切削质量（共7篇）
切削质量 篇1
随着农业现代化的发展, 联合收割机使用日趋广泛, 山东临沂临工汽车桥箱有限公司生产的D2.8型联合收割机驱动桥市场占有率达70%。变速箱壳体是驱动桥的关键部件, 壳体加工过程中出现刀具损伤严重, 且加工表面粗糙。在确保壳体机械性能情况下, 现仅从改善工件基体组织来提高工件切削性能。
1 切削加工性能
(1) 评价切削性能有2个重要指标。一是对刀具的自然磨损及损伤程度 (如崩刀、断刀及粘刀等) 。二是变速箱壳体加工表面质量 (如波纹、掉边及粘瘤等) 。切削性能是刀具、切削效果的综合反映, 很难定量化指标。
(2) 山东临沂临工汽车桥箱有限公司生产的D2.8型联合收割机变速箱壳体, 材料为HT200, 在现有刀具、刀具几何结构和切削加工参数下, 控制变速箱壳体在加工过程中基体组织的变化, 从而得到好的表面加工质量。
2 基体组织对切削性能的影响
铸铁的组织除白口组织 (渗碳体的化合物) 外, 可以看成作是由钢的基体和石墨夹杂物组成。分布在钢基体的石墨可以看做“空洞”, 石墨不仅隔离了基体, 使铸件易脆性断裂, 而且还是切削断屑的重要因素, 在切削过程中起润滑刀具和减少刀具磨损的作用。改善基体石墨的形态、大小、数量及分布是提高切削性能最重要的措施。
基体组织硬度升高, 会使切削力增大, 切削时温度升高。切削冷却大多采用风冷方式, 故工件切削产生的热能难以散去, 造成刀具表面温度升高, 使刀具磨损增大, 工件表面出现麻点, 恶化表面加工质量。一般认为, 在珠光体和铁素体基体范围内, 随着硬度的提高切削性能变好。
适当增加组织晶界处的夹杂物, 能起到断屑效果。常规分析可知, 这些极微小、极硬的碳化物、磷共晶及氮化钛, 在切削时会增加刀具磨损程度, 但在实际切削过程中, 由于这些夹杂物分布在组织晶界处, 当刀具经过这些微小颗粒物时, 用较小的力就能使这些微小颗粒物从基体上“挤压”脱离下来, 不仅起到较好的断屑作用, 而且还不会损伤刀具。
消除晶界处的应力, 提高切削质量。铸件在凝固过程中会在晶界处产生应力, 会使晶界处的晶格发生扭曲变形, 产生很大的拉应力或压应力, 这个力会增加断屑难度, 增加切削阻力, 但经过失效处理过的工件, 晶界应力消失, 断屑效果明显改善, 可减少刀具磨损。
白口组织是渗碳体 (Fe C3) 的化合物, 硬而脆。由于壳体外观结构复杂, 在铸造时边角或薄壁处, 易形成白口组织, 切削加工时易造成刀刃崩碎, 使壳体工件表面粗糙。
3 采取的措施
(1) 高温处理。俗话说“高温治百病”。但温度过高会使铁液收缩倾向大, 壳体材料适宜的熔炼温度为1 450~1 500℃, 可有效消除生铁粗大石墨的遗传性, 有利获得活性碳, 使石墨化形态更好, 分布更均匀, 从而改善石墨化。
(2) 适当添加孕育剂。适当添加孕育剂是改善石墨形态的重要手段, 有利于减少白口倾向, 改善断面均匀性。但不能添加过量, 如果过量就会增加基体铁素体的数量, 使材料韧性增大, 会使切削性能下降。
(3) 适量添加合金元素。熔炼过程中适量添加合金元素, 能增加组织晶界上的微小颗粒数量分布, 能有效改善切削加工性能。
(4) 减轻白口倾向。白口组织的实质所在是晶核, 削弱影响晶核产生的因素将有助于减轻白口倾向。严格控制化学成分和冷却速度对防止产生白口至关重要, 碳当量偏低, 铬、锰含量高是诱发白口的主要因素。浇注温度不能太低, 浇注温度越高, 过冷度越小, 白口产生的倾向越小。浇注时, 防止壳体在边角或薄壁处冷却速度过快, 否则铁液将按照介稳定系结晶析出自由渗碳体。
4 结语
采取上述措施后, D2.8型联合收割机变速箱壳体基体组织得到了改善, 在实际切削过程中切削性能得到了较大提高。●
切削质量 篇2
各种机床都有其最经济、最合适达到的表面粗糙值范围, 如果尺寸要求达到粗糙度水平超过其机床加工水平, 将会导致成本急剧上升。反之, 则会造成资源浪费。产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量。机械零件的破坏, 一般都是从表面层开始的。很多重要或关键零件的表面质量要求都比普通零件要高, 这是因为表面质量好的零件会在很大程度上提高其耐磨性、耐蚀性和抗疲劳破损能力。研究机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律, 从而控制加工过程, 最终达到改善表面质量、提高使用性能的目的。
一、切削加工时影响表面粗糙度的主要因素分析
(一) 刀具几何形状
1. 几何参数
刀具几何参数中对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径r、副偏角'r和修光刃。刀尖圆弧半径r对表面粗糙度有双重影响:r增大时, 残留高度减小, 另一方面变形将增加。由于前一种影响较大, 所以当刀尖圆弧半径r增大时, 表面粗糙度将降低。因此在刚度允许的条件下, 增大刀尖圆弧半径r是降低表面粗糙度的好方法。副偏角'r愈小, 表面粗糙度愈低。但减小副偏角容易引起振动, 故减小副偏角, 必须视机床系统的刚度而定。当'r大到一定值时, 副刃就不参与残留面积的组成, 再增大'r, 也不会使表面粗糙度值增加。采用一段长度稍大于进给量的修光刃 (修光刃上'r=0) 是降低表面粗糙度的有效措施, 利用增加修光刃来消除残留面积是实际加工工件中常常采用的方法。前角对表面粗糙度没有直接的影响, 由于前角大时对抑制积屑瘤和鳞刺有利, 且增大了。可使刃口圆弧半径r减小, 所以在中、低速范围内适当增大可有利于减小表面粗糙度。当v>50m/min时, 0就基本上不产生影响。
2. 刀具的刃磨质量
刀刃前、后刀面, 切削刃本身的粗糙度值直接影响被加工面的粗糙度。一般来说, 刀刃前、后刀面的粗糙度应比加工面要求的粗糙度小1～2级。
3. 刀具的材料
刀具材料与被加工材料金属分子的亲和力大时, 被加工材料容易与刀具粘结而生成积屑瘤和鳞刺, 且被粘结在刀刃上的金属与被加工表面分离时还会形成附加的粗糙度。因此, 凡是粘结情况严重, 摩擦严重的, 表面粗糙度都大;反之, 如果粘结和摩擦不严重的, 表面粗糙度都小。
(二) 切削条件
1. 切削速度v
