切削实验（共8篇）
切削实验 篇1
摘要：针对钛合金难加工特点,将液氮作为冷却介质直接喷向切削区进行钛合金TC4低温车削加工,测量其切削力、表面粗糙度和刀具磨损,并与干切削在相同实验条件下对比,分析低温切削对钛合金的影响。实验结果表明:低温切削钛合金,主切削力有所增大,但进给方向力减小,刀具磨损状况与表面质量得到改善,断屑相对容易。
关键词：钛合金TC4,液氮,低温切削,切削力
1 引言
钛合金具有比强度、比刚度高,且耐腐蚀,焊接性能好等特点,广泛用于飞行器结构材料。然而其导热性能低,化学活性高,加工难度大,限制了其应用范围,属典型的难加工材料。传统加工方法不能彻底解决钛合金难加工问题,使刀具磨损严重,加工质量无法保证,且切削液的大量使用对生态环境危害较大。故笔者进行了将液氮直接喷向切削区低温切削钛合金的实验研究,分析液氮冷却低温切削对钛合金的影响。
2 实验方案
实验设备:CK6136B数控车床,YDZ-100型自增压液氮罐,液氮喷射压力0.08MPa,流量0.6kg/min,DLF-4型电荷电压滤波积分放大器,YDC-Ⅲ89型压电式三向动态测力仪,TR240便携式表面粗糙度仪,读数显微镜,YM052硬质合金,γ0=5°;α0=7°;λs=0°。
实验方法:用两个同型号的刀片在相同的切削用量下进行干、低外圆车削实验,以保证实验的一致性。低温切削时首先将液氮喷向刀尖与工件接触区,以使刀具处于低温状态,然后进行切削实验。
3 实验结果分析
3.1 切削力测量及分析
工件材料、刀具及冷却方式一定时,影响切削力的主要因素有背吃刀量ap、进给量f、切削速度vc。现采用单因素法进行测量,分析三个方向的切削力随切削速度的变化规律。参数及结果如表1、图1。
分析影响效果图可知:
(1)液氮低温切削钛合金相比干切削,切削力Fz、Fy有所增加,但进给量方向力Fx下降。原因是低温脆性使得材料强度和硬度提高,主切削力和切深抗力增加,但液氮迅速气化带走大量热量减低了切削区的温度,使得粘结效应减小,摩擦系数减小,故进给力下降。
(2)干切削与低温切削两种情况下,切削力随切削速度的变化规律不同。
干切削状态,切削速度vc在30~60m/min主切削力Fz随切削速度的增大先减小后增大,切深抗力和进给力变化不大;这是由于钛合金切削时切削速度对切削力的影响包括切削温度和积屑瘤两方面。钛合金导热系数非常小,在切削区及切削刃附近产生的切削热不易散出,致使高温软化现象显著,故vc在30~50m/min时主切削力FZ随切削速度增大而减小;钛合金化学活性大,高温下易与气体发生化学反应,使得钛层硬度显著提升,在加上低速下塑性变形严重,使加工硬化取代高温软化作用成为主导因素,故在50~60m/min时,Fz随切削速度增大而增大,另一面也由于积屑瘤的产生与消失导致这一变化趋势。超过60m/min时,高温软化起主导作用且未形成积屑瘤,三个方向的切削力均随切削速度增加而减小低温状态下,切削速度增加,切削温度升高,工件材料强度和硬度下降,所消耗的切削功率减少,故切削力减小。
低温切削避免了积屑瘤的产生,防止因其不稳定造成刀具的磨损加剧,影响表面质量,这在精加工下是很有利的。
3.2 粗糙度测量及分析
表面粗糙度产生的原因可归为以下两方面:(1)几何因素所产生的粗糙度。主要取决于残留面积的高度。(2)切削过程不稳定因素所产生的粗糙度。如积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具边界磨损等。
粗糙度随切削速度的变化情况如表2、图2。
由图2可知,低温切削比干切削表面粗糙度值小;干切削:切削速度在50m/min左右时,粗糙度值最大,然后随切削速度继续增加而减小;低温切削:整个切削速度范围内粗糙度值随切削速度的增加而减小。
分析原因:干切削时,在50m/min左右切削钛合金易产生积屑瘤,影响表面质量,随着切削速度继续增加,高温软化起主导作用,不会产生积屑瘤,故表面粗糙度值降低;低温切削时,切削温度降低,使粘结现象不易发生,减小了工件材料的塑性变形,故表面粗糙度值减小。
(ap=1.25mm、f=0.25mm/r)
3.3 刀具磨损
切削过程中,刀具每切到一定程度就要测量其磨损值,该阶段可用切削时间衡量,也可用切削行程长度来衡量。考虑到钛合金干切削断屑困难,短时间易发生缠绕不易控制,采用切削行程来衡量刀具磨损。
切削行程长度值计算公式如式(1),切削用量:vc=60r/min,f=0.2mm/r,ap=0.75mm;
初值D=40mm,l=150mm;进行5次测量,测得磨损数据如表3。
其中:D-棒料直径;l-棒料切削长度。
由图3刀具磨损对比曲线可得知:
低温切削相比干切削钛合金时,后刀面的磨损状况得到较大改善,且随行程长度的增加趋势更加明显。液氮喷射在切削区,气化加快了切削热向外传导速度,从而降低了切削区的温度,且低温液氮降低了钛合金的塑性,减小切屑与刀具、刀具与工件的摩擦,从而减缓了刀具磨损。
3.4 断屑情况
图4为两种切削参数下的切屑图片。为避免刀具材料的不均匀性和刀具磨损带来的影响,采用干、低交替切削的方式进行。
从切屑形状对比图4可以看出:
切削速度较低时,干切削的切屑主要为较长缠绕屑,很容易缠绕在工件上,影响加工表面质量,低温切削主要为碎断切屑,切屑较短,断屑容易;切削速度较高时,干切削相比低温切削切屑积留在切削区,不易排出,断屑极其困难。试验中发现随切削速度的增加,干切削切削区切屑软化现象明显,有烧红的迹象且加工过程中噪声很大,影响切削顺利进行。低温切削则可以有效避免。分析原因:液氮具有较强冷却能力,钛合金冷硬现象严重,高温切屑遭遇液氮低温冲击突然冷却,降低了切屑的延展性,从而易断;此外,液氮喷射具有较强的冲击能力,这也是改善断屑情况的一个重要原因。
4 结论
钛合金液氮低温冷却切削相对于干式切削:(1)主切削力增大,但变化范围较小,且进给力有较大幅度减小,有利于提高工艺系统的稳定性,当切削速度超过60m/min时,这种变化趋势更加明显。(2)干切削时,切削速度在50m/min左右时会有积屑瘤产生,而液氮冷却低温切削有效地抑制积屑瘤的产生,减缓了刀具磨损,粗糙度值减小,表面质量得到改善。(3)断屑变得容易,低温切削时,切屑缠绕程度减轻,特别是切削速度超过80m/min时,干切削排屑变得困难,而低温切削仍然能够很顺利进行。
参考文献
[1]万宏强.低温切削技术及其应用研究[J].煤矿机械,2007,28(3):90-92.
[2]WANG Z Y.难切削材料的低温加工[J].国外金属加工,2001(2):1-8.
[3]李登万,陈洪涛.钛合金加工切削力试验研究[J].广西大学学报,2010,35(5):733-737
[4]HONGSY,etal.Frictionandcuttingforcesincryogenicmachiningof Ti-6Al-4V[J].Machine Tools&Manufacture,2001,41:2271-2285.
[5]李登万,陈洪涛.基于均匀设计法的钛合金切削参数优化试验研究[J].机械科学与技术,2011,30(5):689-692.
