实现超高速铣削途径的探讨六氟化硫
发布时间:2022-07-22 15:14:17 来源:德安五金网
实现超高速铣削途径的探讨
实现超高速铣削途径的探讨 2011年12月04日 来源: 在粗加工时,加工效率以每分钟加工出的体积表征,加工体积与切削速度、进给量和切削深度成正比;在半精加工和精加工时,加工效率以每分钟加工出的面积表征,加工面积与切削速度和进给量成正比。故提高切削速度能成正比地提高加工效率。多年来切削加工专家一直在研究提高切削速度的技术,虽然在各种研究报告中,都曾介绍每分钟达到上千米的切削速度的研究结果,但都是实验室的成果,没有投产。一、发展超高速切削的道路1. 从切削理论可知,切削温度q与切削速度v的关系为:q=cv0.4。目前生产中采用硬质合金刀具加工钢料的速度一般为100~300m/min,采用陶瓷刀具精加工钢料的切削速度为200~500m/min,采用氮化硼精切削加工钢料为300~600m/min。此时的切削温度约为800~1200℃。按此切削规律可以推算出,若切削速度为5 000m/min时,切削温度约为3300℃;若切削速度为10 000m/min时则为4400℃。因此,遵循上述基本规律,研究发展超高速切削的途径主要集中在发展耐高温的材料,由于高温高硬材料的耐热性研究,近年没有大的进展,故近二三十年超高速切削也没有大的进展。2. 由切削理论可知,最佳的切削条件位于刀具与工件硬度比最大的区域,如图1。当横坐标为温度,纵坐标为硬度时,设曲线1为硬质合金刀具硬度随温度的变化,曲线2为工件硬度随温度的变化,则当切削温度为900~1100℃时,刀具硬度与工件硬度比最大,此时刀具最耐用。它给人们的启迪是,若能设法将刀具温度和工件温度区别开,使刀具温度保持较低,而使工件温度升到较高,就可能开辟出发展超高速切削的新途径。
图1 刀具与材料硬度与温度的关系
二、提升工件区温度的途径1. 正压力变形造成温度的升高,如图2a所示,设刀具经淬硬热处理,工件为未淬火钢,当刀具单位压力P超过工件的屈服强度时,工件材料内部产生滑移,并出现大量的内摩擦热及温升。而此时的应力小于刀具的抗压强度,因此,淬硬的刀具无内部滑移及生热。从强度理论可知,最大滑移的应力并不在刀具与工件的接触面上,而在工件接触面以下约0.2mm处(见图2b)。因此,工件内最先在高接触面以下部位出现裂纹,形成低强度面(见图2a)。
图2 切削变形与应力
2. 超高速切向摩擦造成温度再升高,如图2a,若再使刀具沿切向V作超高速移动,由于刀具与工件表面凹凸处的咬合和粘结,工件的切向撕裂面一般不在接触面,而多数在已形成微裂纹的,平行于接触面的下面一个平面。另外,由于接触面被刀具带走一部分热量,温度较低;而撕裂面温度相对较高,强度较低,从而造成刀具带去一层工件材料。若刀具为铣刀,则前一个刀齿利用正压力(进给)和摩擦力(切削速度)将工件加热,造成工件的强度下降几倍。则后一刀齿的任务,就是把这一层刮去了。当然,后一个刀齿(如上)又为再后一个刀齿加热工件。故它的本质是一种加热超高速切削。
图3 切削区温度场
3. 利用三维热传导方程:dq/dt=a(¶2q/¶x2+¶2q/¶y2+¶2q/¶z2)以及有限元法,可以找到温控方程,代入有关切削参数(具体参数见第四部分),可算出切削区温度场如图3所示,最高温度为922℃。此时,由图1工件材料硬度与温度曲线,可得工件材料的硬度将由40HRC降到8HRC左右。三、保持刀具刃区低温的途径提高切削速度,减少刀具与工件接触的时间。设铣刀直径为f1800mm,工件切削长度为100mm,则当切削速度为1000m/min时,铣削刀刃与工件接触时间为6ms;当铣削速度为10 000m/min时,接触时间为0.6ms,而热量在钢中的传播速度为0.5mm/s。因此,热量刚传到0.3µm深度时,刀具就切出了,即热量还来不及传到刀具中。2. 加强铣刀的冷却。设若铣刀直径为f1800mm,其周长为pd≈5.65m。因此,刀齿有5.65m的空行程,受一点热又被冷到常温了。图4所示为刀具刃区的温度曲线,温度始终在常温到300℃范围徘徊。
图4 刀具刃区温度曲线
设法让刀刃形成保护层。图5所示为刀齿的金相磨片,由图看出,刀齿在生产中使用24h后,当刀具材料为65Mn时,其金相组织仍为马氏体,刀刃区的显微硬度为564~570HV(53~54HRC),还是原来的淬火硬度50~55HRC。而在刀刃顶部(外圆)有一层白色的吸附层,其显微硬度达974~1094HV(68~70HRC)。这一高硬度层,代替刀刃在进行切削。
图5 刀齿磨损金相照片
四、超高速切削的生产实践在现代钢厂的钢坯切割中,要求很高的效率,才能跟上连轧机的节拍。它采用锯片的直径为f1800mm,转速为1500r/min,切削速度为8482m/min,进给量为100mm/s。锯片材料为65Mn,硬度为50~55HRC。使用寿命一般达24h,也就是说,已经在生产中实现了超高速切削。笔者从事了上述实践过程,并对其进行了理论分析。(end)
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