基于變速試驗原理的材料切削加工性能快速評價方法

劉瑤，蔣炳炎，申瑞霞，彭華建

(中南大學 機電工程學院 現代復雜裝備設計與極端制造教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

對于具有高硬度、高強度、低導熱性等一系列特點的新型工程材料[1-2]，利用傳統評價方法對其切削加工性能評價存在時間長、成本高的不足。目前，應用較多的材料切削加工性能評價方法有單參數評價法和基于模糊理論的多參數評價法。單參數評價方法是利用刀具切削壽命、切削力、切削溫度和已加工表面等參數中的1項來評價工件材料的切削加工性能[3-5]。單參數法簡便、直觀、靈活性大，但由于切削條件選擇具有主觀性和片面性，使其所得結果的通用性較差。王細洋等[6]針對不同類型零件，從材料、零件熱處理、結構和標準化 4個方面評價其切削加工性能。該方法繼承了單參數評價法的優點，且更加全面，但仍有較大片面性，可信度不高。基于模糊理論的多參數評價法是借助綜合評判的方法對材料切削加工性能進行總體評價，目前較常用的方法是加權平均法。加權平均法是根據各因素的重要程度而賦予不同的權重，然后，對每一評價標準項下的評定結果進行加權平均處理[7-9]。多參數法能較全面的反映材料切削加工性能，但由于設定影響因素權重的過程具有主觀性，評價結果可信度不高，且表征參數多，評價過程時間長。本文作者設計了一套材料切削加工性能快速評價方法，以相對可切削系數表征材料切削加工性能，通過變速切削擴大切削速度評價范圍，并據此進行實驗研究，探討該方法的準確性和可行性。

1 評價與試驗方法

材料切削加工性能快速評價是通過車削的方法快速評價工件材料在粗加工條件下的切削加工性能，為2種或多種材料切削加工性能的比較以及當切削深度、進給量、刀具耐用度一定時切削速度的選擇提供理論依據。

在切削試驗中，本評價方法利用變速的方法評價工件材料在較大切削速度范圍內的切削加工性能，與傳統相對可切削系數評價法相比，擴展了速度評價范圍，能夠更全面地評價其切削加工性能。同時，以一種切削加工性能較好且較通用材料的刀具使用壽命為基準，通過比較切削其他材料時的刀具使用壽命獲得相對可切削系數，從而來評價其切削加工性能。此評價方法較真實地反映了2種或多種材料在較寬速度范圍內切削加工性能的優劣，可信度高，具有較高的應用價值，實現了材料切削加工性能的快速評價，節約了工件、刀具材料和大量的試驗時間。同時，本方法依據單刃車刀壽命試驗標準 ISO 3685—1993[10]設計切削試驗方案，使其具有更大通用性，便于不同科研人員之間的信息互換。

1.1 評價方法設計

1.1.1原理

在相同條件下切削不同材料，在切削速度v一定時，刀具使用壽命tv較長，或在刀具使用壽命t一定時切削速度vt較大的材料，其加工性能較好；反之，其加工性能較差。設定刀具使用壽命t＝60 min時，切削速度vt可寫作v60；同樣，當刀具壽命為30和15 min時，切削速度分別為v30和v15。 一般以切削正火狀態45號鋼的v60作為比較不同材料切削加工性能的基準，寫作(v60)j，而將其他各種材料的vt與其相比，該比值稱為相對加工系數Kr，即

對Kr大于1的材料，其加工性能比45號鋼的加工性能好；對Kr小于1的材料，其加工性能比45號鋼差。vt和Kr是最常用的加工性能指標，在不同的加工條件下都適用。比較據系數Kr，確定材料是否易于切削。系數Kr較大，則材料較易切削；系數較小，則材料較難切削。

材料切削加工性能快速評價試驗方案根據Heginbotham和 Pandey提出的變速切削評價原理[11]設計，采用外圓變速車削法，其原理如圖1所示。

圖1 外圓切削原理圖Fig.1 Principle of cutting excircle

在使用相同刀具的條件下，車削2根不同直徑的同種工件材料。記錄后刀面平均磨損量sB達到0.3 mm時所需要的路程、切削次數和初始切削速度，通過計算將泰勒公式vt-1/k=C中的系數C和k求出，從而定量確定t與v的關系。求出當刀具壽命為60 min時的最大切削速度v60，并設參照工件材料45號鋼的切削加工性能指數為100，采用

求出待評價材料的可切削性指數Kv，用于評價材料的切削加工性能。

1.1.2切削用量

對工件進行變速車削，在Z軸方向每進給1 mm增加1次轉速，增加量為1 r/min。車床的初始轉速為100 r/min，終止轉速為600 r/min[12]。在試驗條件為粗加工的條件下，依據單刃車刀壽命試驗標準ISO 3685—1993的4組標準切削條件(如表1所示)，選擇C組數據作為此次試驗的切削條件。