切削实验 篇2
摘 要：正确的选用切削液，可以提高金属切削的生产率，保证被加工材料的加工精度。不同的加工方法选用切削液的种类与方法不同，了解不同加工方法的切削液选用，能保证加工过程持续有效的进行。
关键词：切削加工 切削液 选用
在金属切削过程中, 为提高切削效率、工件精度和降低工件表面粗糙度 , 延长刀具使用寿命, 达到最佳的经济效果 , 就必须减少刀具与工件、刀具与切 屑之间磨擦 , 及时带走切削区 内 因 材 料 变 形 而产生的热量。要达到这些目的, 一方面是通过开发高硬度耐高温的刀具材料和改进 刀具 的 几 何 形 状 , 而 另 一 方 面 采 用 性 能 优 良 的 切(磨)削液往往可以明显提高切削效率, 降低工件表面粗糙度, 延长刀具使用寿命, 取得良好的社会和经济效益。
在机械加工中切削液的主要功能是润滑和冷却作用 , 加入特殊添加剂后 还 可 起 到 清 洗 和 防锈的作用, 用于保护机床, 刀具及工件等物件不被腐蚀。我们在机械加工中 , 常用的切削液有:水溶液、普通乳化液、极压乳化液、矿物油、植物油、动物油、极压切削油等。其中 , 水溶液的冷却效果最好 , 极压切削液的润滑效果最好,下面本文就针对于常用的金属切削方法切削液的选用进行探讨。
一 车削时切削液的选用
车削加工时最常用的一种切削加工方法，粗车时加工余量较大，因而切削深度和进给量都较大，切削阻力大，产生大量切削热，刀具磨损也较严重，主要应选择用以冷却作用为主并具有一定清洗、润滑和防锈作用的水基切削液，将切削热及时带走，降低切削温度，从而提高刀具耐用度，一般选用极压乳化液效果好。极压乳化液除冷却性能好之外，还具备良好的极压润滑性，可明显延长刀具使寿命，提高切削效率，使用水基切削液要注意机床导轨面的保养，下班前要将工作台上的切削液擦干，涂上润滑油。精车时，切削余量较小，切削深度只有0.05~0.8mm，进给量小，要求保证工件的精度和粗糙度。精车时由于切削力小，温度不高，所以宜采用高浓度（10％以上）的乳化液和含油性添加剂的切削液为宜。对于精度要求很高的车削，如精车螺纹，要采用菜籽油、豆油划其他产品作润滑液才能达到精度要求。正如上面所提到的，由于植物油稳定发差，易氧化，有的工厂采用了精密切削润滑剂全损耗系统用油作为精密切削油，效果很好。
二、铣削时切削液的选用
铣削是最常用的平面加工方法，铣削是断续切削，每个刀齿的切削深度时刻变化，容易产生振动和一定和冲击力，所以铣削条件比车削条件差。用高速刀具高速平铣或高速端铣时，均需要冷却性好，并有一定润滑性能的切却液，如极压乳化液。在低速铣削时，要求用润滑性好的切削油，如精密切削油和非活性极压 油。对不锈钢和耐热合金钢，可用含硫、氯极压添加剂的切削油。
三、铰削
铰削加工是对孔的精度加工，要求精度高铰削属低速小进给量切削，主要是刀具与孔壁成挤压切削，切屑碎片易留在刀槽或粘接在刀刃边上，影响刃带的挤压作用，破坏加工精度和表面粗糙度增加切削扭矩，还会产生积屑瘤，增加刀具磨损铰孔基本上属于边界润滑状态，一般采用润滑性能良好并有一定良好性的高浓度极压乳化液或极压切削油，就可以得到良好效果。对深孔铰削，采用润滑性能 好的深孔钻切削油便能满足工艺要求
四、拉削
拉削是加工内表面的效率较高的加工方法，拉削时拉刀沿着轴线方向按刀刃和齿升并列着众多刀齿的加工工具，拉削加工的特点是能够高精度地加工出具有复杂形状的工件。因为拉刀是贵重刀具所以刀具耐用度对生产成本影响较大。此外，拉削是精加工，对工件表面粗糙度要求严格。拉削时，切削阻力大，不易排屑，冷却条件差，易刮伤工件表面，所以要求切削液的润滑性和排悄性能较好。国内已有专用的含硫极压添加剂的拉削油。
五、钻孔
使用一般的麻花钻钻孔，属于粗加工，钻削时排屑困难，切削热不易导出往往造成刀刃退火，影响钻头使用寿命及加工效率。选用性能好的切削液，可以使钻头的寿命延长数倍甚至更多，生产率也可明显提高。一般选用极压乳化液或极压合成切削液。极压合成切削液表面张力低，渗透性好，能及时冷却钻头，对延长刀具寿命，提高加工效率十分有效。对于产锈钢、耐热合金等难切削材料，可选 用低粘度的极压切削油。七磨削加工
磨削加工能获得很高尺寸精度和较低的表面粗糙度。磨削时，磨削速度高发热量大，磨削温度可高达800~1000℃，甚至更高，容易引起工件表面烧伤和由于热应力的作用产生表面裂纹及工件变形，砂轮磨损钝化，磨粒脱落，而且磨屑和砂轮粉末易飞溅，落到零件表面而影响加工精度和表面粗糙度，加工韧性和塑性材料时，磨屑嵌塞在砂轮工作面上的空隙处或磨屑与加工金属熔结在砂轮表面上，会使砂轮失去磨削能力，因此，为了降低磨削温度，冲洗掉磨屑和砂轮末，提高磨削比和工件表面质量，必须采用冷却性能和清洗性能良好、并有一定润滑性能和防锈性能的切削液。六 磨削加工 1普通磨削
可采用防锈乳化液或苏打水及合成切削液，对于精度要求和精密磨 削，使用精磨液可明显提高工件加工精度和磨削效率 2.高速磨削
通常把砂轮线速度超过50m/s的磨削称为高速磨削。当砂轮的线速度增加时，磨削温度显著升高。从试验测定，砂轮线速度为60m/s时的磨削温度（工作平均温度）比30m/s高约50％~70％；砂轮线速度为80m/s时，磨削温度比60m/s时又高15％~20％。砂轮线速度提高后，单位时间内参加磨削的磨粒数增加，摩擦作用加剧，消耗能量也增大，使工件表层温度升高，增加表面发生烧伤和形成裂纹的可能性，这就需要用具有高效冷却性能的冷却液来解决，所以在高速磨削时，不能使用普通的切削液，而要使用具有良好渗透、冷却性能的高速磨 削液，才能满足线速度60m/s的高速磨削工艺要求。3.强力磨削 这是一种先进的高效磨削工艺，例如功入式高速强力磨削时，线速度为60m/s的砂轮以每分钟3.5~6mm左右有进给速度径向功入，功除率可高达20~40mm3/mm.s，这时砂轮磨粒与工件摩擦非常剧烈，即使在高压大流量和条件下，所测到摩擦区工件表层温度范围达700~1000℃，如果冷却条件不好，磨削过程就不可能进行。在功入式强力磨削时，采用性能优良的合成强力磨削液与乳化液相比，总磨量提高35％，磨削比提高30％~50％，延长正常磨削时间约40％，降低功率损耗约40％，所以强力磨削时，冷却液的性能对磨削效果影 响很大。
切削实验 篇3
切削力是描述切削过程的重要参数,对于机床设计、切削参数选择以及加工过程的在线监测与控制等都具有重要意义。切削力测试仪种类主要有:电感式、电容式、电阻应变式以及压电测力仪等。其中,电感式及电容式测力仪由于安装困难,应用较少。压电式测力仪固有频率较高、响应快,但结构较为复杂,且比较昂贵。传统的应变式测力仪由于惯性大,系统固有频率较低,通常只能用于静态力的测量。
弹性敏感元件是测力仪的核心部件,对测试仪的动态性能有重要影响,针对不同形式的敏感元件,近年来国内外学者开展了大量研究工作。Korkut[1]开发了基于八角环弹性元件的静态切削力测试系统。张铁等人[2]设计了双弹性环结构的车削力测试仪。王娟等人[3]分析了车削力测试仪弹性元件的动力学特性。Karabay[4]设计了基于环状弹性元件的测力仪,并针对钻削、车削、磨削等工况给出了应变片的布置方法。Suleyman等人[5,6]分析了由4个环形敏感元件构成的切削力测试系统的固有频率。Qin等人[7]开发了基于双弹性半环槽敏感元件的轴向力传感器。
