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斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

日期:2018-07-10來源:未知

刀具行業在國民經濟中有著舉足輕重的地位,其中約有45%的零部件成型工作是通過切削加工來完成的。研究數據表明:全世界每年消耗在機械加工中的費用約3000億美元,其中,零部件80%以上的孔是通過鉆削加工來完成的,鉆削加工是零部件成型加工中最為常見的工序之一。隨著技術的進步,孔加工刀具種類及其方法呈現出多元化,其中,可轉位鉆頭就是最典型的代表之一(見圖1)。由于高效能孔加工的出現,對具有適應各種切削條件下的刀體材料和結構提出新且特殊的要求。

 

高性能合金工具鋼SKD61(日本牌號)對應我國的4Cr5MoSiV1、一勝百的8407、韓國的STD61以及美國的H13等,由于添加了強化元素釩和鉬,具備優異的抗高溫疲勞性能被廣泛應用于高性能鉆頭刀體的制作。

 

高性能刀體的制造主要采用高精密切削加工來完成,刀體往往采用熱處理后切削的方式(加工硬度≥HRC50)來獲得更精準的設計尺寸。因此,刀體的整體可切削性能較差,尤其是開槽的圓柱形棒料切削加工(屬于典型的斷續切削),倘若刀型選擇不當,那么刀具的過早失效問題會非常突出。

 

目前,針對SKD61的相關報道主要集中在成分添加劑量和熱處理方式對其力學性能的影響以及切削方式對其表面完整性與疲勞作用機制方面的研究,而針對斷續切削過程中刀型匹配性方面的研究尚未見報道。

 

本文通過斷續切削試驗,對不同刀型與高性能合金工具鋼SKD61的切削匹配性方面進行研究,并提出最佳刀型選擇方案。研究課題為刀體的高效加工、刀具的精準設計及優化選擇提供試驗方法借鑒以及數據支撐。

斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

 

1斷續切削試驗

 

(1)試驗方法及目的

 

不同幾何結構的刀具在相同切削參數條件下承受的機械載荷是不同的。試驗選擇3種不同形狀,相同牌號的車削刀片進行試驗,采集切削過程中的切削力、沖擊信號、刀具瞬時失效監測及形貌特征等相關信息,以分析不同刀型與高強度鋼的切削性能匹配性。車削試驗參數均在刀片原始推薦切削參數范圍內選擇,試驗方法為:

 

①切削速度vc恒定,分別改變進給量f和切削深度ap的數值,分析相同切削速度條件下,不同結構刀具的切削力變化情況;

 

②保持切削速度vc、進給量f和切削深度ap不變,分析試驗刀具的使用壽命情況,研究其失效機理;

 

③保持切削深度ap和進給量f不變,研究不同切削速度vc條件下刀具切削力和使用壽命變化情況。

 

(2)試驗條件

 

試驗機床:臥式車床CA6140;工件材料:SKD61鋼;測力儀:Kistler三向測力儀;溫度監測:Themo Vision A40M熱像儀;刀具失效監測:MS50K高速攝影機(見圖2);刀具失效形貌特征:超景深顯微鏡基恩士VHX-1000。其中,試驗刀具選用廈門金鷺特種合金有限公司ISO標準車刀片,刀具信息和切削參數如表1所示

斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

 

2試驗結果及分析

 

(1)切削速度vc恒定條件下的切削力

 

表2為在相同切削速度vc、不同進給量f和切削深度ap條件下,試驗刀具的切削力采集數據。其中,數據對比分析如圖3所示。

 

斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

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斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

 

 

由圖3可知,在相同切削速度vc條件下切削力F隨著切削深度ap的增加而增大。從圖3a和圖3b對比分析可知,S型刀片切削時主切削力Fz最大,徑向力Fy次之,軸向力Fx最小;從圖3d分析可知,V型刀片切削時與S型刀片一樣也是主切削力Fz最大,不同的是徑向力Fy和軸向力Fx幾近相等;從圖3c數據分析可知:R型刀片切削SKD61鋼時卻是徑向力Fy比主切削力Fz大,軸向力Fx最小。

 

由圖4試驗刀具切削合力對比分析數據可知:V型刀具切削合力最大,僅次于V型刀片的是R型刀片,涂層S型刀片排第三位,而未涂層的S型刀片的切削合力最小。從切削力數據初步分析可知適合SKD61斷續車削的刀型主要是S型和V型。

斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

(2)刀具失效分析

 

切削過程中,選取在試驗參數組:切削速度vc=50m/min,進給量f=0.5mm/r和切削深度ap=1.2mm條件下對實驗刀具的失效形式進行分析,同時統計其在后刀面磨損量VB=0.3mm時的使用壽命數據(見表3和圖5)。

斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

 

由圖5分析可知,SKD61鋼切削過程中,涂層刀片的使用壽命遠高于未涂層S型刀片,其中使用壽命最高的是V型涂層刀片,為未涂層S型刀片的50倍以上。

 

從圖6分析可知,未涂層S型刀片的主要失效形式為崩刃,而相同幾何結構的涂層S型刀片主要失效形式為后刀面磨損。圖6c和圖6d為涂層R型和V型刀片失效形式圖。其中,V型刀片后刀面的失效形式與涂層S型刀片的相似,斷續切削初期刀片在熱—力耦合沖擊作用下后刀面涂層發生磨損和脫落,進而引起磨粒磨損、刀—屑粘結破損和崩刃問題的產生。涂層R型刀片的主要失效形式為涂層脫落后的崩刃,同時斷屑槽前刀面伴隨有月牙洼磨損,但整個切削過程未出現刀—屑粘結破損。

斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

 

由綜合切削試驗刀具失效數據可知:在大進給f和中等切削深度ap條件下,刀—屑接觸區域熱—力耦合波動性較大,涂層承受冷熱交替作用的載荷沖擊,倘若涂層與硬質合金基體結合力不足,那么刀具比較容易出現過早疲勞而產生涂層脫落,并伴隨其它破損問題的產生。由于R型刀片的徑向力Fy和主切削力Fz均比其它試驗刀型的大,因此,涂層更容易出現過早疲勞而脫落。通過試驗可知,弧形切削刃的硬質合金刀片對涂層與基體的結合力要求較高,在涂層結合力相同的情況下,應盡可能簡化刀型的復雜性。

 

(3)切削速度vc對刀具使用壽命的影響規律

 

綜合切削力和使用壽命情況可知:涂層S型刀片在切削SKD61鋼的性能表現最佳,因此對其進行單因素切削試驗,分析此種刀片在不同切削速度vc條件下的使用壽命,從而研究切削速度vc對刀具使用壽命的影響規律性(見表4)。

 

從表4中不同切削速度條件下載荷情況分析可知:在vc=100m/min和vc=150m/min兩種切削速度條件下,徑向力Fy的變化較小,但都比在vc=50m/min條件下的大15%左右。

 

表5為涂層S型刀片在不同切削速度vc、恒定切削深度ap=1.2mm和進給量f=0.5mm/r條件下切削SKD61鋼時后刀面磨損量VB=0.3mm標準條件下的使用壽命統計數據。數據表明:在切削速度vc=150m/min時,試驗刀片的使用壽命最小;在切削速度vc=100m/min時,其使用壽命卻是最大的。

斷續切削高強度鋼SKD61可轉位刀片刀型匹配性研究

 

綜合試驗數據可知:在斷續切削過程中,切削速度vc對刀具使用壽命的影響呈非線性方式變化,進給量f對刀具使用壽命的影響最大,切削速度vc次之。

 

小結

 

本文針對高性能合金工具鋼SKD61進行斷續切削試驗,研究不同刀型與該工件材料的匹配性,獲得如下結論:

 

(1)在保持切削速度vc恒定的情況下,試驗刀具的切削力隨著切削深度ap的增加而增加,因此證明了斷續切削過程中切削深度ap對切削力的影響較大。

 

(2)斷續切削試驗過程中,涂層V型刀片的切削力F最大,涂層R型刀片的次之,涂層S型刀片的切削力F排第三,未涂層S型刀片的切削力F最小。然而,涂層S型刀片在車削SKD61時的切削性能和使用壽命均高于未涂層的S型刀片,其主要失效形式為切削刃微崩和后刀面磨損。因此,進一步證實了斷續切削過程中,刀具的過早失效是切削力和切削熱綜合作用的結果。

 

(3)通過單因素切削試驗分析可知:涂層刀片抗沖擊次數并非隨切削速度的遞增而呈現出遞減的狀態,而是受進給量f和切削深度ap一起綜合作用的結果。每種刀具在自己合適的切削參數范圍內的抗沖擊壽命最長。

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