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      難切削材料數(shù)控加工自動(dòng)斷屑方法

      2017-07-31 20:40:33張青生
      裝備制造技術(shù) 2017年6期
      關(guān)鍵詞:進(jìn)給量冷卻液冷卻系統(tǒng)

      張青生

      (中國(guó)工程物理研究院材料研究所,四川綿陽(yáng)621907)

      難切削材料數(shù)控加工自動(dòng)斷屑方法

      張青生

      (中國(guó)工程物理研究院材料研究所,四川綿陽(yáng)621907)

      不銹鋼、鈦合金等難切削材料的斷屑問(wèn)題直接影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在充分認(rèn)識(shí)切屑形成過(guò)程的基礎(chǔ)上,對(duì)數(shù)控加工自動(dòng)斷屑方法進(jìn)行了歸納,在比較自動(dòng)斷屑方案的基礎(chǔ)上,利用高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法對(duì)某鎳基合金的數(shù)控車(chē)削實(shí)現(xiàn)了較好的斷屑效果。

      難切削材料;數(shù)控加工;自動(dòng)斷屑

      不銹鋼、鈦合金等難切削材料在兵器工業(yè)、航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用,但隨著機(jī)械加工數(shù)控化的普及,切削過(guò)程中的斷屑問(wèn)題日益凸顯。在數(shù)控加工過(guò)程中,這些難切削材料切屑的形成和折斷過(guò)程極其復(fù)雜,經(jīng)常出現(xiàn)切屑纏繞刀具和工件的現(xiàn)象,破壞精加工后零件的表面質(zhì)量,影響刀具使用壽命,并且不利于保證加工人員的操作安全性,限制了自動(dòng)化加工效率[1]。

      針對(duì)難切削材料加工過(guò)程中的斷屑問(wèn)題,在充分認(rèn)識(shí)切屑形成過(guò)程的基礎(chǔ)上,從加工設(shè)備、切削刀具、切削參數(shù)、附加裝置等方面對(duì)數(shù)控加工自動(dòng)斷屑方法進(jìn)行了歸納,在比較自動(dòng)斷屑方案的基礎(chǔ)上,利用高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法對(duì)某鎳基合金的數(shù)控車(chē)削實(shí)現(xiàn)了較好的斷屑效果。

      1 切屑形成過(guò)程

      大多難切削材料屬于塑性好、屈服強(qiáng)度高的金屬材料,切削過(guò)程如圖1所示,刀具作用范圍內(nèi)的切削層可劃分為三個(gè)變形區(qū)。切削過(guò)程中切屑的變形,主要表現(xiàn)在切削層金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榍行紩r(shí)的變形,即Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的變形。切削層金屬在外力作用下,靠近切削刃時(shí)產(chǎn)生彈性變形,當(dāng)與刀刃的距離更近時(shí),變形逐漸增大,應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限,產(chǎn)生塑性變形,金屬內(nèi)部晶格發(fā)生畸變和滑移。如果變形程度超過(guò)斷裂變形,切屑就會(huì)產(chǎn)生裂紋,直至折斷。

      圖1 切削過(guò)程示意圖

      在粗加工中,通過(guò)調(diào)整切屑速度、切削深度并使用冷卻液,能夠很好地改善車(chē)削斷屑性能。但是在精加工中,進(jìn)給速度、切屑深度較小,切屑一般呈現(xiàn)長(zhǎng)條帶狀,長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)米,自動(dòng)斷屑性能很差。

      2 自動(dòng)斷屑方法

      從加工設(shè)備、切削刀具、切削參數(shù)、附加裝置等應(yīng)用于切屑控制的情況來(lái)看,常用的自動(dòng)斷屑方法有振動(dòng)斷屑法、變進(jìn)給量斷屑法、預(yù)制斷屑溝槽斷屑法、斷屑槽斷屑法、斷屑器斷屑法、刀具參數(shù)優(yōu)化斷屑法、高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法等。

      振動(dòng)斷屑法有意適當(dāng)減小刀具的剛度,使切削過(guò)程中刀具產(chǎn)生自激振動(dòng),刀具切入工件的深度發(fā)生有規(guī)律的變化,產(chǎn)生粒狀、塊狀或C形的切屑,達(dá)到斷屑和排屑的目的[2]。變進(jìn)給量斷屑法周期性改變切屑厚度而自動(dòng)斷屑,對(duì)加工過(guò)程的平穩(wěn)性不利[3]。預(yù)先在被加工工件表面上開(kāi)槽,使切屑在切削過(guò)程中按預(yù)定的長(zhǎng)度和方向斷屑。對(duì)于外圓加工可在待加工表面上銑出一定深度和寬度的直槽或斜槽。由于此種斷屑方法須附加開(kāi)槽工序,加工過(guò)程有一定的沖擊,可能對(duì)已加工表面產(chǎn)生不良影響等,不宜多采用[4]。

      斷屑槽在自動(dòng)斷屑中應(yīng)用較多,主要有二維斷屑槽和三維斷屑槽。二維斷屑槽中直線形、直線圓弧形斷屑槽適用于碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼的加工,而全圓弧形斷屑槽用于切削紫銅、不銹鋼等高塑性材料[5,6],為適應(yīng)更多材料的加工,三維斷屑槽應(yīng)用越來(lái)越廣。斷屑器作為附加裝置安裝在刀具上,可以增大切屑的基本變形,與切屑槽有異曲同工之處。刀具參數(shù)對(duì)切屑的形態(tài)有一定影響,刀具的前角越大,切削的連續(xù)性越強(qiáng),前角為負(fù)值時(shí),斷屑效果提升,刀具的主偏角和倒棱對(duì)切屑的形狀都有一定影響,特別是在精加工中調(diào)整切削參數(shù)將將對(duì)自動(dòng)斷屑起到作用。