为了满足动态测量的要求,本研究开发基于压电式应变传感器的切削力测试实验装置;为有效提高切削力测试系统的固有频率,本研究通过有限元软件分析敏感元件的应变分布及固有频率,进行装置的结构设计,并通过切削试验验证测试装置的动态性能。
1 测试装置的动态特性
测试装置的动态特性是指系统对于随时间快速变化的输入量表现出的响应特性,是评价系统性能优劣的重要指标之一。动态特性好的测力仪,可以快速准确地再现被测切削力随时间变化的规律,实现动态测量。考虑测力仪安装在刚性底座上的情况,本研究将测力仪简化为一个2阶测试系统,如图1所示。
该系统包含集中质量为m,刚度为k的弹簧,及阻尼系数为c的阻尼器的动力学模型。将切削力F(t)作为系统的输入,质量块的位移x(t)视为系统的输出,可建立系统动力学微分方程:
令s=jω,对方程两边作拉普拉斯变换,可得:
则系统的传递函数H(s)可以表示为:
式中:S—系统静态灵敏度,S=1/k,通常取常数。
得到系统的动态灵敏度为:
由式(5)可知:系统固有频率ω0越高,则系统的工作频率ω范围越宽,系统响应达到稳态的时间越短,则测试装置的测试误差越小,其动态性能越好。测力仪的阻尼比[ξ]一般小于0.05。由式(5)可得,当底座刚度较好,且被测切削力变化频率在系统固有频率20%以下时,测试装置的测试误差可小于5%。
2 敏感元件的结构设计
2.1 有限元模型的建立
本研究通过有限元分析,兼顾测力仪的灵敏度与固有频率,选取了合理的结构参数,设计了敏感元件。该模型上部为外径120 mm、厚度12 mm的安装工件用的法兰盘。为提高装夹刚度,本研究取连接机床工作台的法兰盘厚度为30 mm,并且在其侧面加工出夹持平面。薄壁圆筒内径为85 mm,壁厚为1.5mm,高度为45 mm,材料为40 Cr,弹性模量E为210GPa,泊松比为0.33,密度为7 800 kg/m3。
敏感元件的三维结构示意图如图2所示。
本研究将三维实体模型以IGES通用格式导入Hyper Mesh网格划分软件,采用Solid45单元对薄壁圆筒进行网格划分。该单元具有二次迭代的特性,适用于划分不规则网格的模型。本研究对有应力集中的过渡圆角及安装孔附近的网格进行局部细化处理,所建立的敏感元件的有限元模型如图3所示。该模型包含7 142个网格节点、24 697个单元。
2.2 应变分布规律分析
应变式测力仪工作时,通过应变片测量弹性元件在切削力作用下发生的机械变形,从而可获得被测切削力信息。为了得到铣削力与薄壁圆筒应变的对应关系,为传感器的布置提供依据,本研究不断改变作用力的大小和位置,并对薄壁圆筒进行了应力分析。
在上端面靠近圆环边缘处同时施加X、Y、Z方向的200 N集中力时的应变云图如图4所示。其中,最大应力约为2.9 MPa,出现在薄壁圆筒两安装平面对称面上,此时的最大变形量为1.56μm。按照应力分析结果,在薄壁圆筒应变显著位置加工出宽度为6mm的纵向平面,粘贴应变传感器。
2.3 有限元模态分析
本研究运用ANSYS软件对敏感元件进行了模态分析,对薄壁圆筒下安装法兰的侧面施加约束,与实际测试中的约束条件相一致。
本研究采用分块兰索斯法计算敏感元件的固有频率及振型,敏感元件的有限元模态分析结果如表1所示。
表1分析结果显示,敏感元件的1阶固有频率较高,达2 921.6 Hz,可以满足切削力测试的要求。
薄壁圆筒前4阶振型如图5所示。1阶振型表现为薄壁圆筒的左右摆动,如图5(a)所示;2阶振型为上法兰盘的弯曲振动,如图5(b)所示;3阶振型表现为弯曲振动,如图5(c)所示;4阶振型表现为薄壁圆筒上部的扭转振动,如图5(d)所示。振型图显示,测力仪底座刚度较大,变形量小。
3 切削力测试实验装置设计
本研究选用740B02传感器,将其粘贴在薄壁圆筒上,以测量敏感元件的表面应力变化过程。740B02动态应变传感器灵敏度为50 m V/με,分辨率达0.6 nε,具有较高的精度和快速响应能力。传感器重量仅为0.5 g,具有0.5 Hz~100 k Hz的超宽频率响应范围,对系统的动态特性影响较小,因此系统的固有频率主要由敏感元件决定。
基于740B02压电式动态应变传感器,本研究开发了包含DH5863电荷放大器、PXI-6254数据采集卡以及计算机的切削力测试实验装置,通过使用DH5863电荷放大器完成测试信号的前端调理工作。切削力信号经电荷放大器和采集速率为1.25 Mb/s的美国NI公司PXI-6254数据采集卡,再通过传输速率100 Mb/s的以太网线传输至安装有测试软件的计算机,最后进行测试数据的记录与分析。
4 切削试验验证
为验证切削力测试装置的性能,本研究构建了由加工中心、刀具、待加工工件和测试装置等组成的切削试验平台,并对三方向铣削力数据进行采集与分析,如图6所示。
本研究采用V50-C1四轴立式加工中心,使用硬质合金两刃球头铣刀,以硬度为36 HRC的45#钢作为实验对象,进行干式铣削试验,铣削方式为顺铣。工件尺寸为100 mm×80 mm×40 mm。实验前工件各表面均经过磨削加工,以减小由于工件表面粗糙度过大导致的测试误差。测力仪安装底座通过螺栓固定在机床工作台上,待加工工件通过螺栓固定在测力仪上端面。切削测试现场如图7所示。
铣削参数为:主轴转速2 000 r/min,进给速度1 300 mm/min。轴向切深0.15 mm时的X、Y、Z方向铣削力信号如图8所示。
由图8可见:X方向切削力在-70 N~150 N区间内周期性变化,Y方向切削力变化区间为-130 N~90N,Z方向切削力的变化区间为10 N~170 N;其中,X、Y方向切削力峰峰值为220 N,Z方向铣削力峰峰值为160 N。由切削力时间波形可见,切削力变化周期约为0.03 s,与刀具旋转周期一致。所测得的切削力值呈现周期性变化特征,符合铣削力随着刀具旋转周期性变化的规律,且波动较为平稳,较好地反映了切削力变化的时间历程。
切削试验结果表明,该测力仪性能良好,有较好的动态响应特性,适合于主轴转速较低情况下的切削力实时测量。
5 结束语
本研究通过对敏感元件的大量有限元分析,合理选择了敏感元件的结构参数,进行了薄壁圆筒的结构设计,开发了基于动态应变传感器的切削力测试实验装置。
本研究通过45#钢切削试验,证明了开发的测力仪具有结构简单、工作可靠、机械阻抗大等优点,且动态响应特性良好,可以满足较低主轴转速条件下切削力动态测试的要求。
摘要：为了提高应变式切削力测试装置的动态性能,建立了测试装置的动力学方程,利用有限元软件分析了敏感元件的应变分布规律,并进行了装置的结构设计;开发了包含740B02压电式应变传感器、DH5863电荷放大器和PXI-6254数据采集卡的实验装置,通过测量敏感元件的应变,实现了切削力的动态测试。切削实验结果表明,该测试装置结构简单、动态特性较好,适用于较低转速下的切削力实时测量。
关键词：测力仪,切削力测试,有限元分析,应变传感器
参考文献
[1]KORKUT I.A dynamometer design and its construction for milling operation[J].Materials and Design,2003,24(8):631-637.