加工塑性材料时, 切削速度对积屑瘤和鳞刺的影响非常显著。切削速度较低易产生鳞刺, 低速至中速易形成积屑瘤, 粗糙度也大。避开这个速度区域, 表面粗糙度值会减小。加工脆性材料时, 因为一般不会形成积屑瘤和鳞刺, 所以切削速度对表面粗糙度基本无影响。由此可见, 用较高的切削速度, 既可提高生产率, 同时又可使加工表面粗糙度较小。所以最重要的是发展各种新刀具材料和相应的新刀具结构, 以便有可能采用更高的切削速度。
2. 进给量f
从几何因素中可知, 减小进给量f可以降低残留面积的高度, 同时也可以降低积屑瘤和鳞刺的高度, 因而减小进给量可以使表面粗糙度值减小。但进给量减小到一定值时, 再减小, 塑性变形要占主导地位, 粗糙度值不会明显下降。当进给量更小时, 由于塑性变形程度增加, 粗糙度反而会有所上升。
3. 切削深度ap
一般来说, 切削深度对加工表面粗糙度的影响是不明显的, 在实际工作中可以忽略不计。但当ap<0.02～0.03mm时, 由于刀刃不是绝对尖锐而是有一定的圆弧半径, 这时正常切削就不能进行, 常挤压滑过加工表面而切不下切屑而将在加工表面上引起附加的塑性变形, 从而使加工表面粗糙度增大。所以切削加工不能选用过小的切削深度。但过大的切削深度也会因切削力、切削热剧增而影响加工精度和表面质量。
4. 切削液
切削液的冷却和润滑作用, 能减小切削过程的界面摩擦, 降低切削区温度, 从而减少了切削过程的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生长, 因此对减小加工表面粗糙度有利。
(三) 积屑瘤的影响
在用中速或较低的切削速度切削塑性金属材料, 而又能形成带状切削的情况下, 常在刀具前面上粘结着一些工件材料, 它是一块硬度很高 (通常为工件材料硬度的2～3.5倍) 的楔形块, 称之为积屑瘤。如图1
积屑瘤的存在, 在实际上是一个形成、脱落、再形成、再脱落的过程。部分脱落的积屑瘤会粘附在工件表面上;积屑瘤轮廓很不规则, 形成刀具刀尖积屑瘤后其实际位置也会随着积屑瘤的变化而改变, 切削时会将工件表面划出深浅和宽窄不一样的沟纹;精加工中积屑瘤还可造成过切削量;由于积屑瘤很难形成较锋利的刀刃, 在加工中会产生一定的振动。以上这些因素都会增大表面粗糙度值。
(四) 被加工材料
一般来说, 材料韧性越好, 塑性变形倾向越大, 在切削加工中, 表面粗糙度就越大。被加工材料对表面粗糙度的影响与其金相组织状态有关。
(五) 工艺系统的精度和刚度
加工后的表面粗糙度要低, 必须有高运动精度的机床和高刚度的工艺系统, 有较强的抗振性, 否则即使有很好的刀具, 选择最佳的切削用量也很难获得高质量的加工表面。
(六) 鳞刺
鳞刺是指已加工表面上鳞片状的毛刺, 是用高速钢刀具低速切削时经常见到的一种现象。鳞刺一般是在积屑瘤增长阶段的前期里形成的。甚至在没有积屑瘤的时候, 以及在更低一些的切削速度范围内也有鳞刺发生。刀具的后角小的时候特别容易产生鳞刺。鳞刺对已加工表面质量有严重的影响, 它往往使表面粗糙度等级降低2～4级。鳞刺的成因是前刀面上摩擦力的周期变化造成的。
(七) 振动
切削过程中如果有振动, 表面粗糙度就会显著变大。振动是由于径向切削力Fr太大, 或工件系统的刚度小而引起的。
(八) 其他因素
副切削刃对残留面积的挤压, 使残留面积向与进给相反方向变形, 使残留面积顶部歪斜而产生毛刺, 加大了表面粗糙度。过渡刃圆弧部分的切削厚度是变化的, 近刀尖处的切削厚度很小。当进给量小于一定限度后, 这部分的切削厚度小于刃口圆弧所能切下的最小厚度时, 就有部分金属未能切除, 就会使表面粗糙度增大。切削脆性材料时, 产生崩碎切屑, 切屑崩碎时的裂缝深人到已加工表面之下, 使粗糙度增大。此外, 排屑状况、机床设备的精度和刚度等, 也会影响已加工表面的表面粗糙度。
二、降低表面粗糙度的措施
(一) 合理选择刀具几何参数
前角 (γo) 一般应取大一些, 减少加工时候工件和刀具的接触以减少振动。但在切削有足够的刚度的外圆表面切削时也可取小负前角-2°～15°提高工件精度。
后角 (αo) 大时, 刀刃锋锐, 工件表面弹性恢复减少, 因而减少恢复层与后刀面的接触长度, 减少了厚刀面与加工表面间的摩擦, 利于提高表面质量, 降低表面粗糙度。
主偏角 (Kr) 在工艺体统刚性较好, 精加工时, 为减少残留高度, 提高工件表面质量, Kr应尽量取小值。
副偏角 (Kr′) 为了减少残留高度, 条件允许时, Kr′应尽量小, 可取5°～10°。有时为提高已加工表面质量, 还可使用Kr=0的带修光刃的车刀, 此时理论上残留高度不存在。
刀尖形状根据刀具材料选用大的圆弧过渡刃, 还可以在刀尖处磨有修光刃以减少残留高度, 改善表面粗糙度。
刃倾角 (λs) 选用正的小角度刃倾角, 控制切屑流出方向为待加工表面, 保持进给方向一致。
(二) 合理选择切削用量
进给量f:选用小的进给量f, 降低残留高度。
削速度V:避免积屑瘤产生的区域以及自激振动大的临界速度。一般低速不超过V<38m/min降低切削温度;或用高速V>80m/消除积屑瘤不利影响, 并利用因切削热增加而产生的高温, 进一步减少切屑变形, 降低表面粗糙度。
切削厚度ap:选用小的切削厚度ap, 减小工艺系统变形以及振动, 降低表面粗糙度。
(三) 增加运动机构本身精度, 减少振动
加工前调整机床主轴, 使轴向窜动和径向跳动小于0.01mm;增加跟刀架瓜脚支承面积, 选用精度比较理想的顶针调整, 增加工件装夹刚性;调整机床各垫板的垫片松紧度, 消除大托板的爬行现象。
(四) 合理选择刀刃部分材料
选择刀具硬度高、耐磨性好、切削刃锋利, 摩擦系数小、切屑与刀具不易产生粘结的刀具就不产生积屑瘤。
(五) 改善工件材料加工性能, 保证加工质量
在不影响工件性能条件下, 适当做调质处理降低材料塑性和提高材料硬度, 减少刀具粘结磨损, 抑制积屑瘤的产生。
(六) 合理选择切削液
切削液的合理选用, 可减少金属表面的直接接触、降低摩擦系数、减少切屑变形、抑制积屑瘤的生长、减小已加工表面的表面粗糙度并提高刀具耐用度。
结论
该文讨论的是切削加工中, 金属加工工件表面粗糙度形成的一系列相关因素以及控制措施。各措施相互联系、相互影响。企业生产产品时应综合考虑各因素选择出符合质量、效益要求的合理值, 为制订加工工艺、选择设计刀具提供参考依据, 从中获得更好的经济效益。