      高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法應(yīng)用到了飛流刀具系統(tǒng),如圖2所示,山高刀具推出了全新的Jetstream ToolingR 飛流系統(tǒng),可使冷卻液噴嘴非常貼近切削區(qū)域。飛流刀具系統(tǒng)非常巧妙地在刀夾的旋轉(zhuǎn)頂部壓塊中放置了冷卻通道,冷卻液壓力、流量和通道的小孔徑,均可促使猛烈的高速冷卻液流輕松穿透并潤(rùn)滑緊靠切削刃后方的主要發(fā)熱區(qū)域。在非??拷邢魅械奈恢?,配置一個(gè)冷卻液楔塊,可以獲得最佳的冷卻和斷屑效果。

      圖2 Jetstream ToolingR 飛流刀具系統(tǒng)

      3 自動(dòng)斷屑方法的應(yīng)用

      3.1斷屑方法比較

      表1對(duì)常用的斷屑方法進(jìn)行了比較。振動(dòng)斷屑法、變進(jìn)給量斷屑法、預(yù)制斷屑溝槽斷屑法是較為傳統(tǒng)的方法,加工過(guò)程中精度穩(wěn)定性差。斷屑槽斷屑法、斷屑器斷屑法、刀具參數(shù)優(yōu)化斷屑法應(yīng)用成熟,但對(duì)于不銹鋼、鈦合金等難切削材料的數(shù)控加工,特別是數(shù)控車(chē)削,自動(dòng)斷屑效果不明顯。高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法是最近經(jīng)常使用的斷屑方法,適用于數(shù)控車(chē)削、銑削過(guò)程中的冷卻潤(rùn)滑和自動(dòng)斷屑。

      表1 斷屑方法比較

      3.2 高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法的應(yīng)用

      對(duì)于某鎳基合金的數(shù)控車(chē)削,進(jìn)行了高壓冷卻系統(tǒng)斷屑法的實(shí)施。車(chē)削試樣為外徑120 mm、壁厚8 mm的管材,采用液壓卡盤(pán)裝夾,飛流刀具噴射切削液的壓力有三個(gè)水平0.25 MPa、4 MPa、8 MPa,主軸轉(zhuǎn)速600 r/min,背吃刀量0.5 mm,進(jìn)給量0.16 mm/r.圖3為三組試驗(yàn)的切屑形態(tài),可以看出當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量和進(jìn)給量特定情況下,在0.25 MPa ~8 MPa范圍內(nèi)增加切削液壓力有利于提高該鎳基合金數(shù)控車(chē)削過(guò)程中的斷屑性能,切屑逐漸趨向于短卷屑的可控形態(tài)。

      圖3 不同切削液壓力時(shí)的切屑形態(tài)

      4 結(jié)束語(yǔ)

      對(duì)于不銹鋼、鈦合金等難切削材料的數(shù)控加工自動(dòng)斷屑問(wèn)題,振動(dòng)斷屑法、變進(jìn)給量斷屑法、預(yù)制斷屑溝槽斷屑法等傳統(tǒng)方法已經(jīng)不宜使用在有一定精度要求的場(chǎng)合,斷屑槽斷屑法、斷屑器斷屑法、刀具參數(shù)優(yōu)化斷屑法在精加工中的斷屑效果不理想。將壓力為4 MPa左右的高壓冷卻液應(yīng)用在某鎳基合金的數(shù)控車(chē)削,切屑逐漸趨向于短卷屑的可控形態(tài)。

      [1]陳金堂.車(chē)削過(guò)程中影響斷屑的因素及改進(jìn)措施[J].金屬加工(冷加工),2014(10):49-50.

      [2]蔣鐵軍.車(chē)削加工振動(dòng)斷屑法[J].機(jī)械工人,2000(12):9.

      [3]張克貴,周伯華,崔海斌,等.切削加工強(qiáng)制斷屑方法的研究與應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2009(8):88-90.

      [4]趙麗杰,顧立志,常立祥.自動(dòng)線刀具斷屑方法的研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào),2000,18(4):321-325.

      [5]王大力.三維槽型斷屑機(jī)理及預(yù)報(bào)的研究[M].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2005.

      [6]劉二亮.三維復(fù)雜斷屑槽斷屑性能及斷屑預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

      Methods of Swarf Breaking-up Automatically for Hard-to-cut Materials in NC Process

      ZHANG Qing-sheng
      (China Academy of Engineering Physics Institute of Materials,Mianyang Sichuan 621907,China)

      For hard-to-cut materials,such as 1Cr18Ni9Ti and titanium alloy,swarf breaking-up becomes one of the issues which influence machining quality and manufacturing efficiency.Based on comprehensive understand of formation mechanisms of swarf,methods of swarf breaking-up automatically have been concluded. Then the solutions are compared,and by taking advantage of high-pressure cooling system swarf is broken up effectively in the numerical turning process as for Nickel-based alloys.

      hard-to-cut materials;numerical process;swarf breaking-up automatically

      TH162

      A

      1672-545X(2017)06-0065-02

      2017-03-24

      張青生(1963-),男,河南內(nèi)黃縣人,大專(zhuān),主要從事特種材料機(jī)械加工。

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