[2]张铁.三向压电式车削测力仪的性能研究与结构设计[D].大连:大连理工大学机械工程学院,2007:35-38.
[3]王娟,徐宏海,白传栋.基于ANSYS的三维动态切削测力仪模态分析[J].北京工商大学学报:自然科学版,2008,26(6):18-20.
[4]KARABAY S.Design criteria for electro-mechanical trans ducers and arrangement for measurement of strains due to metal cutting forces acting on dynamometers[J].Materials and Design,2007,28(2):496-506.
[5]SULEYMAN Y,UNSACAR F.A dynamometer design for measurement the cutting forces on turning[J].Measure ment,2006,39(1):80-89.
[6]SULEYMAN Y,UNSACAR F.Design,development and testing of a four-component milling dynamometer for the measurement of cutting force and torque[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2007,21(3):1499-1511.
切削实验 篇4
随着材料科学、微电子技术等各领域高科技的迅速发展,机械制造技术已从精密加工发展到超精密加工,切削厚度已达到纳米量级。纳米加工在加工方式和机理方面所出现的重大变革,将引起材料加工表面的机械、冶金、物理、化学或其他方面的性能发生变化[1]。因而,宏观的切削加工方式和切削机理已不再适用微观切削加工。然而,由于尺寸效应和表面效应的影响,当微机械、微构件尺度减小到纳米量级,表面力相对于体积力增大近千倍,因而与表面相关的摩擦力、粘性阻力和表面张力等对系统的影响比与体积相关的惯性力和电磁力的影响更加显著[2,3],表面力成为影响系统性能的关键因素。因此,有必要对纳米尺度下材料表面的切削性能进行实验研究,为微机械、微构件的加工制造提供实验基础和理论。
单晶铜材料是制作微机械、微构件常用的材料,具有良好的信号传输、塑性加工和抗疲劳等性能,广泛应用于国防精密仪器、民用通信设备等领域。另外,由于单晶铜材料原子沿不同晶向排列的周期性和疏密程度不同,导致单晶铜的力学性能呈现各向异性,如硬度、刚度、压电性质、光学材料、 磁学性质及热学性质等。对单晶铜材料进行纳米机械加工时,因单晶铜材料不同取向上原子排 布以及间 距上存在 差异,不同的晶体取向切削行为和切屑的形成机理方面具有很大的差异[4]。目前,针对单晶铜纳米切削机理研究较多,梁迎春教授等[5]建立了单晶Cu纳米切削的三维分子动力学模型,研究了不同切削厚度下纳米切削过程中工件切削结构和应力分布的规律。H.M.Pen等[6]利用多尺度方法对单晶铜纳米切削进行了模拟,通过对切削力、切屑的形态、产生以及加工表面的缺陷和残余应力的分析,得出单晶铜的晶体取向和切削方向在加工过程中对工件材料的变形机制有显著影响。材料的性能直接影响材料变形行为,且对单晶铜材料在微纳米尺度下的各向异性切削特性 实验研究 相对较少,因此,有必要研究单晶铜材料在微纳米尺度下的表面切削特性行为。
本实验利用纳米压痕仪和原子力显微镜,在不同载荷和刻划速度下,对单晶铜Cu(100)、Cu(110)、Cu(111)三种晶向下的表面进行纳米刻划实验,以研究单晶铜在不同载荷和刻划速度下的各向异性切削行为,通过研究单晶铜在不同条件下的切削特性,为微机械、微构件的制造加工提供理论依据。
1微纳米尺度单晶铜切削特性实验理论基础
在微纳米尺度下进行纳米刻划实验,对金刚石探针施加一定的法向载荷,压入试件的表面,并使装有试件的样品台沿水平匀速运动。金刚石压头和试件表面滑动接触示意图如图1所示。
当对探针施加的法向载荷大于试件的硬度值时,试件的表面会产生一定的塑性变形,法向载荷越大,塑性变形越严重,此时探针会在试件表面进行划痕实验,会发现试件表面的划痕呈沟槽状,沟槽的深度随法向载荷的增加而增大。
在纳米刻划实验过程中,纳米压痕仪可以给出切削作用力(侧向力)、法向载荷及摩擦系数等参数随刻划距离、时间连续变化的数据。在不同法向载荷、刻划速度下,作出切削作用力-位移曲线,研究单晶铜在不同晶向设置下的切削特性。
2纳米刻划实验过程
2.1实验设备
纳米刻划实验设备采用美国Aglient公司生产的Nano indenter G200纳米压痕仪,其负载分辨率10nN,位移分辨率小于0.01μm,压头采用曲率半径为50nm的Berkovich金刚石探针;划痕结束 后,采用Veeco公司生产 的Dimension3100原子力显微镜表征单晶硅各晶面的划痕形貌,其Z方向的分辨率小于0.05nm,XY方向±2nm定位精度。
2.2单晶铜试件准备及实验条件
单晶铜试件,合肥科晶材料技术有限公司制备。在制备过程中,对试件进行单面化学抛光,即一面较亮,一面较暗, 选择亮面进行实验,其表面粗 糙度小于100 ,长、宽为10 mm,厚度为1mm。如果表面有污,用丙酮、醇溶液或其他合适的溶液分别清 洗去污。选取3种不同的 单晶铜晶 向Cu (100)、Cu(110)、Cu(111)试件,分别对其进行刻划实验。探针的刻划速度分别为10μm/s、50μm/s、100μm/s,法向载荷分别为500μN、5mN、50mN。实验环境控制在(23±5)℃, 相对湿度低于5%,室内尽量保持安静,减少人员走动,以减少周围环境引起的振动影响。
3结果及分析
3.1单晶铜(100)晶向的切削特性分析
通过划痕仪上的传感器可以测得划痕过程中位移和切削作用力的数据,首先考虑切削速度对单晶铜(100)晶向切削特性的影响。图2为Cu(100)在法向载荷5mN下刻划速度10μm/s、50μm/s、100μm/s时的切削力-位移曲线。0~ 10μm和60~70μm之间分别是探针准备接触压入和脱离的阶段,10~60μm是接触刻划阶段。从图2中可以看到,加载到5mN以后开始滑动,切削力迅速增大并发生了波动,其主要原因是聚集在单晶铜晶格中的应变能超过其结合键的临界值,晶格破坏,应变能释放,从而引起力的波动。
从图2中可以看出滑动速度为100μm/s时,切削力明显大于滑动速度10μm/s、50μm/s时的切削 力,且波动较 小。滑动速度为10μm/s、50μm/s时的切削力及波动大小并无明显差别。
考虑同一种刻划速度不同载荷对单晶铜(100)晶向切削特性的影响,如图3所示。图3为Cu(100)在刻划速度100 μm/s下法向载荷500μN、5mN、50mN时切削作用力-位移曲线及局部放大图。
从图3可以看到,载荷的大小对切削力有显著的影响。 随着载荷的增大,切削力也 显著增加。在刻划位 移40μm处,载荷为500μN时切削力 为0.123 mN,摩擦系数 为0.246;载荷为5 mN时切削力 为1.637 mN,摩擦系数 为0.327;载荷为50mN时切削力为23.527 mN,摩擦系数为0.471。这表明随着载荷的增大,切削力、摩擦系数越大,但并非呈线性增长。
3.2单晶铜(110)晶向切削特性分析
同单晶铜(100)晶向的切削特性分析一样,来分析单晶铜(110)晶向的切削特性。通过划痕仪上的传感器可以测得划痕过程中位移和切削作用力的数据,首先考虑切削速度对单晶铜(110)晶向切削特性的影响。图4为Cu(110)在法向载荷5mN下刻划速度10μm/s、50μm/s、100μm/s时的切削作用力-位移曲线。
