改进车削不锈钢、铝合金时积屑瘤的措施
鞠海华
【摘 要】分析了车削加工过程中积屑瘤的形成原因及其有利影响和不利影响.探讨了加工中常用材料不锈钢、铝合金的加工特性,通过实验提出了相应的既能保证加工精度又能提高车削效率的改进措施. 【期刊名称】《济南职业学院学报》 【年(卷),期】2011(000)004 【总页数】3页(P68-70)
【关键词】车削加工;积屑瘤;切削参数 【作 者】鞠海华
【作者单位】北京现代职业技术学院,北京101300 【正文语种】中 文 【中图分类】TG51
在金属切削过程中,常常有一些从切削和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上,形成一个非常坚硬的金属堆积物,其硬度是工件材料硬度的 2-3倍,能够代替刀刃进行切削,并且以一定的频率生长和脱落。这种堆积物称为积屑瘤[1],如图 1所示。 由于积屑瘤是在很大的压力、强烈的摩擦和剧烈的金属变形的条件下产生的。因而,切削条件也必然通过这些作用而影响积屑瘤的产生、长大与消失。防止积屑瘤产生的措施[2]有:
1、适当提高工件材料的硬度。当工件材料的硬度低、塑性大时,切削过程中的金属
变形大,切屑与前刀面间的摩擦系数 (大于 1)和接触区长度比较大。在这种条件下,易产生积屑瘤。
2、增大刀具前角。刀具前角增大,可以减小切屑的变形、切屑与前刀面的摩擦、切削力和切削热,可以抑制积屑瘤的产生或减小积屑瘤的高度。
3、避免中速车削工件。切削速度主要是通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤的。当低速切削时,产生切削温度很低,切屑与刀具前刀面间为点接触,摩擦系数较小,故不易形成粘结;而高速切削时,切屑底层材料软,产生的切削温度较高,接触面间切屑底层金属呈微熔状态,起润滑作用,使摩擦系数也较小,积屑瘤也不易形成;只有在中速切削时,粘结严重,摩擦系数变大,产生积屑瘤最大。因此,在精加工时为了提高加工表面质量,应尽量不采用中速加工。
4、减小吃刀量。切削塑性材料时,切削力、切屑与前刀面接触区长度都将随切削厚度的增加而增大,将增加生成积屑瘤的可能性。所以,在精加工时,应采用减小进给量或刀具主偏角来减小吃刀量。
积屑瘤的硬度比原材料的硬度要高,可代替刀刃进行切削,提高了刀刃的耐磨性;同时积屑瘤的存在使得刀具的实际前角变大,刀具变得较锋利。但积屑瘤的存在,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,而刀具刀尖的实际位置也会随着积屑瘤的变化而改变,同时,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。所以这样加工后所得到的工件表面质量和尺寸精度都会受到影响。所以积屑瘤有利有弊。粗加工时,对精度和表面粗糙度要求不高,如果积屑瘤能稳定生长,则可以代替刀具进行切削,保护了刀具,同时减少了切削变形。精加工时,则绝对不希望积屑瘤的出现。
1、不锈钢。在进行不锈钢零件试加工时,以3Cr13钢为例,3Cr13钢与 40钢、45钢相比,3Cr13钢的强度、延伸率、断面收缩率、冲击性能等指标都比 40钢、45钢高,是一种强度高、塑性好的中碳马氏体不锈钢[3]。
首先,按车削普通碳钢的工艺方法对 3Cr13钢进行了车削试验,结果是刀具磨损严重,生产率低,零件表面质量达不到要求。由于切削时加工硬化严重,切削抗力大,切削温度高,容易黏刀,产生积屑瘤,刀具磨损严重,使磨刀次数增多,增加了停机时间和机床调整时间,降低了生产率。同时积屑瘤引起工件尺寸的变化并影响表面粗糙度。所以,不能用切削 45钢的工艺来切削 3Cr13钢,也不能把普通车床上的加工方法照搬到数控车床上来。针对上述问题,采取了以下几项加工工艺措施对加工中的积屑瘤状态进行改进。
