基于微觀鋸齒狀切屑的旋風硬銑削加工機理研究*

朱紅雨，李 迎

(1.南京化工職業技術學院， 南京 210048；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

基于微觀鋸齒狀切屑的旋風硬銑削加工機理研究*

朱紅雨1，李 迎2

(1.南京化工職業技術學院， 南京 210048；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

通過工具顯微鏡等工具觀察大型螺紋旋風硬銑削加工中鋸齒狀切屑的形態，采用單因素試驗方法，研究了刀具結構、切削速度、切削深度、冷卻方式對鋸齒狀切屑形貌的作用規律，建立了切屑微觀形貌隨加工參數變化和刀具結構變化的關系，對合理選擇刀具、科學指導切削工藝參數優化、提高螺紋加工精度打下了基礎。

大型螺紋；旋風硬銑削；微觀鋸齒狀切屑

0 引言

大型螺紋(長度大于8m，直徑大于200mm)是當前各類大型重載機床中將旋轉運動傳遞為直線運動的關鍵功能部件。旋風硬銑削技術可以實現對工件表面硬度達60HRC以上的大型滾珠絲杠和滾珠螺母實施硬銑削，以切代磨實現一體化加工、免去磨削和相關熱處理工序。大型螺紋旋風硬銑削加工中切屑形貌多為鋸齒狀切屑，切屑由于受到切削力、切削溫度和切削振動等因素的影響，其顏色、形貌等發生很大變化，特別是鋸齒狀切屑的微觀形貌。研究鋸齒狀切屑的形貌及其機理有助于合理選擇刀具、科學選取工藝參數、優化工件裝夾系統、提高螺紋加工精度。本文主要通過工具顯微鏡、光學顯微鏡等工具觀察切屑的微觀形貌，采用單因素試驗方法，系統研究鋸齒狀切屑與刀具材料和結構、切削速度、切削深度、冷卻方式之間的關系，進一步明析旋風硬銑削加工中刀-屑運動和作用機制，為研究旋風銑削系統集成優化和刀具磨損奠定基礎。

1 度量微觀鋸齒狀切屑的參數

為準確和客觀的描述切屑微觀形貌，便于比較和分析，本文用以下參數來度量切屑的微觀形貌：

Gs的計算方法如式1所示。

(1)

式中：H為鋸齒頂高，h1為鋸齒底高，H、h1示意見圖1。由于旋風銑削過程中切屑的不均勻性，在每組試驗中，測十組數據，取其平均值，作為Gs值。Gs用來衡量鋸齒形切屑的變形均勻程度，Gs越大，鋸齒化越嚴重，切屑的變形程度就越大。

(2)集中剪切頻率f

鋸齒形切屑的一個切屑單元是在擠壓、摩擦、集中剪切等作用下形成的，是一個周期性的過程，切屑單元的形成頻率可以由鋸齒周期長度計算得出。每一個切屑單元的形成是由一次集中剪切引起的，因此集中剪切的頻率f和切屑單元形成頻率是一致的，本文用單位長度鋸齒個數n來反映鋸齒的細密程度。

(3)剪切角φ和滑移角θ的變化

剪切角φ的大小與切屑變形有著十分密切的關系，對預測切屑變形程度和切削力的大小均有十分重要的意義。本試驗中，通過測量剪切滑移角θ，然后根據式2計算出剪切角φ。式中γ0為剪切角。

(2)

2 鋸齒狀切屑隨切削條件變化的規律研究

2.1 不同刀具加工后鋸齒狀切屑的特征

試驗用三種刀具結構和涂層材料見表1。

表1 三種PCBN刀具參數

表2是3種刀具在切削速度v=180m/min；切削深度ap=0.06mm；壓縮空氣冷卻下得到的切屑的金相組織照片，n為放大倍數100時單位長度的鋸齒個數。

表2 不同刀具下的切屑形貌

結合工件質量，從表1可以看出：①0°前角刀具產生的切屑鋸齒狀程度Gs大于-8°前角刀具獲得的切屑。②就整根切屑而言，-8°前角刀具受切削厚度的影響最嚴重，同一根切屑的不同部位鋸齒形貌差異明顯。③AlCrN不適合作為PCBN涂層，其切屑形狀不穩定，切削力略大，加工表面質量略低。④-8°前角刀具獲得切屑的單位長度鋸齒個數n最大，切屑鋸齒細密度最大，熱軟化作用明顯，材料的應變率增大，更容易產生集中剪切。

總體而言，T03刀具(-8°前角無涂層)綜合性能較好，后續試驗統一采用T03刀具。

2.2 切屑微觀形貌隨切削線速度的變化規律

表3是分別在干切削和氣冷切削條件下，切屑微觀形貌隨切削線速度變化情況，放大200倍，切削速度從120～240 m/min，切削深度ap=0.06mm，表4是主要參數的測量結果。

