生物制氫混合器整體渦輪高效切削技術(shù)研究

陳光慧，范彩霞，賈華貴，張業(yè)祥

（黃河科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州450063）

0 引言

利用混合菌產(chǎn)氫的關(guān)鍵工藝是攪拌工序[1]，混合器的性能常與攪拌時(shí)流體速度、葉輪產(chǎn)生的總泵送能力以及罐中的總流量有關(guān)。彎曲葉片渦輪系專門為攪拌纖維裝物料如紙漿或泥漿而開發(fā)[2]，這種葉輪不要加通常的容器擋板或中間間隔結(jié)構(gòu)就能獲得快速、充分的循環(huán)，如圖1所示。

圖1 彎曲葉片渦輪

葉輪的材料以不銹鋼最為常見，不銹鋼因其材質(zhì)中添加了Cr、Mo、Ti以及Ni等元素，使得其具有優(yōu)良的抗腐蝕性能和高溫強(qiáng)度保持性。然而不銹鋼也是諸多難切削材料中較為典型和常見的材料之一。倘若以優(yōu)質(zhì)碳素鋼45的可切削性為參考標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)為 1.0，那么奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼30Cr13，其可切削性約為0.2～0.35[3]，并且切削余量大，嚴(yán)重影響葉輪加工效率。

高效切削是在數(shù)控切削加工過程中，通過對(duì)“機(jī)床-零件-刀具-夾具”工藝系統(tǒng)特性、走刀路徑、切削用量等做具體分析，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本及綠色數(shù)控加工[4]。

文獻(xiàn)[5]提出在實(shí)際金屬切削加工過程中，從減小切削力的角度提出采用較小的軸向切深和進(jìn)給量，較大的銑削速度和徑向切深可以提高3Cr13的加工特性。而文獻(xiàn)[6]從提高切削效率的角度出發(fā)，提出在選用適當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速的情況下，加大刀具的切削量（切削深度）也能保證產(chǎn)品質(zhì)量并顯著提高切削效率。此外，文獻(xiàn)[7]提出對(duì)刀具使用壽命影響最大的是工件的可切削性和刀具-工件材質(zhì)的匹配性。因此，從刀具使用壽命、工件的可切削性和整體硬度等方面進(jìn)行綜合分析，研究三者之間的內(nèi)在規(guī)律性，對(duì)提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本具有十分積極的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[8]和[9]重點(diǎn)關(guān)注離心式葉輪的數(shù)控加工軌跡規(guī)劃和加工仿真；文獻(xiàn)[10]研究了以鋁合金和鈦合金為主的葉輪材料的高效加工技術(shù)。

針對(duì)30Cr13葉輪切削余量大、可切削性差的問題，本文從宏觀切削工藝過程規(guī)劃到具體切削參數(shù)實(shí)驗(yàn)及優(yōu)選，借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析，取得成本效率綜合最優(yōu)的切削參數(shù)及刀具軌跡，實(shí)現(xiàn)葉輪的高效切削。

1 工藝規(guī)劃

圖1所示渦輪毛坯為鍛造棒料，觀察此零件的結(jié)構(gòu)特征，并分析車銑兩種工藝特點(diǎn)，可知相對(duì)于銑削的多齒斷續(xù)切削，車削整個(gè)加工過程為連續(xù)切削，應(yīng)盡可能利用車削效率高的優(yōu)勢(shì)，提出以車代銑工藝去掉28.8%的切削余量。如圖2所示為數(shù)控車加工模型，車削完成外圓、球面、葉片中間材料去除和孔加工。

圖2 數(shù)控車加工模型

加工中心負(fù)責(zé)葉片輪廓加工，切削刀具規(guī)格的選擇以零件幾何特征為基礎(chǔ)，利用兩點(diǎn)半徑作圖法作與葉片端頭圓弧相切的最小圓，如圖3所示φ9 mm的圓即為所選刀具極限尺寸，因考慮到精加工余量，且葉片軸向較深，盡可能選擇大直徑的刀具，因此加工刀具直徑初選為φ8mm。