从图4可以看到,滑动速度为100μm/s时,切削力明显大于滑动速度为10μm/s、50μm/s时的切削力;滑动速度为10μm/s时的切削力波动较大,在滑动位移为29.35nm时大于滑动速度50μm/s的切削力,其余滑动位移下均小于滑动速度50μm/s的切削力。总体而言,滑动速度越大,切削力越大。通过与Cu(100)在法向载 荷5 mN下刻划速 度10 μm/s、50μm/s、100μm/s时的切削作用力-位移曲线对比, 可以看出,同等速度下,Cu(110)晶向设置下的切削力均大于Cu(100)晶向设置下的切削力。
考虑同一种刻划速度不同载荷对单晶铜(110)晶向切削特性的影响,如图5所示。图5为Cu(110)在刻划速度100 μm/s下法向载荷500μN、5mN、50mN时的切削作用力-位移曲线及局部放大图。
从图5可以看到,随着载荷的增大,切削力也显著增加。 在刻划位移40nm处,载荷为500μN时切削力 为0.141 mN,摩擦系数为0.282;载荷为5 mN时切削力 为1.843 mN,摩擦系数为0.369;载荷为50 mN时切削力为20.541 mN,摩擦系数为0.411。通过与单晶铜Cu(100)晶向设置下的切削力相比,可以看出在载荷为500μN、5mN时,单晶铜Cu(110)晶向均大于Cu(100)晶向设置下的切削力,但在载荷为50mN时,Cu(110)晶向却低于Cu(100)晶向设置下的切削力。
3.3单晶铜(111)晶向切削特性分析
通过划痕仪上的传感器可以测得划痕过程中位移和切削作用力的数据,首先考虑切削速度对单晶铜(111)晶向切削特性的影响。图6为Cu(110)在法向载荷5mN下刻划速度10μm/s、50μm/s、100μm/s时的切削作用力-位移曲线。
从图6可以明显看到,随着切削速度的增大,其相应的切削力也增大,而且刻划速度越小,切削力的波动越大。随着刻划速度的增加,切削力趋于稳定。这与单晶铜Cu(110) 晶向设置下切削特性取得较好的一致性。
考虑同一种刻划速度不同载荷对单晶铜(111)晶向切削特性的影响,如图7所示。图7为Cu(111)在刻划速度100 μm/s下法向载荷500μN、5mN、50mN时切削作用力-位移曲线及局部放大图。
从图7可以看到,随着载荷的增大,切削力显著增加,摩擦系数也增加。在刻划位移40nm处,载荷为500μN时切削力为0.0506mN,摩擦系数为0.101;载荷为5mN时切削力为1.745mN,摩擦系数为0.349;载荷为50mN时切削力为20.108 mN,摩擦系数为0.402。在同等载荷下,单晶铜Cu(111)晶向设置下的切削力均小于单晶铜Cu(110)晶向设置下的切削力。
为了更加直观了解载荷对单晶铜各向异性表面切削特性的影响,图8给出了不同法向载荷下单晶铜表面划痕的微观形貌图。
法向载荷从右向左依次增大,由图8可见,在较低载荷作用下,单晶铜表面划痕细小且不明显。随着载荷的逐渐增大,划痕逐渐变宽,并形成明显的沟槽,在划痕的两侧出现明显的侧流现象,探针前方出现明显的切屑堆积,尤其单晶铜Cu(100)切屑堆积比较明显。这主要是因为随着载荷的增大,晶体表面发生明显的塑性变形,导致单晶铜表面形成侧流现象以及探针前方切屑堆积。
4结论
(1)在载荷5 mN,刻划速度 为10μm/s、50μm/s、100 μm/s的条件下,3种不同晶向设置下的单晶铜表现出不同的切削特性。单晶铜Cu(100)在刻划速度为10μm/s、50μm/s时,切削力无明显变化规律,其余两晶向都是在同等载荷下, 刻划速度越大,切削力越大。随着刻划速度的增大,切削力趋于稳定。
(2)在刻划速度100μm/s,载荷500μN、5 mN、50 mN的条件下,单晶铜各晶向设置下,载荷越大,切削力越大,其相应摩擦系数也增大。通过比较,单晶铜Cu(110)在同等条件下,切削力最大,其余两晶向则无明显规律。
(3)单晶铜各晶面表面在较低载荷下,划痕细小且不明显。随着载荷的逐渐增大,划痕逐渐变宽,并形成明显的沟槽,在沟槽的两侧出现明显的侧流现象,探针前方出现切屑堆积,尤其单晶铜Cu(100)切屑堆积比较明显。
摘要：利用纳米压痕仪和原子力显微镜对微纳米尺度下单晶铜各向异性表面在不同载荷和刻划速度下的切削特性进行实验研究。结果表明:单晶铜各晶面表面在较低载荷下,划痕细小且不明显。随着载荷的逐渐增大,划痕深度和宽度逐渐变大,并形成明显的沟槽,在沟槽的两侧出现明显的侧流现象,探针前方出现切屑堆积,尤其单晶铜Cu(100)切屑堆积较明显;单晶铜Cu(100)在刻划速度为10μm/s、50μm/s时,切削力无明显变化规律,其余两晶向都是在同等载荷下,刻划速度越大,切削力越大。随着刻划速度的增大,切削力趋于稳定;载荷越大,切削力越大,其相应摩擦系数也增大。
切削实验 篇5
一、原实验存在的问题和改革目标
原先设置的“数控加工编程”实验隶属于理论课程, 实验内容简单, 学生以观摩为主, 缺少主动参与的机会, 属于验证性实验, 学生普遍积极性不高, 甚至小部分学生只是迫于学时安排走走过场, 达不到预期的教学效果。在此背景下, 机械工程专业实验中心以大连交通大学2010版培养方案为指导, 依托学校的现有实验条件, 对原实验进行了大胆的改革, 力求满足新版培养方案的要求和人才培养的需要。将之由隶属于理论课程的地位提升为独立的实验课, 补充实验内容, 优化实验方案, 随之其实验性质也由验证性自然而然地上升为综合性, 并更名为《数控机床计算机编程及切削加工》实验, 该实验包含了“机械制造基础”、“机电传动控制”、“数控技术与编程”等专业基础课程的内容, 并将设计、工艺、刀具、编程、数控、实际加工等知识有机结合在一起, 能够真正体现“综合”的特点, 力争达到既能让学生加深对相关课程内容的理解, 又能够体会各门知识之间的交融贯通, 同时锻炼和提高学生的动手能力的目的。
二、采用直观方式激发学生的学习兴趣
《数控机床计算机编程及切削加工》是一门理论与生产实际紧密联系的实验课, 其目的就是让学生通过实验课, 初步掌握一个待加工零件从图纸到产品成型的整个数控加工过程。整个实验过程中涉及到的专业知识很多, 如《机械制图》、《机械制造》、《PRO/E造型设计》、《PRO/E数控加工》、《机械加工工艺学》及《加工中心的操作》等, 尽管这些课程之前学生几乎都已经学过, 但掌握的都是各门课程的独立的知识, 如何在一个具体的实验过程中将这些知识内容综合运用, 并完成一个完整的加工过程, 对学生来说既是一个从未有过的尝试, 也是一个具有相当难度的挑战。因此, 要想达到既定的实验目标, 就要求对实验课进行精心设计和悉心指导。在实验开始之初, 指导教师给学生用PPT展示一些三轴、五轴数控加工复杂零件的实例, 通过数控加工的VCR, 一是让学生对数控加工有一个感性的认识, 二是 (也是更重要的) 让学生对数控加工技术产生强烈的好奇心。很多学生提出:就我们所学的知识能做得到吗?当听到指导教师肯定的答复后, 学生们脸上便会涌现出兴奋的神情, 跃跃欲试, 急于上手去取得“成就”, 这样激发的兴趣为实验效果提供了切实的保障。
三、让学生参与的具体实验内容
为了充分体现理论与实践的紧密联系, 在实验内容的安排上, 选择了不同企业生产的多个实际产品, 作为学生的实验操作对象, 并要求该产品具有一定的难度, 如某阀门厂生产的阀体、阀盖的模具等。做到在实验开始前, 组内每个学生各自拥有不同结构形状、不同尺寸的工程样图, 作为实验的原始依据。这样可以保证每个学生都有自己独立的实验部分, 也就是保证了实验课的效果。下面就一个学生所作的一个完整实验为例进行简单说明。第一步:给出待加工的模具零件样图, 分析零件图, 了解零件的各部分的结构及尺寸。第二步:根据零件图用PRO/E进行三维实体造型设计。第三步:在PRO/E环境中, 进行模具设计。第四步:编制加工程序进行模拟加工。第五步:利用实验中心的数控加工中心加工进行实际加工。包括:进行零件加工程序的传输;装卡毛坯, 建立工件坐标系;启动机床, 完成零件加工;检验零件的尺寸精度等。为节省篇幅, 在此略去用分型面分割体积块三维图、模具爆炸图、仿真加工图和数控加工编码等。
四、《数控机床计算机编程及切削加工》实验课改革采用的多种教学形式
