钢时,黏结磨损和扩散磨损同时发生在前刀面的月牙洼磨损中。在以前的刀具磨损研究中,很多学者也认为在普通速度切削时黏结磨损和扩散磨损是刀具磨损的主要机理[5,6,7]。
3.1 磨损模型的建立
根据上述对普通速度切削磨损机理的分析,本研究将使用一个复合磨损模型,即同时考虑黏结磨损和扩散磨损,来确定普通速度切削中刀具前刀面的月牙洼磨损。本文将分别使用Usui的经验模型和Arrhenius法则来描述黏结磨损和扩散磨损。由于黏结磨损和扩散磨损在月牙洼磨损过程中同时发生,因此总磨损率
式中,σn为刀屑交界面上的法向应力,MPa;vs为切屑底层材料相对前刀面的滑动速度,m/s;Θ为刀屑交界面上的温度分布,K;K1、K2、K3、K4均为取决于刀具工件材料和切削条件的常系数。
由式(1)可知,根据磨损表面温度、压力和滑动速度的分布,就可以计算出磨损率。刀屑交界面的温度分布可以从有限元仿真中求得。压力σn和滑动速度vs在实验中是很难测量的,因此将使用两个分析模型来计算。
压力模型由一个幂函数来表达,如下式所示:
σn(x)=p0(1-x/Lc)η (2)
p0=(1+η)Fc/(wLc) (3)
式中,p0为刀尖处的法向应力;Lc为刀屑接触长度;x为被求解点与刀尖的距离;η为控制应力曲线的形状系数,根据经验,η=2是较为合理的选择。
Tay等[8]的切屑速度模型被用来计算刀屑接触区的相对滑动速度:
式中,vchip为切屑移动速度。
3.2 模型中系数的拟合
月牙洼磨损模型中的系数K1、K2、K3、K4需要通过实验拟合的方法来确定。图2和图3中的一组实验结果可以作为拟合数据。将整个月牙洼磨损轮廓划分成一些间距相等的离散点,等分间距为5μm。获取磨损轮廓上每一个离散点对应的月牙洼磨损深度、温度、法向应力和滑动速度值后,就可以进行数据的拟合。式(1)已经根据刀具前刀面磨损机理给出了回归方程,对实验和模型中获得的Θ、σn、vs和
式(5)是月牙洼磨损模型的回归分析结果:
图3比较了实验测量的月牙洼磨损轮廓和使用式(5)磨损模型计算的磨损轮廓。结果表明,磨损模型计算的月牙洼磨损轮廓与实验测量的磨损轮廓基本一致。但是,实验测量的磨损轮廓并不光滑,轮廓上分布一些凸起点。这是由于在黏结磨损中,材料的剪切发生在交界面的两侧,当剪切发生在切屑材料上时,切屑材料将被黏结在刀具表面形成凸起点。磨损模型考虑理想的黏结磨损和扩散磨损状态,并使用模拟的切削过程变量,因此获得了光滑的月牙洼磨损轮廓。
3.3 模型计算结果与分析
上述拟合所得的月牙洼磨损模型可以预测相似切削条件下的月牙洼磨损,结果如图6所示。预测结果表明,磨损模型能够大致预测出相似切削条件下的月牙洼磨损轮廓。在刀尖附近区域,预测的月牙洼深度稍大于实际值。实验结果表明,在刀尖附近区域,磨损表面上分布了很多凸起点,这是因为刀尖附近较大的压力导致了黏结磨损的发生,这些黏结材料阻碍了扩散磨损的进行,因此刀尖附近区域的月牙洼磨损深度较小。
4 结论
(1)提出的月牙洼磨损模型同时考虑了黏结磨损和扩散磨损,该模型建立了单位时间内月牙洼磨损深度与切削过程变量(温度、压力和速度)之间的关系。
(2)切削过程有限元仿真能够提供有效的刀屑交界面温度分布数据,本文使用的仿真技术能够应用到刀具磨损模型的拟合和预测中。应用回归分析方法可以计算出磨损模型中的系数。分析结果表明,该磨损模型可以大致预测出相似切削条件下月牙洼的磨损轮廓。
(3)切削过程的是一个非常复杂的热力耦合过程,在切削中很难通过单一的模型来预测所有加工特性和切削条件下的加工过程。本文的研究仅针对确定的刀具和工件材料组合以及小范围的切削条件,这是因为大的切削条件范围以及不同的刀具和工件材料组合将导致切削过程变量有较大的变化,磨损机理和磨损模型也将发生变化。笔者将对其他切削条件下的刀具磨损模型继续开展研究。
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