摘要：机械加工表面质量, 是指零件在机械加工后被加工面的微观不平度, 也叫粗糙度值。切削加工过程有诸多影响加工表面质量的因素, 本文旨在通过综合考虑, 分析切削加工中影响表面粗糙度的各种因素, 包括刀具的选择与利用、切削速度和进给量等。提出在机械加工中的改进措施, 使机床加工表面质量达到最经济、最适合的范围。
关键词：机械加工,表面质量,改进措施
参考文献
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切削质量 篇3
硬珩齿加工过程中,珩轮与齿轮工件做啮合运动,在接触区域产生相对运动和作用力,附着在珩轮齿廓表面的立方氮化硼(CBN)磨粒压入工件齿廓表面并作相对滑移,实现接触区域齿轮工件的材料去除。通常珩轮作为主动轮做旋转运动,齿轮工件作为从动轮一边旋转一边做轴向往复运动,以便完成齿轮工件全齿面的材料去除。该加工方法的优点是加工效率高且切削速度低,齿轮工件表面几乎不产生热应力,可避免齿面组织的热损伤。
外啮合珩齿加工技术起源于20世纪50年代后期,并作为热处理后齿轮最终加工的经济工艺而受到广泛关注,研究者们的研究重点是提高齿轮加工精度和生产效率[1]。20世纪60年代末,日本九州大学着手圆柱蜗杆珩齿工艺的试验研究,并取得成功,随后在美国、西欧等发达地区逐步应用并迅速发展起来。在此期间,我国外珩齿机研制成功,并开始着手研究珩齿技术[2]。1993年,徐璞等[3]完成了立方氮化硼钢基体硬面珩轮的设计,并针对模数m=3mm,齿数z=73,齿面硬度为HRC50的齿轮进行珩齿试验,试验结果表明,齿轮工件表面质量得到明显提高,配对啮合降噪效果可达3dB。2002年,王长路等[4]完成了电镀CBN斜齿外珩轮整行珩齿机理研究,珩齿试验结果表明,齿轮工件表面粗糙度值明显减小,齿向和齿形精度提高1～2级。国内外大量的研究与实践表明,珩齿技术是适合于热处理后齿轮精加工的一项经济技术,市场应用前景广阔。
目前相关文献对于珩齿工艺的研究几乎都集中在珩轮设计制作及珩后齿轮工件的精度上,很少对珩齿加工后齿轮工件齿廓表面质量的一致性进行深入研究。由于珩齿过程中接触线上相对滑移速度是一变量,珩齿加工后,齿轮工件同一齿廓表面质量不一致,最终导致齿面磨损差异较大,在一定程度上降低了齿轮工件使用寿命,因此,研究分析珩齿过程中接触线上速度分布特性,对改进珩齿工艺以及配套珩齿刀具的研制开发具有重要的意义。
1 珩轮接触点上的切削速度
珩齿过程中的切削速度实际上是珩轮齿面与齿轮工件齿面在接触点处的相对滑移速度,是珩齿工艺过程中的一项重要参数,直接影响珩轮磨损的均匀性以及齿轮工件表面质量的一致性。
图1为珩齿啮合示意图,其中,R1为珩轮齿廓表面上的点M1在S1(o1x1y1z1)中的矢径;R2为齿轮工件齿廓表面上的点M2在S2(o2x2y2z2)中的矢径;R′1为接触点M′在S1中的矢径;R′2为接触点M′在S2中的矢径;h为齿轮工件珩齿过程中轴向移动距离;a为珩轮和齿轮工件中心距;Σ为轴交角。
在实际珩齿的过程中,切削速度由珩轮与齿轮工件啮合过程中形成的转动所产生的相对速度和齿轮工件轴向进给所产生的移动速度合成,即
V12=Kφ′1(V(h)12+V(φ)12) (1)
式中,V12为珩齿过程中的切削速度(相对滑移速度);V(φ)12为珩轮与齿轮工件啮合过程中形成的转动所产生的相对速度;V(h)12为齿轮工件轴向进给所产生的移动速度;Kφ′1为坐标变换的系数矩阵。
为了方便起见,将两个速度分量分别进行推导,建立如图2所示的坐标系。齿轮工件轴向进给所产生的移动速度V(h)12可表示为
结合图1,珩轮齿轮工件啮合过程中形成的转动所产生的相对速度可表示为
式中,
设M′点在固定坐标系中的坐标为(x′1,y′1,z′1),在固定坐标系中各坐标轴上的单位矢量分别为i,j,k,点o2在固定坐标系的坐标为(0,-a,0),则V(φ)12可写为
又因为
式中,i21为珩轮与齿轮的传动比。
在珩齿过程中,
将其改写为与基本旋转矩阵齐次的四阶矩阵:
式中,t为时间;V(φ)12t为相对滑移速度时间分量(三阶矩阵变四阶矩阵时的补齐函数,只与时间有关,与其他几何参数无关)。
将珩轮端面坐标进行坐标变换,其角位移φ′1简化为端面压力角α′t1,即
φ′1=φ1+γ+u=α′t1 (8)
其中,φ1为初始角位移,此时φ1=0,γ=α′t1,u=0。
由式(2)、式(7)和式(8)得
将式(9)与齿轮工件齿面方程相结合,可得到珩轮接触线上各点的切削速度:
式中,rb1为珩轮基圆直径;p为接触点沿珩轮螺旋线上升的轴向距离(导程);γ′为接触点处渐开线展角。
2 切削速度分布特性
在珩齿过程中,接触点相对滑动速度由三个速度矢量合成[5]:第一个为珩轮与齿轮工件沿齿向的相对滑动速度;第二个为沿齿廓切线方向的相对滑动速度;第三个为齿轮工件轴向移动速度。相对滑动速度方向在珩轮和齿轮工件端面的投影如图3所示。因为切削速度在齿高方向是变化的,它是接触点在接触线上的位置函数[6],且在节点两侧方向不同,因而在齿轮工件齿面上形成人字形分布的切削轨迹[7],如图4所示。
正因为上述节线两侧切削轨迹以及切削速度的变化,导致齿轮工件在珩齿后整个齿面上从齿顶到齿根的表面质量差异较大。其中导致表面质量差异的主要原因是切削速度在工件齿面上分布的不同。
对特定几何参数的珩轮和齿轮工件进行切削速度分析(几何参数见表1)。根据给定珩轮和齿轮工件几何参数,利用式(10)在MATLAB中编程计算接触线上切削速度的分布情况,如图5所示,其中,ny表示珩轮转速。齿轮工件轴向进给速度约为
从图5中可以看出,珩齿时切削速度随接触点位置发生变化。在同一转速下,珩轮齿顶处切削速度最大,齿根处次之,在节点附近最小,随珩轮转速的提高,切削速度的差异会进一步明显。因此在珩齿的过程中,适当减小珩轮转速有利于保证齿轮工件齿面质量的一致性。
3 实验分析
实验所用齿轮工件为标准渐开线齿轮,几何参数见表1。工件表面经渗氮淬火处理,硬度为HRC61～HRC63。为了便于比较分析,对三个齿轮工件进行磨齿,磨齿后齿轮工件表面质量一致,然后进行珩齿加工,所用珩齿机床型号为Y4650,珩轮表面CBN磨粒粒度为120目,磨粒平均直径约为0.15mm,珩齿配重压力为100N。每个齿轮工件珩齿加工正反转各12个行程,珩齿前后齿轮工件如图6所示。
珩齿加工后将齿轮工件沿齿向切开,通过Mahr表面粗糙度仪进行表面粗糙度特征参数的测量,分别取齿轮工件每个齿面两侧齿顶位置、节线位置和齿根位置进行测量,粗糙度值取均值,得到不同转速下齿轮工件表面粗糙度值,如图7所示。
