文 武， 王西彬， 王 營(yíng)， 夏 青

（1. 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044； 2. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院， 北京 100081）

0 引言

粉末冶金（PM）[1-2]是將金屬粉末與金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末按需要的比例混合后在模腔中壓制成型[3]，然后經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)[4-5]和精整[6-7]成為機(jī)械零件的工藝，是一種節(jié)材、高效、污染少、適合批量生產(chǎn)的少或無(wú)切削加工的制造工藝， 采用該工藝制造的零件有許多重要獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)， 特別是它的殘余多孔結(jié)構(gòu)使其具有良好的自潤(rùn)滑性和隔音性，使其在許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，特別是用粉末冶金制成的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈具有良好的綜合性能，能滿足其耐磨損、耐腐蝕、抗沖擊的要求。

某設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)桿孔、 氣門座圈材料為粉末冶金[8-10]，硬度為HRC39～43，密度≥7.2g/cm3，其金相組織在未浸蝕狀態(tài)下為細(xì)小的微孔和灰色金屬夾雜物， 浸蝕后為微孔+灰色金屬夾雜物+較粗的馬氏體+殘余奧氏體+極少的未溶合金質(zhì)點(diǎn)。 本實(shí)驗(yàn)針對(duì)某裝備發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門導(dǎo)桿孔、墊圈座的加工存在刀具磨損快等問(wèn)題，研究并解決特種粉末冶金材料切削技術(shù)難題[11]，分析切削過(guò)程中的切削力規(guī)律以及表面粗糙度規(guī)律，確定合適的刀具材料，為后期設(shè)計(jì)一種深孔加工復(fù)合刀具奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

機(jī)床：C620-3 臥式車床；

測(cè)力儀：三向壓電晶體測(cè)力儀9257B。

切削刀具：金屬陶瓷刀具刀片F(xiàn)D22 和硬質(zhì)合金刀片YT726，所選刀具材料的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1，工作角度見(jiàn)表2。

切削液：實(shí)驗(yàn)采用干切削形式。

切削用量及要求：進(jìn)給量分別采用0.05mm/r，0.1mm/r，0.16mm/r，0.2mm/r，0.25mm/r；切削深度采用0.1mm，0.2mm；

表1 刀具材料的性能指標(biāo)

表2 刀具工作角度指標(biāo)

切削速度：每種切削條件下，YT726 和FD22 的切削速度為62m/min，75m/min，106m/min，125m/min，150m/min。

1.2 切削力測(cè)量系統(tǒng)的原理

測(cè)量方法是將刀具固定在測(cè)力儀上， 測(cè)力儀固定在車床工作臺(tái)上，如圖1 所示，系統(tǒng)所用的測(cè)力儀為三向壓電晶體測(cè)力儀Kistler 9257B，電荷放大器為Kistler 5017B（性能參數(shù)見(jiàn)表3）。

圖1 車削力測(cè)量系統(tǒng)原理圖

表3 三向壓電晶體測(cè)力儀和電荷放大器性能參數(shù)

本測(cè)量系統(tǒng)具有量程大、剛性好、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、頻率響應(yīng)范圍寬、線性度好、漂移量小、低通濾波性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足銑削力測(cè)量的要求。X、Y、Z 三個(gè)方向的切削力信號(hào)分別經(jīng)高阻抗的導(dǎo)線輸入到電荷放大器相應(yīng)的通道中， 由電荷放大器把輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，A/D 轉(zhuǎn)換板把從電荷放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。 切削過(guò)程中產(chǎn)生的力信號(hào)首先經(jīng)過(guò)測(cè)力儀變成電荷量信號(hào)，又經(jīng)過(guò)電荷放大器變成電壓量信號(hào)，然后通過(guò)采樣板在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行采樣。 采樣的頻率和時(shí)間可以通過(guò)軟件設(shè)定， 為了精確測(cè)量銑削力的動(dòng)態(tài)變化，采用較高的采樣頻率即fs=20kHz，采樣時(shí)間為2s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 切削力實(shí)驗(yàn)

圖2 切削條件為：切削速度vc=62m/min，在切削深度ap=0.1mm 和0.2mm 的情況下，改變進(jìn)給量對(duì)主切削力的影響。 圖3 切削條件為：切削深度ap=0.2mm，在進(jìn)給量f=0.1mm 和0.2mm 的情況下， 改變切削速度對(duì)主切削力的影響。 在切削深度ap和進(jìn)給量f 一定的情況下，主切削力Fz 隨著切削速度vc的增大而減小。在切削速度vc 和切削深度ap一定的情況下， 主切削力Fz隨著進(jìn)給量f 的增大而增大。

圖2 進(jìn)給量對(duì)主切削力的影響

圖3 切削速度對(duì)主切削力的影響

圖4 切削速度對(duì)主切削力的影響

圖5 進(jìn)給量對(duì)主切削力的影響

2.2 表面粗糙度

圖6 切削條件為： 切削深度ap=0.2mm， 在進(jìn)給量f＝0.1mm 的情況下，改變切削速度對(duì)主切削力的影響。 圖7切削條件為： 切削深度ap=0.2mm， 在切削速度vc=106m/min 的情況下，改變切削速度對(duì)主切削力的影響。

圖6 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響

圖7 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

圖6、7 表明，在同等條件下，用陶瓷刀FD22 加工過(guò)的工件的表面粗糙度Ra 值比用硬質(zhì)合金刀YT726 加工過(guò)的工件的表面粗糙度Ra 值小， 所以要想獲得較小的粗糙度，應(yīng)盡量選用陶瓷刀片。粗糙度的測(cè)量結(jié)果表明，進(jìn)給量對(duì)加工表面的粗糙度影響比較大，進(jìn)給量越大粗糙度值越高，而切削速度對(duì)表面粗糙度影響較小，金屬陶瓷刀具加工的表面粗糙度明顯低于YT 類硬質(zhì)合金刀具，主要有兩方面的原因： ①是因?yàn)榻饘偬沾傻毒卟捎秘?fù)前角切削，對(duì)加工表面有較強(qiáng)的擠壓作用，改變了粉末冶金材料本身的多孔性結(jié)構(gòu)組織，使加工表面的粗糙度降低；②是因?yàn)榻饘偬沾傻毒吲c加工零件之間的摩擦系數(shù)較小，使切屑不容易在前刀面上形成滯流層，這也有利于減小表面粗糙度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)以上的切削力實(shí)驗(yàn)和表面粗糙度實(shí)驗(yàn)， 可以得出以下結(jié)論： 在用金屬陶瓷刀具刀片和硬質(zhì)合金刀片切削加工某設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈粉末冶金材料， 主切削力會(huì)隨著進(jìn)給量和切削深度的增大而增大， 而隨著切削速度的增大而減小； 表面粗糙度值會(huì)隨著進(jìn)給量的增大而增大，而切削速度對(duì)表面粗糙度的影響較??；在同等加工條件下，陶瓷刀會(huì)比硬質(zhì)合金刀受更小的切削力，獲得更小的表面粗糙度。在氣門座圈批量化生產(chǎn)過(guò)程中，刀片材料選陶瓷刀FD22。