在实验内容进行改革的同时, 在实验形式的改革上, 专业实验中心也进行了有益的探索, 如在实验中加入了开放式、远程式、模拟操作系统仿真加工等多种实验方式。由于实验内容丰富充实, 并且有一定的难度, 因此在实验课规定时间内, 学生很难将实验内容全部完成, 实验中心采取的方式就是在实验课之外的时间对学生开放实验室, 以便学生有充分的时间和条件完成实验任务, 既保证了实验课的质量, 又有效地提高了实验室现有资源的利用率。同时, 还采用远程教学方式, 学生可以不必身临现场, 将出现的问题直接在网上与实验教师进行沟通, 并能够将加工程序直接传输到加工中心进行加工操作。另外, 为了更好地指导每个学生进行实际操作, 加工中心配置了四台HASS系统的模拟操作系统, 在软件仿真加工的基础上, 再进行加工中心的模拟操作, 这样便可以在确保无误的情况下, 由加工中心加工出自己设计的产品对象。
五、实验效果
在整个实验过程中, 要求学生自己参与动手操作的内容繁多, 如用PRO/E软件设计造型、制订生产加工工艺路线、选择合适的刀具、仿真加工、实际加工操作等, 涉及到的知识面广、知识点多, 对于没有实际工程背景的学生来说, 的确是一个挑战。为完成实验任务, 学生需要去回顾以往学过的各个知识点, 并思考如何将之有机结合, 以便解决实际遇到的问题。可以说, 《数控机床计算机编程及切削加工》实验课已成为一门理论与实践相结合、动手与动脑相结合、发现问题与解决问题相结合的课程, 有助于培养和提高学生的实践能力、综合能力和创新能力, 不仅让学生产生一定的成就感和自信心, 而且也让他们对自己所学的专业产生浓厚的兴趣和自豪感。正如有许多同学在实验报告中写到的那样, 希望今后在机械工程及自动化专业上能有所作为。
参考文献
[1]曾红, 李卫民, 李铁军.机械工程实验教学的改革与实践[J].辽宁工业大学学报 (社会科学版) , 2008, 10 (5) :105-107, 127.
[2]毛瑞卿, 马西良.《数控加工工艺与编程》课程的教学实践与探索[J].科技资讯, 2008, (35) :181.
[3]吕宜忠, 宋英超.《数控加工与编程》课程教学改革探索[J].科技创新导报, 2011, (22) .
切削实验 篇6
1 高速切削技术介绍
高速切削技术是建立在高速主轴与快速进给系统, 高性能控制技术, 高性刀具材质及刀具制造系, 高速切削机理等制造技术制造技术全面发展的基础上综合而成的, 高速切削技术在切削原理上是对常规切削的重大突破, 在切削加工工艺安排、切削用量选择及刀具应用等方面有较大的特殊性, 普通切削工艺及传统刀具不能满足高速切削技术要求。它需要刀具材料性能显著改善, 以及新型刀具材料和涂层工艺的开发和推广应用, 性能更耐磨、更可靠, 价格相对低廉的刀具材料成为发展高速切削的可靠保证。该技术也要求数控机床的主机结构和数控系统具备了更高的刚性、更快的运动速度和精度。
2 硬态切削技术应用研究
硬态切削是高速切削技术的一个应用领域, 它是指用车床使用单刃或多刃刀具来加工淬硬材料 (54-63HRC) 零件的一种加工方法。, 这种加工通常是作为最终加工或精加工, 它比传统的磨削加工有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点, 已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车业, 用CBN刀具加工20Cr Mo5淬硬齿轮 (60H RC) 内孔, 代替磨削, 表面粗糙度可达0.22μm, 已成为国内外汽车行业推广的新工艺。
淬硬钢是一类较难加工的材料, 它通常指淬火后具有马氏体组织, 硬度高, 强度也高, 几乎没有塑性的工件材料。其硬度可高达50-65HRC, 主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等。由于其典型的耐磨结构, 淬硬钢被广泛用于制造各种要求高硬度和高耐磨性的基础零部件, 淬硬钢工件的表面也比较光亮, 能达到磨削加工的效果。随着超硬刀具材料——陶瓷和PCBN性能的提高和价格的调整, 解决了淬硬零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾, 使得更经济地切削加工淬硬钢成为可能。在德国等发达国家的汽车工业中, 多种轴类、套类零件大多采用硬车工艺代替磨削, 收到了良好效果, 因此在发达国家硬车技术已率先被普遍应用。
硬车技术是硬态切削技术的典型应用, 和普通车削相比在相同条件下, 硬车的切削力会增加70%以上, 切削所需功率也相应增加。硬车出现较大的切削力, 这就要求机床本身具备较高的刚性。切削用量选择是否合理, 对切削影响很大, 工件材料硬度越高, 其切削速度应越小。硬车过程中精加工合适的切削速度为70-150 m/min, 常用范围为125 m/min。当采用大切深或断续切削时, 切速应保持在60~120 m/min, 通常切深为0.1~0.25 mm;当加工表面粗糙度要求高时, 可选小的切削深度, 进给量通常选择0.04~0.14 mm/r, 具体根据表面粗糙度数值和生产率要求而定。
3 硬态车削技术优势分析
在硬态切削加工技术的采用与推广过程中, 与磨削技术相比具有良好加工柔性、经济性和环保性能。以硬态车削为例, 在加工淬硬钢精磨工序中采用硬态车削替代磨削, 分析比较其中优势。
(1) 避免工件灼伤, 磨削时的瞬时高温使工件表层局部组织发生变化, 并在工件表面的某些部分出现氧化变色的现象。磨削烧伤会降低材料的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度, 烧伤严重时还会出现裂纹。零件的磨削会对工件造成回火烧伤与淬火烧伤。而硬切加工时, 大量的热会被铁屑带走, 不会对工件造成烧伤和裂纹。另外硬切一次装夹, 可同时加工多个部分, 如外圆, 端面, 内孔等, 避免了多次装夹造成的累计误差, 所以它的同轴度, 垂直度的位置精度就很高。
(2) 加工表面质量较高, 局部的高温可以软化切削层, 便于切削。刀具硬度高, 能起到挤压的效果。一般车床的加工精度极限是Ra1.6, 而硬车可以达到0.7~0.8, 甚至更好, 也就实现了以车代磨的功能。
(3) 低成本, 较低的加工费用, 因为车床加工相对于钻床、镗床、铣床、磨床来说是最经济的。高效率, 车削装夹快速, 一次装夹可以完成多个表面的加工, 加工时间可缩短70%~80%, 因此硬车的加工效率为磨削的3~5倍, 而且CNC车床辅助时间短, 一般硬车的综合效率为磨削的3~5倍。CNC车床投资通常是磨床成本的一半以内, 设备成本低、适合柔性生产, 更好地适应柔性化生产要求。
(4) 降低维护费用, 节能环保, CN C车床和磨床相比占据更少的空间, 在CNC车床上, 磨损的CBN刀片可快速更换;硬车削里不需要冷却液, 污染排放量大大减小。
4 结语
硬态切削是高速切削技术的主要发展方向之一, 随着CNC技术, 新材料等基础技术的发展, 使得硬态切削成为当前关注的新型加工工艺, 它已经引起制造业界和科研机构的高度重视和极大兴趣。但是我们也应客观的对其进行分析, 认识到该技术自身也存在着一些有待深入研究的问题, 如高硬材料的切削机理研究, 建立高速切削的数据库, 开发适用于高速加工状态的监控技术等, 除了加强研究以外, 还应积极推广, 使这种高效率, 绿色的加工工艺更好的应用于生产实际。随着加工技术的不断发展, 硬态切削技术将会发展的加成熟, 并被广泛应用。
摘要：高速切削工艺以高效、精密和柔性为基本特征, 被视为现代制造技术领域的一个里程碑。本文介绍了高速切削的发展情况并通过研究其中硬态切削技术的应用从而分析高速切削具备一系列显著优势, 使制造业整体切削加工效率有显著的提高。
关键词：高速切削,硬切削,加工工艺,硬车技术
参考文献
[1]艾兴.高速切削加工技术[M].国防工业出版社, 2003, 10.