表3 切屑微觀形貌隨切削線速度變化的單因素試驗結果

表4 切屑微觀鋸齒化參數隨切削線速度變化的數值

根據表4，分別作圖2～圖4，易知：①切削線速度為160m/min時，鋸齒化最為嚴重。②在切削速度v<180m/min時，切屑的鋸齒高度和切屑的鋸齒周期長度較大，說明熱軟化的作用不是很明顯，相應的切削力較大；③當切削速度v>200m/min時，鋸齒的高度和厚度、鋸齒的周期長度都有很大的下降，說明此時，在第一變形區產生的熱能來不及散失，熱軟化作用明顯，切削力減小，更有利于加工。④隨著切削速度的增加，切屑鋸齒細密度增加，集中剪切頻率呈增加趨勢，材料的應變率增大。

圖1 鋸齒化程度求解示意圖

圖3 滑移角隨切削線速度的變化曲線

圖4 剪切頻率隨切削線速度的變化曲線

2.3 切屑微觀形貌隨切削深度的變化規律

表5是切削深度ap=0.03～0.09mm時切屑微觀形貌，放大倍數200。表6為試驗結果，并作圖5～圖7。

表5 切削深度變化的單因素試驗結果

表6 切屑微觀鋸齒化參數隨切削深度變化的數值

通過試驗數據分析表明：①隨著切削深度的增加，切屑鋸齒頻率降低，集中剪切頻率呈下降趨勢，材料的應變率降低；②隨著切削速度和切削厚度的增加，切屑的剪切角增加，鋸齒的高度和厚度越來越大，鋸齒的分布越來越均勻，絕熱剪切帶更容易觀察。

圖5 鋸齒化程度Gs隨切削深度的變化曲線

圖6 剪切頻率隨切削深度的變化曲線

圖7 剪切角和滑移角隨切削深度的變化曲線

3 結論

通過衡量鋸齒化程度Gs、集中剪切頻率f、單位長度鋸齒個數n和剪切角φ，試驗數據分析表明：鋸齒化程度Gs隨切削線速度的增加先增大，當切削線速度v>200m/min時，鋸齒化程度開始下降，熱軟化作用明顯；當最大切削深度ap>0.06mm時，鋸齒化程度最大。集中剪切頻率f隨切削線速度的增加而增加，隨切削深度的增加而降低，絕熱剪切帶易于觀察。剪切角φ隨切削線速度v和最大切削深度ap增加而增加。

[1] 魯世紅.高速切削鋸齒形切屑的試驗研究與本構建模[D].南京：南京航空航天大學,2009.

[2] 李迎.硬切削加工技術的研究現狀與發展趨勢[J].組合機床與自動化加工技術，2011(6):107-112.

[3] 朱紅雨，李迎.PCBN刀具硬態旋風銑削切屑宏觀形貌研究[J].制造技術與機床，2011(9):101-104.

[4] 劉超,艾興,劉戰強,等.高速切削過程中絕熱剪切臨界條件的研究[J].工具技術.2009,43(11):8-10.

[5] Zhu HongYu et al. Wavelet Neural Network based Research on Online Wearing Prediction of Ti6Al4V Cutter in High Speed Milling[J].Key Engineering Materials, Vol. 2010,431-432:205-208.

[6] Zhu HongYu，Li Ying. Study on Macro-Morphology of Hard whirling Chips. [J].Key Engineering Materials, 2012,499：312-317.

[7] Bin Li.Chip morphology of normalized steel when machining in different atmospheres with ceramic composite tool[J].Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2011(29): 384-391.

[8] Guo YB, Wen Q. A hybrid modeling approach to investigate chip morphology transition with the stagnation effect by cutting edge geometry [J]. Transactions of NAMRI/SEM 2005b; 33: 469-76.

[9] 張幼禎．金屬切削理論[M]．北京：航空工業出版社，1988.

[10] 文東輝. PCBN刀具硬態切削機理及技術[D]. 大連：大連理工大學,2002 .

(編輯 趙蓉)

Study on Machining Mechanism for Hard Whirling Based on Micro-Serrated Chips

ZHU Hong-yu1,LI Ying2

(1.Nanjing College of Chemical Technology,Nanjing 210048,China;2.College of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094,China)

Through observation on forms of serrated chips occur during large whirlwind thread hard milling by microscope, this article studied effect rules between serrated chips forms and cutting tools structure, cutting speed, cutting depth and cooling method and built change relation between chip microtopography and machining parameters and cutting tools structure by using the single factor test method. It laid foundation to choose cutting tools reasonably, guide optimization for cutting parameters and improve machining accuracy.

large thread; hard whirling; micro-serrated chips

1001-2265(2014)06-0118-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.032

2013-09-08；

2012-11-05

江蘇省高校科研成果產業化推進項目(JHB2012-66)

朱紅雨(1974—)，女，甘肅武威人，南京化工職業技術學院副教授，博士，研究方向為先進制造技術與裝備，(E-mail)zhuhongyu_hw@163.com。

TH166;TG65

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