朱紅雨 李 迎

(①南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094;②南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210048)

硬態(tài)旋風(fēng)銑削技術(shù)是高速硬加工技術(shù)與旋風(fēng)銑削技術(shù)相結(jié)合的一種集高效、精密、節(jié)能為一體的先進(jìn)制造技術(shù)，該技術(shù)可以對(duì)硬度60 HRC以上的滾珠絲杠和滾珠螺母實(shí)施硬銑削，以切代磨實(shí)現(xiàn)一體化加工、免去磨削和熱處理工序，同時(shí)以干切削或少切削液實(shí)現(xiàn)綠色加工，是國(guó)外精密螺紋高效制造的主要工藝方法，目前受到國(guó)內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。

金屬切削過(guò)程實(shí)際上是材料被去除形成切屑的過(guò)程。在硬態(tài)旋風(fēng)銑削加工中，主要產(chǎn)生的是鋸齒狀切屑。這種鋸齒狀切屑可以導(dǎo)致切削力高頻率地周期變化波動(dòng)，而且會(huì)增加刀具磨損速率，降低加工表面質(zhì)量，所以研究鋸齒狀切屑的形成機(jī)理及其與工件材料、切削條件之間的關(guān)系就顯得至關(guān)重要［1］。早期由Komanduri等人(1982年)提出的絕熱剪切理論，認(rèn)為產(chǎn)生鋸齒狀切屑主要是切削速度達(dá)某一臨界值時(shí)由切屑內(nèi)部局部應(yīng)力的突變所造成的。而Shaw等人(1998年)提出的周期脆性斷裂理論，認(rèn)為產(chǎn)生鋸齒狀切屑主要是從切屑自由表面向切削刃擴(kuò)展一半距離的周期性整體斷裂所形成的。目前對(duì)鋸齒狀切屑的形成機(jī)理尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)［1］。針對(duì)這兩種不同的理論體系，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者一直在積極地探索，蔡玉俊等人對(duì)30CrNi3MoV淬硬鋼(48 HRC)的切屑形成機(jī)理進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明鋸齒狀切屑的臨界切削條件實(shí)驗(yàn)曲線與絕熱剪切臨界切削條件的理論曲線基本吻合，認(rèn)為鋸齒狀切屑產(chǎn)生的根本原因是主剪切區(qū)內(nèi)熱軟化超過(guò)應(yīng)變硬化的結(jié)果［3］。Raja Kountanya等人對(duì)100Cr6軸承鋼(60 HRC)的切屑形成機(jī)理進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)研究和仿真分析，得出的結(jié)論是周期脆性斷裂理論在硬切削中占主導(dǎo)地位，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)切削力隨切削速度增大而減小的現(xiàn)象，絕熱剪切理論的熱軟化作用也是存在的［4］。

以上鋸齒狀切屑的研究總體而言都是針對(duì)切屑微觀形貌進(jìn)行的分析，而旋風(fēng)銑削切屑不僅在微觀上呈現(xiàn)出鋸齒狀(圖1)，即使在宏觀形貌上也呈現(xiàn)出鋸齒狀(圖2)。

宏觀鋸齒與微觀鋸齒有本質(zhì)區(qū)別:一是觀察角度不同，微觀鋸齒狀切屑觀察面為切屑的橫截面(見(jiàn)圖2:xz平面)，宏觀鋸齒狀切屑觀察面為切屑的兩個(gè)自由邊(見(jiàn)圖2:xy平面)，兩平面相互垂直;二是觀察方法不同，微觀鋸齒狀必須借助掃描電鏡或高倍顯微鏡才能觀察到，而宏觀鋸齒狀直接用肉眼即可觀察到;三是形成機(jī)理不同，切屑微觀鋸齒狀形成機(jī)理前已述及，宏觀鋸齒狀切屑是在加工的過(guò)程中切屑自由邊厚度小于切屑中間厚度，當(dāng)材料的工作應(yīng)力大于許用應(yīng)力時(shí)形成的。因此，微觀鋸齒狀切屑與宏觀鋸齒狀切屑具有本質(zhì)的區(qū)別，絕不可籠統(tǒng)地不加前提地提鋸齒狀切屑。目前，針對(duì)旋風(fēng)銑削切屑宏觀形貌的分析鮮有報(bào)道，但實(shí)際加工中，由于受到加工條件的限制，切削力、切削溫度和加工表面粗糙度等切削性能指標(biāo)都不容易獲得，且其準(zhǔn)確性、可靠性都值得研究，而切屑易采集、易觀察，且隨著切削參數(shù)的變化而變化。因此，本文通過(guò)對(duì)滾動(dòng)軸承鋼(平均硬度為63.5 HRC)旋風(fēng)銑削的工藝實(shí)驗(yàn)研究，給出了幾種典型宏觀切屑的形狀及其產(chǎn)生的條件，分析了宏觀鋸齒狀切屑鋸齒程度與工藝參數(shù)的關(guān)系，為建立硬態(tài)旋風(fēng)銑削加工過(guò)程在線監(jiān)控提供了一種新的方法。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

