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pcbn刀具镗削灰铸铁的工艺试验
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图1
一、问题的提出
我公司生产的三、四缸柴油机机体缸孔精度要求如图%所示。材料是ht250,硬度为200-250hb。过去采用yg3硬质合金刀具加工,由于加工孔较深,刀具切削行程长,刀具磨损快,且生产批量大,在镗孔过程中主要产生如下几个方面的问题:1)精镗后缸孔产生上大下小的锥度,圆柱度达不到要求;2)刀具刃磨频繁,调刀工作量大;3)加工尺寸散差大,稳定性差;4)工件热变形大,影响加工尺寸精度;5)生产效率低,严重影响生产批量的扩大等。解决这些问题的基本途径是应用新型刀具材料,提高刀具的耐磨性和切削速度及减小刀具与工件的摩擦系数等。为此,笔者选择了pcbn刀具材料,并根据其切削性能,分别在加工中心及组合机床上进行了工艺试验,取得了很好的效果。
二、镗削加工工艺试验
试验条件
加工对象:机体缸套孔,ht250,硬度200-250hb;
刀具:pcbn复合片;
加工性质:精加工;
加工设备:xh756加工中心;
加工条件:干式切削。
  
ⅰg0=-3°~-5°g01=-20°~-25°a0=6°~8°
ⅱg0=0°g01=-20°~-25°a0=6°~8°
ⅲg0=-3°~-5°g01=-10°~-15°a0=6°~8°
ⅳg0=0°g01=-10°~-15°a0=6°~8°
图2 切削速度与表面粗糙度的关系
  刀具几何参数对表面粗糙度的影响
图2所示是4组不同刀具的几何参数对表面粗糙度的影响曲线,由于pcbn刀具的脆性比硬质合金大,采用负倒棱或负前角以增加刀具的抗冲击强度(防止刀片破裂或断裂),但负倒棱与负前角的增大,使刀具的切削抗力增大,易引起刀具系统振动,影响工件表面粗糙度,因此要特别注意选择刀具的负倒棱和负前角。图中可以看出,在刀具几何参数为g0=0°,g01=-10°~-15°a0=6°~8°时,工件表面粗糙度值最低,精度最高。这是因为机体镗孔本身是连续切削加工,在切削条件允许的情况下采用0°前角和较小的负倒棱角,有利于减小切削力和刀具系统的振动,使刀具切削轻快,从而有利于降低加工工件表面粗糙度值。
切削速度对表面粗糙度的影响
切削速度的提高有利于工件表面粗糙度值的降低,pcbn刀具材料由于具有很好的热稳定性和高温硬度,导热性能好,摩擦系数小等特点,特别适合于高速切削。根据有关资料推荐,进行了切削速度与表面粗糙度对应关系的切削试验。
从图2中可以看出,在低速切削时,工件表面的粗糙度值较大,随着切削速度的增高,工件表面粗糙度值逐步降低。如以ⅳ组刀具为例在v<300m/min时,ra>1.6µm,v>500m/min时,ra<1.25µm,这是因为在低速切削时,由于刀具负倒棱或负前角的影响,刀具的切削抗力增大,引起刀具系统振动,从而使表面粗糙度值增大,当切削速度增高到一定值时,主轴的激振频率较高,大大高于机床-工件-夹具-刀具工艺系统固有的频率,因此切削过程平稳,加工表面粗糙度值明显降低。但当v>800m/min以后,对表面粗糙度的影响就不很明显。
   
图3 切削路程与刀尖磨损量的关系

图4 进给量与表面粗糙度的关系

图5 切深与刀具磨损量的关系
     切削速度对刀具寿命的影响
切削速度是影响刀具寿命的最主要因素,图3所示在不同切削速度下,切削路程与刀尖磨损量的关系曲线,可见v≤300m/min时,刀具磨损很快(加工12件左右机体就必需重新磨刀)。在v>700m/min以后,刀尖磨损缓慢(加工200件左右机体才开始重新磨刀),这是因为pcbn刀具在高速切削时,产生较高的切削温度,使被加工材料软化,与刀具间硬度差增大,这种“软化效应”提高了刀具的寿命。
进给量对表面粗糙度的影响
由于pcbn刀具需要制出负倒棱以避免切削过程中崩刃,因此进给量的选择不能太小,要大于倒棱宽度,否则刀具切削在倒棱区域,形成很大的负前角,不利于表面粗糙度的降低。进给量过大,同样也影响表面粗糙度的降低。图4所示为进给量与表面粗糙度的关系曲线。从图中可以看出,当进给量f<0.2mm/r,f>0.4mm/r时,表面粗糙度均不好。
切深对刀具寿命的影响
图5所示,为切深与刀具磨损量的关系曲线,当切深较小时,刀尖磨损量较大(在光学对刀仪上测量),在ap>0.3mm以后,磨损量明显减小,以后呈平缓上升趋势,这是由于切深较小时,刀具处于摩擦切削状态,采用较大切深时,由于有足够的热量对切削区金属进行软化(金属软化效应),使刀具磨损速度降低。但切深量选得过大,又导致精加工切削力及切削面积增大,影响表面粗糙度的减小。
三、刀具几何参数及切削用量的合理选择
从上述试验结果可以看出,最合理的刀具几何参数见表1。主偏角等其它角度根据需要确定。合理切削用量见表1。
表1 刀具几何参数
前角g0负倒棱g01倒棱宽br
mm
后角a0刀尖re
mm
刃倾角l
-10°~-15°0.2~0.36°~8°0.4~0.8

表2 切削用量
切削速度v
m/min
进给量f
mm/r
切深ap
mm
500~10000.25~0.4>0.3

表3 pcbn刀具加工缸孔对比
刀具加工工件数
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