从图7a可以看出,珩轮转速不同时,由于其接触点处的相对滑移速度也不同,因此,齿轮工件经珩齿加工后齿顶位置粗糙度值差异明显,而且随着珩轮转速的提高,齿顶位置粗糙度值明显减小,即较高的相对滑移速度对工件表面质量有一定提高。从图7b可以看出,随着珩轮转速的提高,齿轮工件节线附近粗糙度值有一定程度的减小,但总体来说,在相同的珩轮转速下其值要比齿顶位置处大,齿轮工件在节线附近表面质量要次于齿顶位置。从图7c可以看出,不同的珩轮转速时,其粗糙度值在齿根位置也不相同,珩轮转速越高,其粗糙度平均值在该位置越小,表面质量也越好。
将不同转速下不同位置粗糙度值各取均值得图7d所示的齿轮沿齿高方向粗糙度值变化趋势曲线。当珩轮转速为200r/min时,齿顶位置粗糙度平均值Ra(200,da)=1.44μm,节线附近位置粗糙度平均值Ra(200,d)=1.46μm,齿根位置粗糙度平均值Ra(200,df)=1.42μm。齿顶和节线附近位置粗糙度值相差0.02μm,齿根和节线附近位置粗糙度值相差0.04μm,齿顶和齿根位置粗糙度值相差0.02μm,因此在该转速状态下珩齿,齿轮工件齿面粗糙度值相差较小,齿面质量较为一致;当珩轮转速为400r/min时,齿顶位置粗糙度平均值Ra(400,da)=1.01μm,节线附近位置粗糙度平均值Ra(400,d)=1.07μm,齿根位置粗糙度平均值Ra(400,df)=0.96μm。齿顶和节线附近位置粗糙度值相差0.06μm,齿根和节线附近位置粗糙度值相差0.11μm,齿顶和齿根位置粗糙度值相差0.05μm,因此在该转速状态下珩齿,齿轮工件齿面粗糙度值相差较大,但齿面质量仍较为一致;当珩轮转速为650r/min时,齿顶位置粗糙度平均值Ra(650,da)=0.64μm,节线附近位置粗糙度平均值Ra(650,d)=0.75μm,齿根位置粗糙度平均值Ra(650,df)=0.61μm。齿顶和节线附近位置粗糙度值相差0.11μm,齿根和节线附近位置粗糙度值相差为0.14μm,齿顶和齿根位置粗糙度值相差0.03μmm因此在该转速状态下珩齿,齿轮工件齿面粗糙度值相差较大,但齿面质量仍较为一致。
4 结论
(1)根据运动展成原理结合坐标旋转法,推导出接触点处的切削速度在接触线上沿齿高方向是关于位置的变化函数,并得出切削速度沿接触线的分布规律。
(2)通过对接触线上相对滑移速度的理论推导以及实验研究,得出接触线上相对滑移速度的不同是造成齿轮工件同一齿面上粗糙度值不同的主要原因。
(3)在珩齿过程中,随着珩轮转速的提高,工件同一齿面粗糙度值的差异会进一步扩大。
(4)为了提高齿轮工件使用性能,外啮合珩齿加工宜采用较低转速。
(5)要全面研究珩齿加工后工件齿面质量,还必须综合考虑珩齿加工配重、珩轮齿廓表面磨粒粒度及分布特点、接触点处加速度变化等因素。
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切削质量 篇4
1选取切削用量的方法
要想保证数控车床在生产产品的过程中,其自身的切削功能能够发挥最大的作用,就需要对整个体系中的切削用量方法进行合理的选取。在选取之前还需要对所用的方法有一个全面的了解,并通过合理的比较和产品生产过程中的相应需求,选取合理有效的切削用量方法,从根本的角度上提升整个机械设备生产效率。以下笔者就针对于整个机械设备使用过程中的切削用量方法进行详细的描述。
1.1经验法。所谓的经验法就是在进行相应切削用量的时候,配合一定经验。在这个过程中还需要对数控车、刀具和工件等特点有一个全面的掌握,其根本原因在于这些基本元素对产品自身质量会产生一些影响。因此这就需要对这些条件进行全面的考虑,并根据产品生产需求性选择有效的切削用量方法。另外在进行这一步骤的时候还要求操作人员有一定加工经验,这样才能从根本的角度上提升整个产品切削的质量。但是由于我国相应经验人员比较缺乏,对产品生产的环境变化并不能全面满足,这就导致经验法在我国数控车床生产过程中并不能完全实施。
1.2查表法。由于我国具有切削经验的人员比较少,这就促使经验法在机械设备生产中不能得到全面应用。因此这就需要采用查表法进行切削用量选取。这个过程中需要操作人员按照相应的切削用量手册进行操作。尽管这种方法并不需要操作人员自身经验,但是其还具有变通性较差的特点,在进行操作中对外部因素并没有进行全面考虑。
1.3计算法。这种方法主要是针对于查表法存在的缺点研究出来的一种方法,但是这种方法在计算过程中会消耗大量的人力和时间,在现实中并没有广泛的应用。
1.4图表法。尽管这种方法存在很大的现实研究意义,但是众所周知采用图表知识对相关数据进行一个大概描述,对其自身准确性并不能做到合理保证,只是根据机械设备自身特点进行图表描述。而且在现在计算机数字化技术的发展,对切削用量方法的选取也有很大的提升,主要在于采用数据库的方法来选取。尽管这种方法的准确性有所提高,但是在实际应用的时候也是按照相应数据进行查找,并不能全面配合外界的变化形式。
而且现在对机械设备生产过程中的经济型和生产管理性能都做出了全面的考虑,这就需要对上述描述的几种方法进行全面的比较,并从中选取最适合现在我国进行机械设备生产中切削用量的方法。另外在现在人工智能技术手段不断发展过程中,对切削用量选取方法可以参考专家经验进行有效选取,并对实际操作人员提供有效的科学加工数据,这对机械设备加工中的切削用量方法选取提供非常有效的物质条件。
2影响切削用量选择的因素分析
选择切削用量的原则是在保证机械加工精度和表面质量的前提下,尽可能地降低生产成本和提高切削效率。
2.1机械加工精度。加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。实际加工不可能做得与理想零件完全一致,总会有大小不同的偏差,零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度,称为加工误差。引起加工误差的原因很多,一般可分为工艺系统原始误差、原理误差、调整误差、测量误差等。