[2]陈日曙.金属切削原理[M].北京:机械工业出版社, 2002.
切削实验 篇7
随着工业技术的发展, 许多新型材料诞生, 与传统材料不同, 新型材料往往具有更优秀的物理性质。为了适应日益发展的工业技术和工业发展以及为了满足客户越来越多的要求, 对许多工业产品的硬度有了一定的要求。随着产品硬度的提高, 传统切削液的切削效率已经无法保证切削工作的顺利完成, 又因为切削液是机械加工行业中极其重要的配套材料, 因此我们必须就如何改良切削液使用现状及如何正确选用和维护切削液进行深入地研究, 以求提高切削液的工作效率以及相关机器的使用寿命[1]。
1 对切削液主要概念的介绍
1.1 切削液的主要概念
切削液是一种用在金属切削、磨加工过程中, 用来冷却和润滑刀具及加工部件的工业用具。切削液一般由许多种超强功能助剂通过一步步的科学复合方法配成, 目前, 切削液是工业生产中必不可少的配套材料, 切削液的质量直接影响到工业生产的顺利与否。
1.2 切削液的主要作用
在工业材料的生产工作中, 切削液的作用众多, 主要作用包括对金属材料及相关部件的冷却、润滑、除垢、除锈以及防腐。切削液的诞生解决了传统皂基乳化液防锈效果差、难以稀释所带来了种种不便。切削液的各项功能均优于皂化油, 同时切削液无毒, 无害, 无刺激性气味, 对设备、人体、环境都不会造成损害。
1.3 切削液的主要分类
1.3.1 水基切削液
水基切削液分为水溶液、乳化液和化学合成切削液三种。三种水基切削液最大的不同在于主要成分的不同, 这就导致了两种切削液性能的不同。水溶液主要由水构成, 在水溶液中加入一定量的防锈剂和油性添加剂, 可以起到一定的防锈润滑作用, 水溶液的导热性能较好, 因此工业生产中常在磨削工作中运用水溶液。乳化液与水溶液有所不同, 乳化液主要由乳化液构成, 在乳化液中加入矿物油和防锈剂就可以起到一定的清洗冷却作用, 同时也可以用于防锈和润滑;同样, 在乳化液中只加入大量的防锈剂, 就可以用于气候潮湿地区的防锈工作[2];此外, 在乳化液中加入含硫等元素的极压添加剂就可以借助切削产生的高温和高压形成一层密集的金属保护膜, 起到一定的润滑和防腐作用。乳化液比水化液应用更加广泛, 原因在于, 乳化液可以有效避免各种防腐剂和油性剂所带来的爆炸、起火危险, 可以大量用于热度较高的切削工作车间, 同时乳化液的成本更小, 价格更便宜, 可以广泛应用于工业生产的各个环节上。除了乳化液和水溶液, 化学合成切削液是一种由水及各种添加剂所构成的多功能切削液, 可以有效运用于工业生产中的冷却和清洗, 适用于高速切削工作。化学合成的切削液具有良好的可见性, 可以适用于数控机床等现代新型加工设备的工作中, 但是, 化学合成切削液缺乏一定的润滑和防锈作用, 这就导致了化学合成切削液适用范围并不如水溶液和乳化液。
1.3.2 油或油基切削液
油或油基切削液在工业生产中的应用并不广泛。其主要成分是矿物油, 包括脂肪油切削液、极压切削液和符合切削液三种, 与水基切削液类似, 油或油基切削液的三种切削液根据成分的不同也具备不同的性能和不同的实际应用。脂肪油切削液主要由矿物油和脂肪油构成, 该种切削液润滑性能优秀, 适用于精密零件的加工与制作;极压切削液由矿物油和极压添加剂构成, 可以用于高温场合的切削工作;复合切削液由多种添加剂构成, 既能适用于高温环境又能适用于润滑工作。
2 切削液的选用原则
2.1 根据切削工作的要求进行切削液选择
一般来说, 切削工作包括粗加工、精加工两种, 同时根据加工方式, 又可以分为孔加工、深孔加工和磨削三种。不同的工艺加工特点对切削工作的要求也有所不同, 对于切削液种类的选用也有所不同, 例如在粗加工时应以部件的冷却为工作重点, 因此应选用水溶液或低浓度乳化液以保证冷却工作的正常进行, 同样, 在进行磨削时, 会产生大量的碎屑, 因此需要具有优质清洗作用的切削液[3]。总之, 切削液的选用与具体的生产工作要求相关, 切削工作人员应提前对切削工作进行分析, 选用正确的切削液, 方能保证切削工作和工业生产的顺利完成。
2.2 根据加工材料的性质进行切削液选择
加工材料的各种性质都影响到切削工作的进行, 一般来说, 切削硬度一般的普通钢材可以选用乳化液, 而切削不锈钢等高强度金属时就应该选用包含极压添加剂的切削液, 一方面可以提高切削液的活性, 另一方面也可以增加一定的润滑性, 促使切削工作的完成[4]。此外, 在切削硬度较低的材料时应采用不含极压添加剂的切削液, 以防止高压所带来的材料损害。除了根据材料硬度选用切削液外, 还应根据生产工作的实际温度和材料的具体成分进行切削液的选择, 以防止因切削液选择不当而造成的材料浪费和设备损害。
2.3 根据刀具材料的种类进行切削液选择
不同材料的刀具对切削液的选择也会有影响, 具体来说, 一方面不同材料的刀具会适用于不同的切削工作, 不同的切削工作就需要选择不同的切削方式;另一方面, 如果选用不正确或不合适的切削刀具进行切削工作, 势必降低切削液应有的工作效率。
3 切削液的维护原则
3.1 确保切削液管道通畅
应尽量保障切削液管道的顺畅, 防止因杂油、杂物等其他材料所造成的切削液管道堵塞现象以及对切削液质量的影响[5]。
3.2 防止切削液细菌滋生
切削液在合适的环境中极易滋生各种细菌, 这些细菌会严重降低切削液的实际工作效率。因此必须定期向切削液中投入定量杀菌剂, 以防止细菌的滋生。
3.3 控制切削液的浓度
应随时对切削液的浓度进行检查和调整, 保证切削液的稳定性。同时应及时对切削液进行净化, 防止发霉变臭现象的发生。
4 结语
从工业革命起至今, 工业技术已经发生翻天覆地的进步。近年来, 随着科学技术以及新型机械加工设备的进步与发展, 许多新材质新材料逐渐被研发出来。许多新型材料具有一定的强度, 传统的切削液无法顺利对其进行切削工作。为了满足工业领域对产品零件加工质量的需求以及新材料的切削工作要求, 就必须选择更加合适的切削液进行切削工作。合理的切削液可以最大程度上提高工件的质量和机床的使用寿命, 可以有效提高切削工作的效率。
摘要：选用正确的切削液进行切削工作, 同时加强切削液的维护工作, 对减少成本支出, 提高企业经济效益有着重要作用。就切削液的种类、特点及实际应用进行分析, 并探索出选用切削液的原则和切削液的具体维护方法。
关键词：金属切削,切削液,种类,特征,选用,维护
参考文献
[1]姜吉行, 张文科.切削液系统的统筹维护[J].金属加工 (冷加工) , 2015 (5) :32-34;36.
