尼龍棒的切削性能試驗研究

胡彥軍 張繼林 程仲文 張得福

（蘭州工業學院 甘肅省精密加工技術及裝備工程研究中心，蘭州 730050）

尼龍棒具有韌性好、耐磨性強、耐油、抗震、拉伸、彎曲強度好、吸水性小以及尺寸穩定性好等特點，廣泛用作耐磨零件、傳動結構件以及家用電器零件等[1-2]。尼龍是非金屬材料，雖然國內外學者針對金屬切削性能的研究較多，但是對非金屬切削性能的研究相對較少。例如，尼龍棒國內外高校將其作為實訓材料，并未研究它的切削性能。目前，國內已有關于非金屬切削性能的研究。張立峰等[3]研究了碳纖維增強塑料高速切削加工性能及碳纖維增強塑料切削材料的去除機理；陳能[4]建立了纖維增強樹脂基復合材料的微切削加工有限元仿真模型，并研究了加工參數對切削過程的影響，探索了加工過程中纖維增強樹脂基復合材料的變形行為與斷裂機制；史賀飛[5]通過仿真和切削實驗研究了SiO2/HDPE 復合材料的切削加工機理；李順才等[6]采用兩種試驗方案分別對相同直徑的鋁棒和尼龍棒進行相同車削參數的車削試驗，得到了兩種車削試驗方案中各個振動信號最大自功率譜密度的均值隨車削參數的變化規律。

本文以切削速度uc、進給量f、和背吃刀量ap這3 個因素為自變量，利用搭建的切削試驗平臺，研究以金剛石刀具切削尼龍棒的試驗，以掌握非金屬材料切削參數與切削力的影響規律，為切削參數優化提供理論依據。

1 切削試驗

1.1 試驗材料及機床

試驗材料選擇普通的尼龍棒，如圖1 所示。機床選擇沈陽機床股份有限公司生產的CAK5085si 數控車床，其主電機功率為7.5 kW，如圖2 所示。試驗采用KISTLER 測力儀，如圖3 所示。

圖1 尼龍棒

圖2 CAK5085si 數控車床

圖3 KISTLER 測力儀

1.2 試驗刀具

刀具采用金剛石車刀（刀尖材料為金剛石），如圖4 所示。它的幾何角度中，前角γ0=15°，后角α0=10°，刃傾角λs=0°。此外，刀尖圓弧半徑為0.4 mm。

圖4 金剛石車刀

1.3 試驗方案

在搭建好的試驗平臺中進行單因素試驗研究，試驗現場如圖5 所示。根據相關文獻確定切削參數，如表1 所示。實驗時，分別控制每組中的兩個參數保持不變，只改變其中一個參數，觀察參數改變對實驗結果的影響。

圖5 試驗現場

表1 試驗參數

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

基于試驗平臺和試驗方案進行切削試驗，測力儀采集的數據如圖6 所示。刀具進入和退出切削過程時，切削力波動明顯，取中間較為穩定的階段，試驗方案及結果如表2 所示。

圖6 采集的數據

2.2 試驗分析

為了研究切削參數對切削力的影響關系，將表2的試驗結果用Origin 8.0 分別作出切削速度、進給量、背吃刀量與切削力的關系圖，如圖7 所示。

表2 試驗方案及結果

從圖7 可知，隨著切削速度、進給量和背吃刀量的變化，Fz占主導作用，決定了切削過程。圖7（a）中，隨著切削速度逐漸增加，Fx逐漸增加，Fy、Fz和F都先減小后增加（總體呈減小趨勢），速度從60 m?min-1增加到120 m?min-1時，F是原來的0.92 倍，降低幅度較小。從圖7（b）可知，隨著進給量逐漸增加，Fx逐漸增加，Fy、Fz和F都先增加后減小（總體呈增加趨勢），速度從0.1 mm?r-1增加到0.4 mm?r-1時，F是原來的1.87 倍，增幅度較小。從圖7（c）可知，隨著背吃刀量逐漸增加，Fx和Fy先減小后增加，Fz和F先增加后減小，背吃刀量從0.5 mm 增加到1.5 mm 時，F是原來的1.59 倍，增加幅度較小；背吃刀量從0.5 mm 增加到2 mm 時，F 是原來的0.67 倍，降低幅度較小。

圖7 切削參數對切削力的影響

3 結語

以切削力為目標，以切削參數為自變量，采用單因素試驗方案，利用試驗平臺進行尼龍棒車削試驗，研究了切削參數對切削力的影響規律。在車削過程中，Fz占主導作用，Fx和Fy其次要作用，當進給量和背吃刀量一定時，隨著切削速度的增加，切削力降低；當切削速度和背吃刀量一定時，隨著進給量的增加，切削力逐漸增加；當切削速度和進給量一定時，隨著背吃刀量增加，切削力增加，當背吃刀量增加到2 mm 時，切削力降低。