在机械加工中,机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下,会产生相应的变形,从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置,使工件的加工精度下降。工艺系统中工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低,在切削力的作用下,工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大;外圆车刀在加工表面法线方向上的刚度很大,其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔,刀杆刚度很差,刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。因此在选择切削用量时就必须考虑工件的刚度和内孔镗刀的刚度问题。
2.2表面质量。工件表面质量的好坏是以表面粗糙度的大小来衡量的,表面粗糙度是指加工表面上所具有的较小间距和峰谷所组成微观几何形状的特性。表面粗糙度主要的影响因素有工件材料、刀具的几何角度、工艺系统刚性和切削用量等。
3知识库设计
在设计数控车床切削用量选择专家系统时,应考虑各个影响因素,因此就会有较多的知识库。
3.1数控车床知识库。数控车床是切削用量专家系统中各知识的基础,数控车床型号、生产厂家、功率、以及放置位置的不同都会使切削用量发生一定的改变。另外,设备的额定功率、进给电机功率是对计算后的切削用量进行校核的基础。因此,在专家系统中首先必须先选择所使用的设备。
3.2刀具知识库。刀具是数控车床加工零件的工具,刀具的几何角度等参数都影响着切削用量的选择,而且有些刀具厂家会推荐部分切削用量,如果没有专家数据时可以选择推荐数据作为参数。
3.3零件材料知识库。每一个零件都有相应的力学参数,这些力学参数影响着切削用量的选择。在切削用量计算中如果没有相同材料知识时可以参考相近的工件材料作为依据。
3.4切削知识库。切削知识中包括机床、刀具、装夹方式、冷却方式、加工方式、表面质量、零件材料、零件尺寸(Auto CAD图形)以及加工参数等。
结束语
在本文对现在社会上存在切削用量选取方法和影响切削用量实施的相应因素进行全面研究中,对提升产品自身质量而选取的切削用量方法做出了深入思考。在这个过程中还需要结合现存的专家系统进行全面分析,这样不仅仅能够提升整个机械设备生产中产品生产效率,而且还能够有效提升产品自身质量,从而达到提高操作人员自身经验的作用。
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切削质量 篇5
国家卫生部2010年颁发的《医疗器械临床使用安全管理规范(试行)》[1]中提出“降低医疗器械临床使用风险……医疗机构应当对在用设备类医疗器械的预防性维护、检测与校准、临床应用效果等进行分析与风险评估”,2011年颁发的《医疗卫生机构医学装备管理办法》[2]强调要“加强医学装备安全有效使用管理,对……辐射类和大型医用设备等医学装备安全有效使用情况予以监控”,同年发布了中华人民共和国卫生行业标准WS340-2011《准分子激光角膜屈光手术质量控制》(2012-02-01实施)[3],总后卫生部2012年9号文件将“准分子激光屈光性角膜切削术(Photorefractive Keratectomy,PRK)”系统设备列入大型医疗设备监管目录,这些都说明PRK系统应用风险防范和质量控制的重要性和迫切性。目前卫生部已发布了对PRK质量控制的行业标准,同时在该项手术准入、仪器管理、术前检查、适应证掌握、手术操作和术后管理等方面都有相关的指南和操作规范,但国家技术监督局对于PRK系统设备的质量控制还未颁布相应检测规范,使得要进行质量控制没有统一的标准,对此本文进行如下探讨。
1 设备原理
1.1 眼科准分子激光的基本原理
眼科准分子激光是以氩气和氟气为工作气体产生的激光。目前用于临床的是氟化氩(ArF)混合气体产生的波长为193 nm的超紫外冷激光,每个光子的能量为6.4 eV,远大于角膜组织中维持分子键所需的能量(3.4 eV)。当准分子激光作用于角膜组织时,利用角膜中的水分对193 nm波长激光的吸收率最高原理,其激光能量使角膜组织分子间的化学键断裂,使其分解成小片段产生气化效应,也称为切削性光化分解效应,从而改变角膜组织的屈光度,矫正整体眼睛光学通路的屈光不正,达到视力矫正的效果。由于激光波长短,除了光子能量大以外,其穿透力弱,因此对于组织的切削边缘整齐,不损伤周围组织,对眼内组织无影响。
1.2 PRK手术临床应用原理
PRK及在PRK的基础上开展的准分子激光原位角膜磨镶术(Laser In Situ Keratomileusis,LASIK)、准分子激光上皮下角膜磨镶术(Laser Epithelial Keratomileusis,LASEK)和Epi-LASIK都属于表层角膜屈光手术,是利用一种特殊的极其精密的微型角膜板层切割系统(简称角膜刀)将角膜表层组织制作成一个带蒂的角膜瓣,翻转角膜瓣后,在计算机(配合红外制导高速眼球跟踪技术)控制下,用激光对瓣下的角膜基质层拟去除的部分组织予以精确气化,然后于瓣下冲洗并将角膜瓣复位,以此改变角膜前表面的形态,调整角膜的屈光力,以矫正近视。
1.3 PRK系统结构原理(鹰视酷眼为例)
准分子激光机有3种类型,即大光斑爆破式、裂隙扫描式和飞点扫描式,目前我国5种应用广泛的机型有3种采用飞点扫描式。
鹰视酷眼准分子激光治疗系统由以下几部分组成:准分子激光主机、六方向电动手术床、跟踪监视器、笔记本电脑计算机控制的计算和存储系统、UPS不间断电源系统、外接氮气保护系统等,主要与该设备配合使用的设备有角膜板层刀、飞秒角膜板层激光、角膜地形图、像差仪等。其激光治疗系统光路结构,见图1。
2 风险防范措施
根据国家卫生部和总后卫生部的法规文件和行业标准,从分析PRK的结构和临床应用原理着手,参考大型医疗设备风险防范和质量控制的方法步骤,探讨PRK主要临床应用风险产生的可能原因和风险防范措施。
2.1 PRK的主要临床应用风险产生的可能原因
PRK的临床应用安全性主要与术前检查论证、手术流程管理、手术安全体系、术后护理、专业设备和硬件设施、医生专业素质和经验有关,本文主要讨论专业设备和硬件设施产生的潜在临床应用风险。