[2]徐增梅, 张立君, 张树军.切削液的选购、配制与维护[J].金属加工 (冷加工) , 2015 (8) :74-75.
[3]顾永其.切削液的选择、维护及应用案例[J].石油商技, 2010 (1) :40-42.
[4]高虹静.浅论金属切削加工切削液[J].物流工程与管理, 2009 (12) :124-126.
切削实验 篇8
1 机械加工中的切削加工分析
1.1 切削加工在机械加工生产中的重要作用
在机器制造程序中, 开展机器制造的零件商品, 大都是生产行业制造中关键制造的配件。一般来讲, 开展机器零配件的制作程序中, 针对机器零配件的制作技术方式, 大多是铸造与锻造, 亦或是焊接, 这些机器制造技术方式关键是在机器零配件商品的半成品制作。伴随着机器制造技术措施的持续提升, 在开展机器商品的制造程序中, 制造手段也随之前进, 例如, 精铸造与精锻造制造技术等, 都能够采用来开展机器零配件商品毛坯的制作使用中。除此之外, 在机器制作制造中, 迅速原型生产技术, 也是开展机器零配件模子生产中经常使用的技术方式, 一般来讲, 经常和别的机器生产制作措施一起使用, 在机器商品的制作制造中使用。在开展机器商品的生产制作中, 除了会运用到经常见的切削以及磨削技术, 还能够运用到激光束、电化学、电子束等机器生产技术, 在这些机器制造技术中, 切削技术是机器生产制作中最经常使用到的同时也是最基本的制作措施之一。所以, 切削制作在机器生产制作中很普通、常见, 同时针对机器制造也有着关键的影响。
1.2 机械切削加工与切削应用刀具的分析
在使用切削制造措施开展机器商品的生产制作程序中, 刀具的运用对制造的技术水准与切削品质有着十分重要的意义。一般来讲, 切削生产中切削运用的刀具功能以及品质状况, 对切削生产的速度以及切削生产品质有着关键的作用以及意义, 进而对机器生产制作的速度以及品质也有着影响。在机器制造中切削制造就是经过实用切削刀具把制作的配件中不需要的物料金属切削掉, 以便取得想要的金属商品大小以及样式、外观品质等一种生产制作方式。在开展机器切削生产中, 关键就是使用切削刀具的切削位置和开展切削生产金属配件的切削外层产生功效, 来完成切削制作制造的程序, 这种功效就是刀具具有的切削功效与切削生产配件的反切削功效, 两种功效下开展金属配件的机器切削制作制造, 也是机器切削制作中的关键程序, 通过这些就能够得知刀具在切削制作制造中的关键位置。伴随着机器生产制造业的持续前进, 在开展机器制作制造的程序中, 不光对刀具的生产制作品质关注程度日益提升, 并且伴随着工件生产制作措施的持续提升, 刀具制造品质也在慢慢的改善。在开展切削生产程序中, 珍贵切削使用的刀具, 不光要求其具有高度的可靠性, 同时针对切削功能越高越好。除此之外, 对刀具进行稳固固定的夹具、刀具生产物料以及构造等, 在切削生产使用中对其需求也都是很高的。
2 切削加工中的切削颤振与影响分析
在使用机器制作制造程序中, 加工设备的颤动会给设备制作制造产生非常不良的作用, 不光会使操纵设备的工作人员产生疲惫, 减少制作制造作用速度以及产生生产品质, 并且对于设备制作制造程序中的安全也存在很大的威胁。除此之外, 设备制作制造程序中的设备颤动情况, 还有可能对设备设施与生产工件等带来一定程度的损害, 降低机床设施以及工件的工作时间。
切削颤振是进行切削加工生产过程中, 产生的一种由于动态周期性作用力引发的、并且维持颤振不进行衰减的振动现象, 它对于机械切削加工的工艺技术、产品加工质量、加工生产效率等都有着十分不利的影响。通常情况下, 在进行机械切削加工生产过程中, 切削颤振现象在切削加工的多余切削金属材料的剥离切削加工过程中, 与切削加工中的切削以及进给、切入等操作动作进行叠加出现, 切削颤振对于切削加工中的刀具以及机床使用寿命有着很大的影响。并且在进行切削加工生产的过程中, 一旦出现切削颤振问题, 为了避免切削颤振对于切削加工的不利影响, 通常需要停止切削或者是控制切削用量等, 来对于切削颤振的影响作用进行控制, 这样一来就会对于切削加工的工作效率等产生影响, 而且强烈的切削颤振还容易造成机械加工制造的噪声污染, 对于周围的环境与人们正常生活、健康状况等, 都有十分不利的影响。
3 切削加工中切削颤振的控制措施
根据上述切削加工过程中切削颤振以及影响的分析, 在进行切削加工中的切削颤振的控制中, 首先需要对于切削颤振出现的相关理论进行分析认识, 在此基础上, 结合切削颤振的发生原理, 采取有效的措施对于切削颤振进行控制避免。
在对于切削颤振发生原理的研究中, 认为切削颤振问题发生的物理原因, 主要是由于两次不同切削加工过程中, 切削加工形成的振纹与振动位移之间的相位差, 造成在切削加工过程中由于切削刀具的切削厚度不同引起的颤振问题, 这种切削颤振与原理被称为值再生颤振理论。此外, 在不存在再生颤振条件的切削加工过程, 切削颤振产生的原理现象被称为是振型耦合颤振理论。比如, 切削加工中, 由于切削螺纹在前后两次切削动作中没有重合, 导致的颤振现象就是振型耦合颤振。
总之, 根据上述切削颤振产生的原因以及颤振理论, 在进行切削颤振控制中, 可以通过对于切削加工中切削加工机床主轴运转速度以及切削进给量、切削宽度、切削刀具的安装角度等, 进行适当的调整以满足切削加工的需求, 避免切削颤振问题的发生。其中, 以调整切削加工机床主轴运转速度对于切削颤振的控制效果最为明显。
4 结束语
总而言之, 针对机器切削生产和其在制作制造程序中存在的颤动毛病开展解析研究, 能够使用相关有用的技术改善与防治切削制造中的颤动毛病与风险, 并且还能够提升机器设备切削生产的措施水准、确保切削制造品质等, 也都有着积极主动的影响。
参考文献
[1]张玲, 田守仁.浅谈机械加工中切削加工及切削颤振[J].企业文化, 2012 (2) .
[2]张向慧, 贺建芸, 徐红娟.非线性颤振对切削加工过程影响初探[J].机械工程师, 2002 (3) .
[3]傅惠南, 李锻能, 王成勇, 王晓红.纳米机械加工与材料表面性质研究[J].电子显微学报, 2003 (3) .