PCD刀具超聲振動車削SiC_p_Al復合材料時的切削力特性研究

1、22工具技術PCD刀具超聲振動車削SiCp/Al復合材料時的切削力特性研究焦鋒趙波劉傳紹徐可偉焦作工學院摘要:用PCD刀具對SiCp/Al復合材料進行了超聲振動車削與普通車削的對比試驗,探討了切削速度、進給量和切深三種切削參數在兩種切削狀態(tài)下對切削力的影響規(guī)律,得出了超聲振動車削SiCp/Al復合材料的主切削力經驗公式。關鍵詞:超聲振動車削,SiCp/Al復合材料,PCD刀具,StudyonCuttingForceof/ChuanshaoetalinwhichSiCp/Alcompositesaremachinedbycommonturningandultrasonicvi2brationwi

2、thPCDcutters,theinfluenceofthreekindsofcuttingparameterssuchascuttingvelocity,amountoffeedandcuttingdepthonthecuttingforceinthetwokindsofturningprocessisdiscussed.TheempiricalformulaofmaincuttingforceinultrasonicvibrationturningSiCp/AlcompositeswithPCDcuttersispresented.Keywords:ultrasonicvibrationt

3、urning,SiCp/Alcomposite,PCDcutter,cuttingforce1引言SiCp/Al復合材料是一種剛性顆粒增強型金屬基復合材料,由于它具有比強度和比剛度高、線膨脹系數小、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨耐熱性好、可重熔性好、價格低廉等優(yōu)點,因此被廣泛應用于航天、航空和汽車工業(yè)。由于該材料中加入了高強度的硬脆SiC陶瓷顆粒,極大地提高了基體材料的力學性能1,同時具有復合材料宏觀各向同性的特點。另一方面,正收稿日期:2002年2月是由于SiC增強顆粒的加入,使這種復合材料的機械加工性惡化,加工時刀具磨損劇烈,難以保證加工精度和加工表面質量。研究表明2,高速鋼刀具和硬質合金刀具在切削S

4、iCp/Al復合材料時暴露出越來越多不足,因此不少學者致力于研究和開發(fā)適合加工SiCp/Al復合材料的新型刀具材料。多晶金剛石(PCD)是一種新型超硬刀具材料,PCD刀具由精選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結而成,由于在燒結過程中加入了添加劑,使金剛石晶體間形成了以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等為主要成分的結合橋,金剛石晶體以共價鍵形式牢固鑲嵌于結(3):1281323GClauser,AValle.Laserweldingexplained.IndustrialDia2mondReview,1987(5):2072084李志遠等.PDC復合片與硬質合金刀桿真空擴散焊的實片時,恒溫保持時

5、間可選取為1620s。(3)釬焊強度隨PCD復合片硬質合金基底和45鋼刀桿釬焊表面粗糙度值的增加而增大。一般情況下,45鋼刀桿焊接表面粗糙度可取Ra712m,硬質合金基底焊接表面粗糙度可取Ra0118001250m。(4)采用部分不等間隙釬焊接頭設計可有效減驗研究.華中理工大學學報,1995,23(1):145EBenz.Vacuumbrazingasaproductionmethod.IndustrialDi2amondReview,1991(5):2492506陳建民等.聚晶金剛石片的真空釬焊.焊接,1995(9):11137AndyDavies.Inductionbrazingfordi

6、amondtoolmakers.Indus2trialDiamondReview,1992(6):3253278于宏圖.PCD刀具感應釬焊溫控系統(tǒng)及焊接參數的研究.少氣孔、夾渣等釬焊缺陷和焊接應力,提高釬焊質量。參考文獻1張啟運,莊鴻壽.釬焊手冊.機械工業(yè)出版社,1999,3003132BexPA,ShaftoGR.TheinfluenceoftemperatureandheatingtimeonPCDperformance.IndustrialDiamondReview,1984大連理工大學碩士學位論文,1999,6278第一作者:王適,博士研究生,大連理工大學機械工程學院,116024,遼

7、寧省大連市編輯:汪莉© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2002年第36卷823合橋構成的堅固骨架中,使PCD的硬度和韌性大大提高。因此,PCD刀具既具有金剛石的高硬度,又具有強于單晶金剛石的高韌性,同時刀片基體還具有很高的抗彎強度。用PCD刀具車削加工金屬基碳化硅顆粒增強復合材料是一種精密、高效的新型加工方法,已有許多學者對此進行過研究,但大都局限于利用PCD刀具進行普通切削加工3,4。近年來,應用超聲振動切削方法加工難加工材料顯示出加工精度高、質量