从临床实践来看,风险包括激光非正常照射(辐射)和照射过量(激光照射功率能量的精确控制出错)对病人的伤害[4];激光照射(角膜组织分子间的化学键断裂,从而产生组织切削)的精度不准(眼球跟踪技术失调)所带来对病人的间接伤害(疗效不好,可能造成散光、青光眼等);由于某种原因(例如仪器失调导致),紫外激光偏离(肉眼看不见)对相关人员眼部造成的伤害;ArF混合气体泄漏对室内相关人员造成的伤害;高压电器对人的潜在伤害等(临床医务人员在术前和术中因某种人为失误对病人的潜在伤害不在此讨论)。
2.2 PRK临床应用风险防范的方法和措施
2.2.1 建立可行的与应用安全风险管理相关的规章制度[5]
(1)照射防护制度:包括接受PRK治疗的人员和操作人员的照射防护制度;PRK维护保障人员(医工人员)的照射防护制度;PRK扫描操作室的照射防护制度(同时对内外),各种防护材料、防护眼镜、照射警告标志等。
(2)PRK操作制度:包含PRK开关机制度;PRK术前质控制度(PRK治疗的正当性、有效性和最优化);PRK日常保养制度(定时的保养校正)。
(3)PRK质控检测制度及不良事件报告制度:质控检测制度又分为新机验收检测制度和周期状态检测制度[6](确保PRK诊断质量和有效控制PRK辐射能量)。
(4)维护保养制度(PRK维修安全防护制度):PRK维护保障人员(医工人员)的安全防护制度;PRK定期维护保养制度(与PRK风险评估习惯相关)。
(5)上岗培训制度:无论PRK操作员还是维修人员不经培训不能上岗;上岗培训内容应包含PRK应用安全风险防范的内容。
(6)设备采购论证验收制度:设备采购验收一定要有应用质量检测合格;由国家或军队法定计量检测部门的检测合格和设备生产厂家提供的应用质量检测报告(含出厂时和现场安装后实地检测的技术指标);测试不合格或达不到原厂指标的不能验收。
2.2.2 明确风险防范的主要责任人及职责
PRK系统生产厂家要对生产的设备安全有效负责;医疗机构主管部门(医疗装备管理委员会),对领导全院设备安全有效使用监督负责;医疗设备管理保障部门,对保障设备安全有效使用质量可靠负责;PRK应用操作人员,对安全有效使用负责;只有每个部门和责任人都真正履行了职责,才能使风险最小。
2.2.3 各种制度的严格落实和检查
医疗设备管理保障部门在医疗机构主管部门的领导下,定期检查督促落实;目前不少医疗机构中,对PRK应用安全风险防范存在主管部门重视不够、保障部门责任不明、应用人员培训不足的现象,有待于改进。
2.2.4 严格执行各项质量控制标准及规定
在临床应用中严格执行国家卫生部实施的《准分子激光角膜屈光手术质量控制》及中华人民共和国卫生行业标准WS340—2011,定期开展必要的质量控制步骤(检测和调试)。
2.2.5 手术室内必要的激光防护
手术室内工作人员需戴防护眼镜,手术室不能有反光装修;手术室内要有通风设备,便于及时排出潜在的有害气体。
2.2.6 电气安全
PRK系统和其他相关设备良好接地,并通过电气安全检测。
3 质量控制
根据上述内容,借鉴大型设备质量控制一般步骤,参考PRK系统维护手册和生产厂家意见,建议如下。
3.1 PRK定期质量控制检测内容
3.1.1 主要性能参数
从仪器内部来看,激光产生主要由受控脉冲高压加在谐振腔内电极上,输出脉冲激光的宽度和频率决定了脉冲能量,从而直接影响到治疗时间和质量,因此脉冲宽度和频率、脉冲能量是主要性能参数;从仪器外部来看,激光光束(光斑)的均匀性、激光扫描光斑的定位精度、激光扫描时眼角膜表面的激光能量密度直接决定了PRK治疗的效果,这些也是重要的性能参数,这些参数随着使用的时间和环境的变化而变化,保证其稳定性很重要。
3.1.2 检测仪器和方法
从上述主要参数来看,内部的参数必须由专职工程师采用专门工具如记忆示波器、精密电压表等在打开仪器的情况下进行,这显然不适合日常的质量控制检测;而另一些参数如眼角膜表面的激光能量密度,可以用通用或专用激光能量计(或激光功率测试仪)来检测;激光光束(光斑)的均匀性可以用专用光斑检查仪器检测;光斑的定位精度可以用前面提到的方法进行检测,这些仪器目前只有厂家售后服务工程师具备。
3.1.3 项目和要求
(1)从保证诊断治疗的质量和医患的安全角度来说,最重要的是定期测量激光光束能量和检查光斑均匀性质量,因为这两个参数直接影响PRK的治疗质量,其检测实际误差应在±5%,状态检测应在±10%以内(国标规定工作面上得到的激光输出实际值与设定值偏差必须<±20%);PMMA(每天早上开机后模拟打板深度测试耗材)模拟测试应每天进行,其中光斑检查除每年至少一次外,更换激光管后或重大维修调试后都要进行。
(2)应定期用Scanner扫描仪检测扫描范围精度和测试眼球跟踪系统灵活可靠,检测误差要求同上。
(3)检查飞点扫描系统和对焦、导引、固视是否均正常且同轴。
(4)检查ArF及N2气路等其他辅助设施是否正常。
(5)检查漏电流、机械危险、过量激光辐射危险的防护装置,如报警、辐射过量终止、紧急停止装置等是否确实有效。
3.2 定期维护保养的几项措施
每季度或每半年进行整体性能评估,对电源、控制电路、光路系统、能量控制系统等全面检测和维护保养,及时发现机器的故障隐患,调整机器的参数设置,报告机器的能量状态并给出相应的建议。
(1)记录温湿度、检查电压与接地状况;温湿度和电源电压不稳直接影响激光的稳定。
(2)检查ArF及N2气路是否正常(激光管压力:5900~6000 mbar,ArF减压阀压力:6500~8000 mbar,检测是否气体泄漏,换气过程是否正常;电磁阀是否正常打开;真空泵工作情况注意换气时长;一般为6~9 min;气路是否老化是否需要相应处理)。
(3)检查眼球跟踪系统是否正常;这是由计算机控制、红外摄像机和高速伺服系统组成的高速主动实时眼球跟踪系统,用来确保激光扫描的准确位置和聚焦深度,一旦眼球运动超出范围,自动停止扫描。
(4)检查飞点扫描系统是否正常(一种小光斑高速扫描技术)。
(5)检查PMMA模拟测试深度测量装置是否正常;PMMA模拟测试是每天开机后治疗前必须进行的测试步骤:一般用1.5 mJ(毫焦耳)的激光能量在专用材料上应打出一个60μm深度且呈线性关系,用来确定激光能量精度。
(6)检查对焦、导引、固视装置及其动作是否均正常且同轴;。
(7)检测激光光束能量分布及能量稳定性如何。
(8)用机内固有的Scanner扫描仪检测扫描范围精度。该检测由医生来做,是让扫描仪用激光在黑纸上打出一幅有9个点3条直线的图形并与专用测试工具比较应完全重合,否则要进行调整。