表1 標準切削條件Table 1 Standard machining conditions

1.1.3結果處理

定性比較工件材料的切削加工性能，繪制切削路程與后刀面平均磨損量的關系曲線，比較不同材料的曲線形狀、斜率及達到指定后刀面磨損量時切削的路程；定量比較工件材料的切削加工性能，通過比較vt來定量確定材料的切削加工性能；比較切屑形態(由于切屑是切削過程中熱量散發最重要的途徑，是否容易斷屑決定了切削熱能否及時散出)，找出影響材料切削加工性能優劣的原因。

1.2 試驗方法

根據上述評價方案，對試驗工件進行變速切削試驗，以驗證該評價方法的可行性。試驗采用LEADWELL-T8數控車床進行切削試驗，采用VMS-15100影像測量儀獲取刀具圖像并測量后刀面磨損值。工件材料為45號鋼，長度為560 mm，直徑為 96 mm。刀具屬機夾外圓涂層車刀，材料牌號為YW1，刀片型號為31003CZ。根據表1選取單邊切削深度為2.5 mm，進給量為0.4 mm，車床主軸轉速在200～700 r/min范圍內變化。

具體切削試驗步驟如下：

(1)根據試驗方案進行數控編程，并進行計算機仿真，確保程序正確無誤。

(2)將工件和刀具裝夾在車床上，設定工件坐標零點。

(3)按照試驗方案對工件進行變速車削。

(4)切削長度每增加250 mm時，利用影像測量儀采集刀具主后刀面磨損部位圖像，將其導入圖形處理軟件中計算刀面平均磨損量sB，記錄備用。若sB達到或超過0.3 mm，則停止車削，如未達到，則重復以上車削。

(5)試驗結束后，整理試驗設備，收集切屑采集圖像。

2 試驗結果與分析

2.1 刀具后刀面形態與磨損量

后刀面磨損主要與材料的抗熱震性、硬度和抗氧化黏著能力有關[13]，后刀面磨損量是衡量切削性能的重要指標[14-15]。圖2～5所示為切削不同行程時后刀面形態。

由圖2～5可見：后刀面出現了明顯磨損，并隨切削長度的增長呈逐步擴大趨勢；圖3和圖4中有明顯的磨損區域，并可以分辨出在切深2.5 mm對應的車刀處有明顯的溝槽，同時也呈擴大趨勢，且形成了典型的后刀面磨損B區和N區[16]，磨損在參與切削的切削刃中部較均勻，B區磨損帶的寬度一致。由于加工硬化層的影響，靠近工件外表面處的N區磨損較為嚴重；在后刀面磨損圖片中可以發現，有不同程度的金屬附著物，存在一定量的積屑。由圖5可見：當切削長度達到2 500 mm，即切削時間為23 min時，后刀面出現了崩刃現象，刀具發生失效，切削次數少，評價時間短。后刀面磨損量與切削時間的關系見圖6。由圖6分辨出初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段，與刀具磨損理論較吻合[17]。

圖2 切削試驗前后刀面形態Fig.2 Shape of flank face before cutting

圖3 切削長度為500 mm時后刀面形態Fig.3 Shape of flank face when cutting length is 500 mm

圖4 切削長度為2 250 mm時后刀面形態Fig.4 Shape of flank face when cutting length is 2 250 mm

圖5 切削長度為2 500 mm時后刀面形態Fig.5 Shape of flank face when cutting length is 2 500 mm

圖6 后刀面磨損量與切削時間的關系Fig.6 Relationship between flank wear and cutting time

2.2 前刀面月牙洼磨損

前刀面有明顯的月牙洼磨損，并呈擴大趨勢，說明斷屑槽的存在仍會產生月牙洼磨損，如圖7所示。

圖7 切削長度為2 250 mm時前刀面形態Fig.7 Shape of rake face when cutting length is 2 250 mm

2.3 切屑形態

在切削過程中切屑可以分為2種：在速度較低時，為較短的“C”形切屑[18]；在速度較高時，為較長的帶狀切屑。切屑的長度隨速度的增加而變長。這說明在低速切削時，斷屑槽能較好控制切屑的形態。但隨著速度的提高，開始大量出現帶狀切屑，說明當速度提高到較大時，斷屑槽不能很好地控制切屑的形態。

3 結論

(1)采用基于變速原理的材料切削加工性能評價方法對工件進行2次不同切削速度范圍的變速切削，即可完成工件材料切削加工性能的評價，且變速切削可使刀具在20 min左右時間失效，工件材料用量少，評價周期短，縮短了新型材料切削加工性能的研究周期，為切削參數優化提供現實依據，減少了生產過程中的盲目性。

(2)以相對可切削系數表征工件材料的切削加工性能，依照單刃車刀壽命試驗標準ISO 3685—1993設計試驗參數，保證獲得的評價結果準確無誤。切削試驗所得的刀具磨損曲線與刀具磨損理論曲線相吻合。

(3)該評價方法可根據需要設定變速范圍，并在該范圍內對工件材料的切削加工性能實施快速準確評價，擴展了傳統評價方法的切削速度范圍。同時，由于該方法依照國際標準設計，使不同科研人員之間的信息互換變得更為便利，通用性更佳。

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