圖3 刀具直徑初選

根據(jù)初選的刀具直徑，采用輪廓線加工策略對(duì)加工的幾何過程進(jìn)行仿真，設(shè)定初始加工余量0.5 mm，進(jìn)行仿真加工，如圖4所示，從輔助制造系統(tǒng)檢測(cè)的仿真結(jié)果來看，直徑選為8 mm，過切量超過0.22 mm，如圖4中六個(gè)橢圓區(qū)域所示。通過多次幾何仿真加工驗(yàn)證，刀具直徑最終確定為φ7 mm，采用整體硬質(zhì)合金三刃直柄平頭立銑刀SM-3E-D7.0，涂層為ALTiN，刀具整體采用45°大螺旋角結(jié)構(gòu)，刀具齒數(shù)3個(gè)。

圖4 刀具軌跡仿真

從圖4的加工軌跡來看，因?yàn)槿コ嗔坎痪鶆颍邢鲗挾仍谡麄€(gè)加工過程中是變化的，其中切削寬度最大為刀具直徑7.5 mm，約占整個(gè)切削時(shí)間的50%，其余切削時(shí)間的切削寬度約為刀具半徑3.25 mm。此外，葉片總深度20 mm，需要分層切削完成，考慮到切削寬度比較大，每層切深數(shù)據(jù)應(yīng)相應(yīng)減小；每齒進(jìn)給量由加工表面粗糙度及刀具材料綜合求出；影響高效加工的主要因素是切削速度，需要通過實(shí)驗(yàn)獲得刀具磨損的數(shù)學(xué)模型。

2 刀具壽命實(shí)驗(yàn)

從第1節(jié)的工藝規(guī)劃部分可知，切削深度、每齒進(jìn)給量也對(duì)耐用度有影響，只不過相對(duì)于切削速度而言，切削深度、每齒進(jìn)給量與加工表面質(zhì)量、加工余量及采用刀片的斷屑槽設(shè)計(jì)有關(guān)，它的取值可根據(jù)工件、刀具材料及幾何結(jié)構(gòu)特征確定。因此切削速度是影響刀具耐用度的主要因素，具體工藝參數(shù)規(guī)劃前應(yīng)先通過實(shí)驗(yàn)確定切削速度的合理取值區(qū)間。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

（1）工件

實(shí)驗(yàn)使用工件材料為30Cr13，直徑60 mm，其調(diào)質(zhì)硬度為HB241-285，其具體化學(xué)成分參數(shù)如表1所示。

表1 化學(xué)成分（%）

（2）刀具

車削實(shí)驗(yàn)采用刀具材料為PVD涂層鎢鈷類硬質(zhì)合金YBG205，添加耐磨和耐高溫元素的超細(xì)TiAlN基納米涂層，高的涂層硬度和優(yōu)良的耐高溫性能為切削刃提供有效的保護(hù)，涂層和基體結(jié)合更牢固，適合不銹鋼材料的精密車削，刀片型號(hào)及幾何參數(shù)如表2所示。

表2 刀具幾何參數(shù)

（3）儀器與設(shè)備

掃描電鏡及能譜分析：FEIQuanta 250 FEG。

光學(xué)顯微鏡：金相顯微鏡OLYMPUS-BX51M。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：寶雞機(jī)床CX7520A，數(shù)控系統(tǒng)采用日本FANUC系統(tǒng)。

2.2 刀具磨損實(shí)驗(yàn)

