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1、第?卷第?期?年?月东南大学学报? ! ? ! ? ?,? ? ? 侣?翻位? 超声振动切削时硬质合金刀具磨损机理研究毛善锋汤铭权万迪慧?东南大学机械工程 系,南京? ? ? ?摘 要根据硬质合金刀具片材料的结构相破化钨?和粘结相 钻?。?在机械性 能方面的差异,探讨了超声振动 削时刀具磨损的机理?分析表明,刀具磨损速 率的大小与破化鸽 晶拉度的大小密切相关?试脸表明,只有在采用超细晶粗度的硬质合金刀片时,超声振动切削才能提高刀具寿命,而进一步提高 其寿命的根本途径是采用浸润性 能良好的低粘度矿物油作切削液?关键词金属 切削?刀具?磨损?振动切 削中图 法分类号? ?超 声振 动切 削?以下
2、简称振切?时广泛采用的是 各种牌号的硬质合金刀片,因此,振切时刀具 磨损 能否减轻、刀具寿 命能否提 高就 成为 今后振切 能否在 生产 中推广应 用 的 重要 技术关键之一目前 所见到的报 道仍 集 中在振切 的基本特性研究上? ? ,而关于磨 损机理的研究 未见报道?笔 者 自行研制了一套纵振式工具振动系统,直接采用硬质 合金可转位刀片对此关键问题进行了系统的试验研究?本 文重 点从理论上 探讨振 切时硬质合金刀具 磨 损的微观 机制和进一步减轻磨 损的根本 措施?工超声振动切削时硬质合金刀具的磨损机理振切时最重要的参数是 速 度系数?,其定义式 为?一? ?,式中?为工件表面线 速度,?
3、二? ?为刀具振动速度 的峰值,尸为振动频率,?为刀尖处 的振 幅?在 速 度系数?时,振切 过程中存 在刀一屑间的 分离 特性、刀一工 界面的往 复运 动特性 和切人瞬 间 的冲击作用 等基本特性? ?时,分离特性强,各新生表面均能与周围介质充 分接 触并在表面上形成吸附膜和氧化膜?由于每个振动周 期 内的实际切 削时间和 实际切 削路 程极 短,刀一屑、刀一工界面内 的吸附膜 和氧化膜不大可能在这段时间内被抹去并在 界面内形 成紧密型接触?因此可以认 为,刀一屑、刀一工界面内处 于良好 的外 摩擦状态?往复运 动特性和冲击 作用则 使刀一屑界 面和刀一工 界面内的相互作用力分 别 表现为断
4、续冲击 式和交变冲击式的正 压力和摩 擦力?综上所述? ?时刀一屑、刀一工界面分别处于断续 冲击式和交变冲击 式的外摩擦状态?山于在? ?时进 行振切既可充 分发 挥 振动切 削各基 本特性 对切削过程的改 善作用,又可 取得各种良好 的振切 效果,因此本文重点讨论 的范围是? 收稿口期? ?一?一?,修改稿收到口期?一?一?第?期毛善锋等?超声振动切削时硬 质合金刀具磨损机理研究?振 切时硬质合金刀具磨损 微粒的形成目前使用 的硬质合金刀片主要 由碳化钨?基硬质合金材 料制 成?其主要 成份 是作为结构相的?品粒和作 为粘结相 的? ?品粒的硬度、弹性 模 量和屈服 极限均远高于? ?,因此
5、,同样 的外 力 对它 们所起 的作用是不同的?晶粒的硬度?,? ?,弹性模 量? ?一? ? ?在 一般的交 变应力作用下,?晶粒 表层 是不会 被划伤 的,而只可能发生有限度的 弹性变形?根据磨损的疲 劳 理论图,在被 切金属 表层受 到具 有一定 幅值的许 多次交变 作用之后,?品粒表 层可 能发生局部的性能变化,强度 降低,最终 发生表层的局部疲 劳 断裂?但振切时 的切 削 温度 低,不可 能 改变?晶粒的密排六方品格结构而使其滑移 系增 加?因此发生这种断裂 的几率不高?粘 结相? ?的硬度?,? ? ?,与 铁相近?因此,当。层 与被 切 削金属直接 作 用时,极易 被划伤并被磨