8、好的優(yōu)點,其良好的加工性能引起人們的極大關注,超聲振動加工正逐漸成為精密、加工的重要手段之一5,6。DSiCp/Al,對PCD,分析對比了切削速度、進給量和切深等切削參數對切削力的影響規(guī)律,試驗和討論結果對金屬基復合材料的切削加工(尤其對薄壁類、細長軸零件的加工)具有一定指導意義。2切削試驗條件(1)機床:CA6140普通車床;刀具:PCD焊接車3切削力與切削參數的單因素關系試驗與分析3.1切削速度對切削力的影響(1)試驗與測量為研究切削速度的變化對超聲振動切削力的影響,在切削試驗中,保持進給量f=08mm、切深ap=0.,n=min時超聲振動Fc1。Fc與機床轉速n的關系機床轉速n(r/mi

9、n)振動切削力Fc(N)普通切削力Fc(N)6012.2733.99013.1633.2518016.9130.2730525.2533.26(2)結果與分析試驗獲得的切削速度與切削力的關系如圖2所示。由圖可見,普通切削時,隨著機床轉速增大,切削力變化不大。振動切削時,由于其脈沖切削效應,在一個振動周期T內只有tc時間進行切削,故平均切削力Fc為脈沖切削力峰值的tc/T,且隨著切削速度增加,有效切削時間tc變長,平均切削力Fc也逐漸增大。當切削速度接近臨界切削速度(即tc/T1)時,Fc=Fc(此時即為普通切削狀態(tài))。由圖可見切削力隨轉速增大而逐漸增大的變化趨勢:當轉速為60r/min時,振動

10、切削的切削力只有普通切削時的1/3;隨著轉速增大,有效切削時間隨之增加,當轉速增大到180r/min時,振動切削的平均切削力增大到普通切削時的1/2左右;當轉速接近臨界轉速時,振動切削即轉化為普通切削。由此可知,試驗結果與理論分析基本吻合。刀;工件材料:金屬基復合材料SiCp/Al棒料,熔鑄,重量百分含量12%,粒度W14,棒料直徑<42mm,長度150mm。(2)振動裝置:自制縱向振動裝置(振幅15m,頻率20kHz)。(3)切削力測量裝置(見圖1):測力系統(tǒng)采用北航SDC2CJ4A電阻應變式測力儀。該測力儀有多檔可選量程,試驗中選用的測量范圍為0500N,測量精度為0.2N(可滿足精

11、密測量的要求)。由于測力儀頻響范圍為03000Hz,雖可滿足一般切削力測量的要求,但不能測出超聲振動切削中頻率高達20kHz的切削力脈沖波形,因此試驗中實際測出的是切削力的平均值。圖2切削速度與切削力的關系3.2進給量對切削力的影響圖1切削力測量裝置(1)試驗與測量為研究進給量的變化對超聲振動切削力的影響,在切削試驗中,保持機床轉速n=90r/min、切深© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 24工具技術ap=0.3mm不變,僅改變進給量f,分別測量進給

12、量f=0.08mm、0.12mm、0.20mm時超聲振動切削和普上的切削負荷增大,刀具振幅減小,振動切削的脈沖切削效應減弱,使振動切削時的平均切削力增大。通切削的切削力Fc,試驗結果見表2。表2切削力Fc與進給量f的關系進給量f(mm/r)振動切削力Fc(N)普通切削力Fc(N)0.0813.0035.370.1222.4045.980.2052.4065.874(2)結果與分析示。由圖可見,的增大,導致切削力增大較快。由于振動切削時較大的進給量可能引起刀架的低頻振動,因此本試驗中選用的進給量較小,以保證加工精度和加工表面質量。:(與普通車削相比,超聲振動車削的平均主切削力Fc明顯減小。在較小

13、切削用量下,Fc的減小尤為顯著。(2)在超聲振動車削條件下,隨著切削用量的加大,切削力穩(wěn)定增加。超聲振動車削的切削力切削速度特性與普通切削時因積屑瘤影響而表現出的切削力切削速度特性有明顯區(qū)別。顯微觀察表明,在相應的的切削速度范圍內,超聲振動車削不會產生積屑瘤。(3)當切削速度v大于臨界切削速度時,超聲振動車削仍具有上述特點;當v增大到一定值后,切削力的增加趨于平緩。4振動切削時切削力與切削參數的多圖3進給量與切削力的關系因素正交試驗與分析(1)多因素正交試驗方案對SiCp/Al金屬基復合材料進行超聲振動車削的切削力正交試驗,通過回歸正交分析,討論切削力與各切削參數之間的關系,并選擇最合適的振動