保持切削深度（1.5 mm）和進(jìn)給量（0.2 mm/rev）不變，只改變切削速度作磨損實(shí)驗(yàn)，每切削一定時(shí)間測(cè)量一次被加工工件表面幾何尺寸及粗糙度，得出在各種速度下刀具磨損對(duì)應(yīng)的刀具耐用度T1、T2、T3、T4等。刀具耐用度用分鐘（min）來表示。切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 刀具磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3可以看出，刀具耐用度隨切削速度的變化較為劇烈，切削速度位于142m/min時(shí)刀具耐用度最好，圖5為該速度下光學(xué)顯微鏡觀察到切削區(qū)的微觀照片，圖中刀尖圓弧尚比較光滑，前刀面上接近刀尖圓弧刃有較明顯的月牙洼，左側(cè)主切削刃偏下部分有局部崩刃，崩刃區(qū)冷焊了小的積屑瘤，圖下端中部為容屑槽，槽底面和側(cè)邊因與切屑摩擦形成磨粒磨損。

圖5 車刀前刀面顯微照片

針對(duì)圖5區(qū)域進(jìn)行能譜分析結(jié)果如圖6所示，刀具切削區(qū)即包含刀具基體材料如Co、W及涂層材料元素Ti和Al，也包含有部分工件合金元素Cr，說明前刀面切削區(qū)還存在一定程度的粘接磨損，刀具基體及涂層材料的硬度和耐磨性均得到充分發(fā)揮。

圖6 車刀前刀面能譜分析結(jié)果

2.3 刀具壽命數(shù)學(xué)模型

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，若要提高切削效率并同時(shí)兼顧切削刀具耐用度，切削速度應(yīng)大于或等于142 m/min。式（1）為刀具切削耐用度與切削速度的指數(shù)函數(shù)，回歸分析目的就是求出與切削條件有關(guān)的系數(shù)CT及指數(shù)m，從而得出切削速度與刀具耐用度關(guān)系數(shù)學(xué)模型。

首先將非線性函數(shù)變換成內(nèi)在線性函數(shù)，使回歸計(jì)算簡(jiǎn)化。對(duì)（1）式兩邊取對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)化成內(nèi)在線性函數(shù)（2）：

則得線性回歸函數(shù)

對(duì)切削用量數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)，如表4所示。

表4 切削耐用度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

運(yùn)用Excel數(shù)據(jù)分析工具對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行一元回歸分析如圖7所示。

圖7 線性擬合圖

圖7中實(shí)線為刀具耐用度與切削速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛線代表預(yù)測(cè)的刀具耐用度與切削速度關(guān)系曲線，圖7預(yù)測(cè)曲線的具體擬合數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 回歸分析數(shù)據(jù)

由此，建立的耐用度與切削用量三要素的函數(shù)模型為：

該回歸分析的調(diào)整判定系數(shù)為0.921 85，如表5所示，表明在刀具耐用度的變動(dòng)中，由估計(jì)的回歸方程解釋的部分占92.185%，說明的模型的擬合優(yōu)度較高，依據(jù)刀具壽命模型可以對(duì)切削速度和刀具耐用度的合理取值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

葉輪高效切削必須統(tǒng)籌兼顧加工效率和加工成本。首先從宏觀工藝規(guī)劃層面采用“以車代銑”工藝去掉28.8%的切削余量；其次通過葉片加工過程幾何仿真，確定切削刀具規(guī)格和加工策略；最后從微觀工藝層面采用TiAlN基納米涂層鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，保持切削深度1.5 mm和進(jìn)給量0.2 mm/r不變，通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析，切削速度位于142m/min時(shí)刀具耐用度最好，其耐用度為43.16 min，并驗(yàn)建立刀具壽命和切削速度間的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)該模型可以對(duì)不同生產(chǎn)綱領(lǐng)下的切削速度和刀具耐用度的合理取值進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)從工藝規(guī)劃到切削參數(shù)選擇全面實(shí)現(xiàn)定制葉輪的高效切削。數(shù)控切削效率在原來基礎(chǔ)上平均提高32%，數(shù)控機(jī)床主軸功率利用率平均提高50%，材料去除率平均提高35%，節(jié)能降耗30%以上。