(1)改变材料的硬度。马氏体不锈钢在热处理后的不同硬度,对积屑瘤的产生影响很大。表1所示是用 Y W2材料的车刀对热处理后不同硬度的 3Cr13钢的车削情况。可见,调质处理后硬度在 HRC30以下的 3Cr13材料加工性较好,不易产生积屑瘤,易达到较好的表面质量。而硬度大于 HRC30时加工出的零件,表面质量虽然较好,但刀具易磨损。所以,在材料进厂后,先进行调质处理,硬度达到 HRC30以下,然后再进行切削加工。
(2)选用合适的刀具材料。刀具材料的切削性能关系着刀具的耐用度和生产率,因此,刀具材料宜选择硬度高、抗黏结性和韧性好的刀具材料。在相同切削参数的条件下,对几种材料的刀具进行了车削对比试验。从表 2可见,采用 TiCTiCN-T iN复合涂层刀片的外圆车刀,耐用度比较高,工件表面质量好、生产率高。
(3)刀具的几何角度的选取。加工不锈钢时,宜选用较大的前角。增大刀具的前角可减小切屑切离和清出过程中所遇到的阻力。对后角选择要求不十分严格,但不宜过小,后角过小容易和工件表面产生严重摩擦,使加工表面粗糙度恶化,加速刀具磨损。根据切削实验,车削马氏体不锈钢时,刀具前角为 10—20度时,产生积屑瘤情况最轻。后角一般选择 5—8度较合适,最大不超过10度。
(4)选取合理的切削速度和吃刀量。切削理论认为,切削速度对切削温度和刀具耐用度的影响最大,也影响着积屑瘤的产生。在切削不锈钢时,使切削温度低于或高于积
屑瘤产生的相对温度区域,将控制积屑瘤的产生。由实验可知,切削不锈钢时,切削速度 VC>120m/min或 VC<5m/min时已加工表面粗糙度值低,说明刀具上积屑瘤很小或没有。此外,减小切削过程中的吃刀量既有利于减少切削加工过程中热量的产生,又可提高加工质量。
(5)选用润滑性能好的切削液。不锈钢韧性大,切削时易产生积屑瘤,恶化加工表面,这就要求切削液有较高的润滑性能和较好的渗透性。采用润滑性能好的极压切削油或植物油,可使切屑和刀具间形成润滑膜的吸附膜,大大减少它们间的摩擦,在刀具上也不易产生积屑瘤。
2、铝合金。研究选用牌号为 2A12、6061两种常用铝合金材料进行切削实验,检测并记录了在每次切削加工结束时的积屑瘤高度和试验件温度,从而确定积屑瘤与切削温度、切削速度之间的关系。切削所用刀具材料是较为常用的高速钢W18Cr4V,进给速度为 0.153mm/r,吃刀量为 2.5mm。
图2 所示为积屑瘤高度与切削温度之间的关系,显示了切削 LY12和 6061两种铝合金材料时的积屑瘤高度与切削温度之间的关系。可见,图线虽然有些波动,积屑瘤高度随着切削温度的升高有所增大。
图3和图 4所示分别为积屑瘤高度与切削速度和切削体积的关系。在总体上,每种材料积屑瘤的高度均随着切削速度和体积的增加而增加,然后再随着切削速度和体积的增加而减小,中间部分值较高。这种现象与上述切削区温度即切削热有关,当切削速度高时,由于排屑良好,切屑带走大量切削热;切削速度低时,发热量相对较少,故积屑瘤偏小。积屑瘤高度与切削体积的关系也呈现类似情况,因为,在本切削试验中切削体积大时切削直径也大,切削速度也高,反之则低。
通过实验数据可知铝合金 6061的积屑瘤高度高于 LY12,在很大范围内积屑瘤都显示比较大的数值。这是由于 6061极富黏性的缘故[4]。黏性大,切削加工摩擦大,所以在加工过程中切削温度一直很高,并且难以降低,因此,积屑瘤大。
因此,在实际加工中,转速越高越不易产生积屑瘤,而在中转速情况下则极易产生积屑瘤,加工LY12铝合金时,切削速度应控制在 10m/min以下或 80m/min以上,加工 6061铝合金时,切削速度应控制在 5m/min以下或 100m/min以上。
实验主要是通过对不锈钢、铝合金材料进行切削加工,对其加工过程中产生的积屑瘤提出了改进措施,取得了较好的效果,提高了零件的加工质量和精度,今后将进一步探索积屑瘤产生的原因,以期在车削加工中更好地利用和控制积屑瘤,加工出更多更好的机械产品。 注释
[1]金属切削原理与刀具[M].北京:机械工业出版社,2007. [2]姚美瑜.积屑瘤对加工精度的影响[J].机电技术,2007,(1).
[3]刘忠伟.不锈钢的数控车削加工[J].组合机床与自动化加工技术,2003,(11). [4]贺曙新,张四弟.金属切削工[M].北京:化学工业出版社,2004.