6、 损 掉,从而使与 被切 金属接触并发生相 互作用 的主要是 ?晶粒上述 差 异决定了振切时?基硬质合金刀具 磨损 微 粒形 成方 式上的特 殊 性?先以后刀面上磨 损微 粒的形成 为例来 讨论 这个问题?在刀、屑 相互趋近阶段和实际 切削 阶段,刀具后刀面上?品粒要 受到来 自工作 表面的正压 力和方向向下的摩擦 力的作用,如图?所示?而在刀、屑 远离 阶段,摩 擦力方 向则是向上的,如图?所示,?值越 小,则这 种情况所 占的比例越大?摩 擦力方向每周期变 化一次,其频率为?由于。层的 厚度远小于?品粒 度 且?品粒只发 生弹性变 形,因此,?品粒 所 受的摩 擦力能 通 过 ?品 粒传递
7、到其底 部 的? ?相 界 和? ?层 中,引起 ?品粒受 力一侧底 部相界和? ?层 内部 的拉 伸变 形,另一侧 则 产生 压 缩变形?随着交变冲击 式 应力循环 次数的不断增多,?。相 界 和?层内 的拉、压变 形 交替出现,最终导致 ?。相界或?。层内部疲劳裂纹的形? ?刀、屑相互趋近阶段和实际切 削阶段? 刀、屑相互远离阶段图?刀具后刀面表层?晶杜受力状况成、扩 展 并 造 成 ?品粒的整休 脱落?这是 后刀面上磨损 微粒形 成的主要方 式?刀具前刀面上承 受的是 方 向无交变性 的断续 冲击 式载荷?其特点 是,切人瞬间前刀面所 受的冲击力最大?从法向看,前刀面由不受 任何 外力作
8、 用突 然 变成 受到很大 的正压力 的作 用?从切 向看,切人瞬间刀一屑界面的正压力 刚出现时,界面上的切向相对运 动 尚未开始,界面仍处 于静摩擦 状态,故摩擦 力 大?这两个方 向上的受 力特 点使得在切人瞬间与切屑底 层 直接发生接触的各?品粒上及其底 部的? ?相 界和? ?层 内出现应力集 中?刀一屑界面的切 向相 对运 动开始 后,这些?品粒继 续受 到新生切 屑底层 的摩 擦作 用?由上述受力特 点可知,前刀面 上磨损微 粒的 形成方 式除了?品粒的整休脱 落之外,还会 有 ?品粒 表层疲 劳断 裂这种方式?超声振切 时后刀面磨损 速率现 运用摩 擦磨 损理论来分 析刀具 后刀
9、面的磨 损速率阁?设经过初期 磨 损 阶段以后某一时?东南大学学报第? ?卷报刻刀一屑 界面的接触面积 为凡,但实际接触面积仅为人,定义面积系数?,?态?几?设从该时刻起经过 一个超 声 振动周 期之后,有若 干作 为摩擦 点的?品粒脱落形成磨损 微粒,则 这种情况相当于每 个作为摩 擦点 的?品粒均会剥落下厚 度为劫的表面层?设 ?的 平均晶粒度为功,则 有必一?从,其 中?为在给 定的切削条 件下使 ?品粒脱落 的临界应 力循环次 数?以?。作 为衡 量后刀面磨 损量 的指标,则 根据上述假 定可得后刀面切向磨损速率 为 誓一? ?二一、几?务?式 中,?。为切 向径向磨 损 速率之 间的
10、 换算系数,是一个 由刀具各几何参 数 综 合 确定的常数?为超声振动频率,也 为常 数?面积系数?,和 临 界应力循环次 数?是两个可变的常数,因切削条 件不 同而异?当刀一工界面的法向力和切削温度提高 或者 被切削材料的强度、硬度下降,塑性、韧性提高时,伪 随之增大?在 速度系数?镇? ?补时,刀一工界面处于良好的外摩 擦状态,面积系数?,较小,有利于减 小刀具磨 损 速 率?值继续增大后,虽然刀一屑 间的分 离特性和刀一工 界面的往 复运动 特性 逐渐减弱甚 至 消失,但由于刀一工 界面相 对运动速率的交 变 性显 著地破坏 了刀一工 界面接触的 紧密性,使?,比同样条件下普通切 削时要