實(shí)驗(yàn)在漢江機(jī)床廠研制的8 m大型數(shù)控旋風(fēng)銑機(jī)床上進(jìn)行，如圖3所示。工件材料為淬硬鋼(平均硬度為63.5 HRC)，尺寸為φ80 mm×10 mm×4 000 mm(其中螺紋長(zhǎng)3 210 mm);刀具材料為聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，前角 -8°，倒棱15°×0.1 mm;刀頭數(shù)z=4把;刀盤刀尖旋轉(zhuǎn)直徑為90 mm，設(shè)定夾緊間距為85 mm;銑削方式為順銑;壓縮空氣冷卻。

實(shí)驗(yàn)方法為單因素試驗(yàn)，分別對(duì)切削線速度和切削深度進(jìn)行兩組單因素試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。每組試驗(yàn)在采集切屑的同時(shí)，記錄主電動(dòng)機(jī)輸入功率，測(cè)量工件的表面粗糙度，并觀察工件振紋是否明顯。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

2 鋸齒狀切屑宏觀形貌分析

2.1 旋風(fēng)銑切屑的形成

旋風(fēng)銑是一種帶沖擊性的斷續(xù)切削。圖4所示為旋風(fēng)銑削切屑形成原理圖，切入時(shí)切削厚度由小變大，切出時(shí)切削厚度由大變小，切削最終表面時(shí)切削厚度很小。所以加工表面質(zhì)量比普通銑削質(zhì)量高，但由于切削力引起工藝系統(tǒng)較大的振動(dòng)，從而對(duì)加工精度有很大的影響。

2.2 旋風(fēng)硬銑切屑幾種主要的宏觀形貌

切屑的宏觀形貌是指不借助研究工具，直接用肉眼觀察到的切屑形貌。旋風(fēng)硬銑切屑形狀主要為“C”型，但會(huì)隨刀具結(jié)構(gòu)和涂層不同，有較大變化。表2為3種PCBN刀具在相同加工參數(shù)下形成的切屑。就鋸齒狀“C”型切屑形貌而言，隨切屑厚度、寬度的不同，自由邊的鋸齒大小也不同，故在同一根切屑上可以觀察到不同的切屑形貌。

2.3 宏觀切屑形貌隨切削條件的變化關(guān)系

表3為ap=0．06 mm，v從 120 m/min到 240 m/min的單因素試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)v≤180 m/min時(shí)，宏觀鋸齒程度明顯;當(dāng)v≥200 m/min時(shí)，隨著v的提高，宏觀鋸齒程度越來(lái)越弱。圖5為主電動(dòng)機(jī)輸入功率隨切削線速度變化的曲線。當(dāng)切削線速度高于180 m/min時(shí)，主電動(dòng)機(jī)輸入功率明顯下降。由此可見(jiàn)，宏觀切屑鋸齒程度變化情況反應(yīng)了主電機(jī)輸入功率的變化，并間接地為切削力的變化提供依據(jù)。

表4為v=180 m/min，ap從0.03 mm 到0.12 mm的單因素試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)ap=0.03～0.06 mm時(shí)，宏觀鋸齒程度由弱變強(qiáng);在ap=0.07 mm時(shí)，宏觀鋸齒程度最輕，之后程度略有加強(qiáng)。圖6為主電動(dòng)機(jī)輸入功率隨切削深度變化的曲線。該曲線在切削深度為0.07 mm時(shí)主電動(dòng)機(jī)輸入功率有一個(gè)明顯的降低，之后又隨切削深度的增加而略有增大;該變化幾乎與宏觀切屑鋸齒程度變化完全一致。

同時(shí)，切屑的宏觀鋸齒程度與被加工工件表面振紋的程度也完全吻合，即切屑的宏觀鋸齒程度越嚴(yán)重，其工件表面振紋越明顯。這進(jìn)一步說(shuō)明了切屑的宏觀鋸齒化程度可以為切削功率、切削力和工藝系統(tǒng)的振動(dòng)情況提供很好的依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)提出了鋸齒狀切屑的微觀形貌和宏觀形貌在觀察角度、觀察方法和形成機(jī)理上存在本質(zhì)區(qū)別，說(shuō)明絕不可籠統(tǒng)地不加前提地提鋸齒狀切屑;

(2)分析了硬態(tài)旋風(fēng)銑削幾種典型宏觀切屑形貌特征和產(chǎn)生的工藝條件，不同刀具獲得的切屑形貌顯著不同;

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明:隨切削速度的提高，切屑宏觀鋸齒化程度減弱;隨切削深度的增大，切屑宏觀鋸齒化程度先增強(qiáng)后減弱，在切削深度0.06 mm時(shí)鋸齒化程度最嚴(yán)重;

(4)切屑宏觀鋸齒化程度與主電動(dòng)機(jī)輸入功率、工件表面振紋的變化完全一致，說(shuō)明了切屑的宏觀鋸齒化程度可以為切削功率、切削力和工藝系統(tǒng)的振動(dòng)情況提供很好的依據(jù);

(5)本文的研究成果，為通過(guò)切屑建立硬態(tài)旋風(fēng)銑削加工過(guò)程在線監(jiān)控提供了一種新的方法。

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