14、切削參數。轉速、進給量和切深是車削過程中最重要且基本獨立的三個參數,因此選擇上述三個參數作為正交試驗因素。采用L9(23)正交表作三因素、三水平的正交試驗(不考慮交互作用),建立表4所示試驗因素水平表。0.539.7264.503.3切削深度對切削力的影響(1)試驗與測量為研究切削深度的變化對超聲振動切削力的影響,在切削試驗中,保持機床轉速n=90r/min、進給量f=0.08mm/r不變,僅改變切深ap。分別測量切深ap=0.1mm、0.3mm、0.5mm時超聲振動切削和普通切削的切削力Fc,試驗結果見表3。表3切削力Fc與切深ap的關系切深ap(mm)振動切削力Fc(N)普通切削力Fc(N

15、)0.13.6015.300.314.8045.50表4試驗因素水平表試驗因素水平1轉速(m/min)4.248.4812.72進給量(mm/r)0.080.100.15切深(mm)0.100.300.50(2)結果與分析試驗獲得的切削深度與切削力的關系如圖4所示。由圖可見,切削力對切削深度的變化相當敏感。當切深ap<0.3mm時,振動切削力僅為普通切削力的1/3;當切深達到0.5mm時,振動切削力和普通切削力逐漸接近,表明隨著切深的增加,刀具單位面積水平2水平3(2)試驗結果與分析根據表4所列切削條件,采用L9(23)正交表,可得表5所示切削力試驗數據。© 1994-2010

16、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2002年第36卷825表5切削力試驗數據試驗序號123456789轉速(m/min)4.244.244.248.488.488.4812.7212.7212.72進給量(mm/r)0.080.100.150.080.100.150.080.100.15切深(mm)0.100.300.500.300.500.100.500.10徑向切削力主切削力(N)41181013024130131762310010118271476129(N)2.587.03

17、36.148.1430.003.1233.304.008.00軸等剛性較差零件時可獲得滿意的加工精度。(3)由切深ap的指數特點可知,要減小切削力,必須使ap<1mm,由此也可說明超聲振動車削特別適合精密和超精密加工。參考文獻1陳華輝.現代復合材料.,19992全燕鳴等.SiC.(3.(1):60644.PCD刀具加工SiC顆粒增強鋁基復合材料的合理切削速度.材料工程,1999(1):1419對表5,B、檢驗參數tF為7b0B=b1b2bt0t=t1t2t5陳斌等.超聲振動切削薄壁鏡筒零件的研究.機械工程師,2001(1):40426徐可偉等.超聲振動在精密切削中的應用.機械設計與制11

18、79=01140112112195=0145012961造工程,2001(3):63647虞鴻祉等.工業(yè)實驗設計技術數理統(tǒng)計在工業(yè)技術中的應用.東南大學出版社,1990第一作者:焦鋒,碩士,講師,焦作工學院機械工程系,454000河南省焦作市編輯:胡紅兵F=11.77瑞士紡機37%出口亞洲據瑞士公布的出口數據表明,2000年瑞士紡織業(yè)的出口額較上一年度上升了20%,但2001年上半年上升趨勢出現停頓,下半年不升反降。盡管全球經濟衰退依然對美國和歐洲市場有不小影響,但亞洲紡機市場卻出現了增長趨勢。從瑞士紡機生產商接受的定單來看,來自亞洲地區(qū)的定單在增加。2002年整體形勢樂觀。盡管2002年上半

19、年整體下降趨回歸方程為F=10117901140112vfap1135=61169v0114f0112ap1135采用F檢驗法檢驗回歸方程效果,因為F=11177>F0105(3,5)=5.41,所以該回歸方程相當顯著?；貧w方程中的各個自變量則采用t檢驗,因為t3>1,所以切深對于切削力是不可忽略因素。由回勢不可避免,但據保守樂觀的估計,下半年世界經濟將會慢慢復蘇。由于采用前瞻戰(zhàn)略,瑞士紡機業(yè)始終能成功地戰(zhàn)勝各種挑戰(zhàn),進一步擴展全球市場。雖然瑞士是內陸小國,但在很多領域都位于前列,紡機業(yè)也是如此。瑞士紡機業(yè)由于出色的產品質量和創(chuàng)新能力而被世界所承認,已在全球紡機業(yè)中占了33%的份額,在全球紡機