11、 小?在 同样的切 削条件下,振切 过程的稳定性 与可靠性可以保证采用不同品粒度的硬质 合金刀具时,刀一工界面的正压 力和面积 系数几基本相 同?囚此,当?品粒 度增大 时,单位面积上的?品粒 数减少,而 每个品粒上受力面积和所受 外力则与品粒的 平方成正比地增大,位于?品粒 底部的?。相 界和?。层所受的弯矩与?品粒度的立方成正 比地增 加?结果是,虽然所 采用刀具 的?品粒度 各不 相同,但 ?和?层内应力、应变状态 是 相同的?由此可 知,在同样的条件下振 切,临界应力循环次 数?与?品粒 度功无关?综 上所 述,在 同一 振切 条件下,式? ?中的?。,?,?和?均 为常数,后刀面切
12、向磨损速率与?品粒 度功成正比?对式? ?取定积分得?。?。?几?,哪?一?。?式 中,?。为初期磨损量,?。为初期磨损时间?山式? ?知,当?品粒度必一定时,正常磨损阶段 的后刀面磨 损量 与切 削时 间?呈线性关系,而当功增大 时,则?。与的关系曲线 的斜率成正比地增大?许多条磨损 曲线都证实了上述规律? ? ?山此可见,振切 时刀具 磨损 状况有 更强的可 预 测性?由式? ? 还可知,如不计旬和? ?。,则 有 ? ? ? ?召或二?。?必?囚此 从理论上说,在同一磨钝标准之下,刀具寿命?与?品粒 度必成反比?试验研 究采用株洲 硬质合金 厂生 产 的? ?,? ?,? ? ?,? ?
13、和?可转位刀片,以? ? ? ? ?为 被切 削材 料进行刀具磨 损 与寿 命的对比试 验?机床为? ?型普通车 床,振动系统为? ?一? ?型超声 波发生器 和自行研制的纵振式振动切 削装置?采用分 度值为?林?的螺旋读数显微 镜观 测刀具振幅和后刀面磨损?定量参数为?刀具振动振幅?一? ?砰?,频 率? ?切 削用量? 、 ? 、?,?,?、? 、,不? 、? 、?和?两档?相应的速度系数?犷? ?剐? ?和? ? ,均为典型取值?刀具几何参数 为,。一?”,?。二婉? ?,凡二? ?。,凡二? ?因属精加 工,故取刀具 磨损标准 为? ? 一? ? 试 验表明,振切时中品粒的? ?和细品
14、粒 的? ?刀片磨损快且易发生 图?所示的贝壳?东南大学学报第? ?卷报刻刀一屑 界面的接触面积 为凡,但实际接触面积仅为人,定义面积系数c, 态/几.设从该时刻起经过 一个超 声 振动周 期之后,有若 干作 为摩擦 点的 wC品粒脱落形成磨损 微粒,则 这种情况相当于每 个作为摩 擦点 的 wC品粒均会剥落下厚 度为劫的表面层.设 wC的 平均晶粒度为功,则 有必一 N从,其 中N为在给 定的切削条 件下使 wc品粒脱落 的临界应 力循环次 数.以v。作 为衡 量后刀面磨 损量 的指标,则 根据上述假 定可得后刀面切向磨损速率 为 誓一c ocF二一、几;务( l )式 中, C。为切 向径
15、向磨 损 速率之 间的 换算系数,是一个 由刀具各几何参 数 综 合 确定的常数;F为超声振动频率,也 为常 数;面积系数C,和 临 界应力循环次 数N是两个可变的常数,因切削条 件不 同而异.当刀一工界面的法向力和切削温度提高 或者 被切削材料的强度、硬度下降,塑性、韧性提高时,伪 随之增大.在 速度系数K镇0.2 1补时,刀一工界面处于良好的外摩 擦状态,面积系数c,较小,有利于减 小刀具磨 损 速 率;K值继续增大后,虽然刀一屑 间的分 离特性和刀一工 界面的往 复运动 特性 逐渐减弱甚 至 消失,但由于刀一工 界面相 对运动速率的交 变 性显 著地破坏 了刀一工 界面接触的 紧密性,使C,比同样条件下普通切 削时要 小.在 同样的切 削条件下,振切 过程的稳定性 与可靠性可以保证采用不同品粒度的硬质 合金刀具时,刀一工界面的正压 力和面积 系数几基本相 同.囚此,当 wc品粒 度增大 时,单位面积上的 wC品粒 数减少,而 每个品粒上受力面积和所受 外力则与品粒的 平方成正比地增大,位于wc品粒 底部的 wc/c。相 界和c。层所受的弯矩与 wc品粒度的立方成正 比地增 加.结果是,虽然所 采用刀