(9)用光斑检查仪器检查激光光斑质量;鹰视激光治疗系统采用小光斑高速飞点扫描技术,每次激光扫描用高斯波形光束扫出一个直径0.98~1.0 mm深度0.45μm精确圆并逐个叠加以达到最小伤害和最佳治疗效果;因此,光斑的质量(激光能量严格按高斯曲线由内向外均匀分布逐渐减弱)十分重要,这只能用专用的光斑检查仪器来完成;它相当于用相机将激光光斑拍摄下来并用软件进行分析,能准确测出光斑的大小、椭圆度、圆心偏离、能量分布等许多重要参数,工程师可通过移动透镜等方法来进行校正;另外,用激光照在黑白像纸上可以粗略判断光斑的大小和椭圆度。
(10)检查手术室的通风状况(手术区无风)。
(11)整机系统的除尘和清洁(清洁激光光路)。
(12)根据质量保证的需要更换相关备件或者耗材。
4 讨论
PRK与所有医用大型诊断治疗设备特别是手术设备一样,在临床应用中都存在临床风险,因此,为防止风险而进行设备质量控制十分必要,尽快建立起相应的检测标准和方法并加以实施有现实意义;由于目前国家没有统一的专用检测仪器和标准,因此,现在要做好质量控制,应充分利用好生产厂商的售后支持,利用他们的专用检测仪器和方法,及时定期进行上述各种检测和维护,才能把风险降到最低。本文提出上述建议的根本目的就是希望即使目前没有专用仪器、方法及标准,也要利用现有条件进行必要的质量控制,而不是等待。
摘要：目的 探讨准分子激光屈光性角膜切削术(PRK)系统应用安全风险的防范与质量控制。方法 根据国家卫生部和总后卫生部的法规文件和行业标准,从分析PRK系统的临床应用原理着手,参考大型医疗设备风险防范和质量控制的步骤,找出解决办法。结果 提出针对PRK应用安全风险的防范与质量控制的初步建议。结论 建立PRK应用安全风险的防范规则和质量控制的统一标准的必要性和紧迫性。
关键词：准分子激光屈光性角膜切削术,风险防范,医疗设备,质量控制
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切削质量 篇6
选取不同的切削参数，对CFRP制孔质量有很大影响。因此深入研究碳纤维复合材料在使用不同类型刀具下选取不同的切削参数的制孔具有重要意义。在CFRP制孔研究中，试验法仍然是非常重要、有效的研究手段。设计了单因子试验，选取制孔刀具传统麻花钻、螺旋铣刀、台阶钻、烛心钻，分别在不同切削参数下对CFRP进行了切削制孔试验，并且利用超景深电子显微镜观测加工缺陷，使用表面粗糙度测量仪测量孔壁粗糙度。最后通过试验分析了不同刀具在不同的切削参数下进行制孔的碳纤维复合材料孔的孔壁缺陷及其表面粗糙度值。
1 试验过程
试验材料使用厚度为3 mm的CFRP铺层结构板。使用铺层-注胶热压成型，每个单层铺层厚度约为0.25 mm，铺层纤维方向均为单向(unidirectional,UD)，铺层叠压形式为“0°/45°/90°/-45°…”。
由于试验中复合材料中所含碳纤维体积分数较高，达到60%;而且碳纤维本身又具有较高的比强度和比模量，因此钻削试验所用刀具的材料全部选择硬质合金。
碳纤维复合材料在应用于航空航天领域中所需大量的孔的直径一般用于连接，为了便于观察，综合考虑，钻削试验中所钻削孔的直径选择为Φ10 mm。
试验选取四种刀具，分别为麻花钻、螺旋铣刀、台阶钻、烛芯钻，如图1所示。烛芯钻和台阶钻是在麻花钻的基础上通过刃磨后刀面以及修正横刃得到。台阶钻的台阶直径为7 mm，台阶长度5 mm，整个台阶采用曲线过度。
本试验初步选择的主轴转速n分别为1 500 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min。所有钻头和铣刀的z向进给量分别为100 mm/min、175 mm/min、250mm/min[4]。
由于聚合物基复合材料散热性能较差，并且也为了防止在钻削中产生碳纤维微粒粉尘[5]，同时能够有效降低摩擦，所有的孔加工都使用了冷却性能较好的水溶性切削液。
试验使用的机床为国内汉川机床集团有限公司产的HCZK134型立式数控铣床，其定位精度高、切削稳定，其主要参数如表1所示。为了便于观察复合材料孔加工的进出口毛边和分层，试验中使用日本基恩士KEYENCE公司的VHX-600E型超景深三维数码显微镜，同时使用SJ—310表面粗糙度仪测量孔壁表面质量。
2 试验结果与分析
2.1 切削参数对出口缺陷的影响分析
碳纤维复合材料制孔过程中的出口缺陷是常见的加工缺陷之一，出口缺陷的有无及大小常可代表制孔质量的高低。孔加工在出口处的顶出分层缺陷和孔壁的裂纹、纤维拔出缺陷更为显著，对产品产生危害也更大[6,7]，因此主要论述切削参数对出口缺陷的影响分析。
如图2所示为不同切削参数下的孔加工出口缺陷，刀具为台阶钻。
由图2可知，CFRP制孔在出口处出现了毛边现象和分层现象，并且不同切削参数下，缺陷的严重程度也不同。具体而言，在出口处，钻头转速和进给量对毛边的影响程度相当，但是规律相反。从图2中(a-1)→(a-2)→(a-3)、(b-1)→(b-2)→(b-3)、(c-1)→(c-2)→(c-3)相比较可知，进给量f越大，孔的出口处的毛边缺陷也越严重;然而从图2中(a-1)→(b-1)→(c-1)、(a-2)→(b-2)→(c-2)、(a-3)→(b-3)→(c-3)相比较可知，随着钻头的转速的增大，孔的出口处的毛边缺陷则逐渐减少。
a-、b-、c-转速分别为1 500、2 000、3 000 r/min,-1、-2、-3进给量分别为100、175、250 mm/min
在关于碳纤维复合材料制孔缺陷的研究，常常引入分层因子Fd这一概念来对进出口处的表面发生的撕裂和分层进行评价。分层因子Fd的计算方法为
式中Dmax为实际加工孔在进出口处出现分层破坏区域的最大直径;D为孔加工的公称直径。
由分层因子Fd作为制孔质量的评价标准时，也得到与毛边缺陷相类似的规律，如图3所示为主轴转速对分层因子的影响。由图3知，随着主轴转速的增大，分层因子Fd有减小趋势，孔加工在出口处分层范围减小。当进给量为100 mm/min，主轴转速分别由1 500 r/min增大为2 000 r/min和3 000 r/min时，分层因子的降幅分别为0.09和0.05，而进给量为175 mm/min和250 mm/min对应的降幅为0.22和0.01、0.32和0.03，说明在低转速(1 000～2 000 r/min)阶段，分层因子随着主轴转速变化较大。当主轴转速超过2 000 r/min后，转速对分层因子的影响变小，即当主轴转速高于2 000 r/min后，转速的提高也不能显著改善孔加工出口处的分层缺陷。相反，过高的转速会增加切削速度，在切削过程中产生大量的热量，不仅会软化CFRP基体材料，还会加剧刀具磨损。
分层因子不仅受主轴转速的影响，还受刀具的进给量的影响，如图4所示。由图中曲线可知，随着进给量的增大，分层因子Fd也增大。说明CFRP制孔刀具进给量增大，孔加工在出口处分层范围扩大。
保持主轴转速为1 500 r/min，进给量从100mm/min增大1.75倍、再增大2.5倍变为175 mm/min、250 mm/min时，分层因子变由0.55增大为0.93、1.64，变化倍率为1.691和1.763;这说明钻头进给量对分层因子的影响较大，大大超过了主轴转速。相应地，对于转速为2 000 r/min和3 000 r/min，进给量做相应的增量，分层因子的变化倍率为1.543和1.860、1.707和1.843，说明在进给量较大(175～250 mm/min)时，CFRP制孔出口缺陷随着进给量的急剧增大;而在小进给量(100～175 mm/min)阶段，分层因子的增幅放缓，出口处的分层缺陷范围对进给量的变化敏感度降低，但是仍然远高于主轴转速。这与已有研究有相类似的结论[8]。
此外，实验数据还显示，虽然此次试验中螺旋铣削制孔与其他钻削制孔在切削原理上略有不同，但是以分层因子Fd作为评价标准时，切削参数对孔加工质量的影响方面，均和其他形式的钻头一样，服从和台阶钻制孔相类似的规律。
2.2 切削参数对孔壁质量影响
如图5为不同切削参数下台阶钻制孔的孔壁形貌。
a-、b-、c-转速分别为1 500、2 000、3 000 r/min,-1、-2、-3进给量分别为100、175、250 mm/min
图6为选取进给量分别为100 mm/min、175mm/min、250 mm/min下4种不同刀具制孔对孔壁粗糙度的影响。
图7为选取主轴转速分别为1 500 r/min、2 000r/min、3 000 r/min下4种不同刀具制孔对孔壁粗糙度的影响。
将图6和图7中的实验数据分别进行对比分析，可以得知选取不同刀具对CFRP制孔孔壁粗糙度Ra值都随着进给量f的增加呈上升趋势;随着主轴转速的提高呈下降趋势。这说明在适当范围之内提高转速、降低进给量能够提高CFRP制孔质量。
具体分析图6可知，除了螺旋铣制孔工艺之外，其他曲线总体趋势比较平缓，说明在CFRP制孔中进给量对表面粗糙度Ra的影响比较小。其中螺旋铣在转速为2 000 r/min和3 000 r/min时，其Ra值由进给量为100 mm/min变为175 mm/min时的增量要小于由175 mm/min变为250 mm/min时的增量;传统麻花钻和烛芯钻在转速为2 000 r/min时，孔加工表面粗糙度Ra和进给量几乎成线性关系;其他制孔工艺参数下则表现出由进给量为100 mm/min变为175 mm/min时的增量要大于由175 mm/min变为250 mm/min时的增量。
具体分析图7中可知，所有曲线趋势比较曲折，说明在CFRP制孔中表面粗糙度Ra受主轴转速S的影响比较大，远远超过了进给量f。分析图中曲线可知，无论采取哪种刀具，在哪种进给量下，当转速由2 000 r/min增至3 000 r/min时，变化较为平缓，Ra负增量比较小，甚至出现了台阶钻在100 mm/min的进给量下，从1.734μm减小到1.716μm;但在1 500～2 000 r/min区间，表面粗糙度Ra值的变化则层次不一。具体而言，烛芯钻在f=175 mm/min时，Ra的负增量为0.110，小于在2 000～3 000r/min的0.576;传统麻花钻和螺旋铣在f=100、175mm/min以及烛芯钻取f=175 mm/min时，Ra负增量与2 000～3 000 r/min区间持平;而选取其余的刀具和进给量时，Ra的负增量变化较大，从5.737到3.277不等。以上分析结果说明CFRP制孔中，转速在2 000～3 000 r/min时有较好的稳定性。
3 结论
通过试验可知，不同的切削参数，对CFRP制孔质量有很大影响。通过选取适当的切削参数能够获得较小孔出口处的分层缺陷，并且能够有效提高孔表面质量。具体得到的实验结论如下:
(1)CFRP制孔中，不同切削参数下，制孔缺陷的严重程度也不同。具体而言，在出口处，钻头转速和进给量对毛边的影响程度相当，但是规律相反。
(2)出口缺陷随着进给量的增加而急剧增大，而在小进给量(100～175 mm/min)阶段，分层因子的增幅放缓，出口处的分层缺陷范围对进给量的变化敏感度降低，但是仍然远高于主轴转速。
(3)当主轴转速高于2 000 r/min后，转速的提高也不能显著改善孔加工出口处的分层缺陷。
(4)选取不同刀具对CFRP制孔过程中，孔壁粗糙度Ra值随着进给量f的增加呈上升趋势，随着主轴转速的提高呈下降趋势。
(5)在CFRP制孔中表面粗糙度Ra受主轴转速的影响比较大，远远超过了进给量。
(6)CFRP制孔过程中转速在2 000～3 000 r/min时有较好的稳定性。
摘要：选取不同的切削参数,对碳纤维复合材料(CFRP)制孔质量有很大影响。因此深入研究碳纤维复合材料在使用不同类型刀具下选取不同的切削参数的制孔缺陷具有重要意义。设计了单因子试验,选取制孔刀具传统麻花钻、螺旋铣刀、台阶钻、烛心钻,分别在不同切削参数下对CFRP进行了切削制孔试验;并且利用超景深电子显微镜观测加工缺陷,使用表面粗糙度测量仪测量孔壁粗糙度;并引入分层因子的概念对出口缺陷进行了分析对比研究。研究结果表明,在CFRP制孔中,孔壁表面粗糙度受主轴转速的影响比较大,远远超过了进给量;通过选择适当的切削参数,能够获得较小孔出口处的分层缺陷,并且能够有效提高孔表面质量。
关键词：CFRP,切削参数,制孔缺陷,孔壁质量
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切削质量 篇7
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
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