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[刀具论文] 硬质合金钻头刃口钝化型式对钻削42CrMo的影响

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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2020-12-21 11:18:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    硬质合金钻头刃口钝化型式对钻削42CrMo的影响
    王乐1,邵强1,冉春秋1,张伟2
    1大连民族大学;2大连工业大学
    摘要: 针对硬质合金钻头在加工42CrMo曲轴法兰端面盲孔时容易出现缠刀、断刀现象,选用刃口钝化型式为锐刃、圆弧型、斜面型和瀑布型的刀具进行钻削试验。试验表明,瀑布型刃口刀具具有最佳的切屑形态、刀具磨损和刀具寿命。采用这种刀具加工42CrMo可显著提高刀具使用寿命,降低生产成本。
    关键词: 硬质合金钻头;钝化型式;42CrMo;切削性能
    1 引言

    [size=1em]刀具刃口钝化型式不同,加工中所产生的切屑形态、尺寸、颜色均有所不同[1,2],其断屑和排屑的效果也不同,并直接影响刀具的使用寿命和工件的加工质量。长切屑容易缠刀,还容易划伤已加工表面及刀具本身,降低加工精度和加快刀具磨损。同时,排屑不畅会使加工区域温度急剧升高,使刀具产生过烧、粘结现象,从而加速刀具失效和降低刀具使用寿命。频繁换刀还降低生产效率,增加生产成本。

    [size=1em]本文通过切削难加工材料42CrMo来研究不同刃口型式刀具的切屑形态及磨损情况,并优选出加工42CrMo的刃口钝化型式,对于工厂的实际生产加工提供参考。

    2 切屑变形机理

    [size=1em]切屑变形的实质是工件材料在刀具挤压作用下的剪切变形[3]。在金属切削理论中,一般将离开剪切面的材料看作是刚体,忽略了金属切削过程中材料的弹性变形。实际上金属切削是一个非常复杂的过程,在一般条件下切削刚性材料时,通常应将其视为线性强化弹塑性材料来研究。

    [size=1em]图1为基于线性强化弹塑性本构关系的切削模型。由于切削变形过程中存在加工硬化,因此图1中ABD为完全塑性变形区,也称非均匀变形区。AB为剪切面,BD为完全塑性变形区在切屑内的边界,即非零应力面。在B和D上存在一定大小的应力作用,BD面上的应力沿切屑流出方向进行释放,直到达到零应力面BC。由于加工材料为线性弹塑性材料,因此存在弹性恢复。BDC位于完全塑性变形区ABD的上方,是应力释放区,也称残余应变区。当切屑从A点到达D点时,切屑底层的金属除基本变形外,还产生前刀面摩擦变形。

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    [size=0.8em]图1 基于线性强化弹塑性本构关系的切削模型

    [size=1em]前刀面的摩擦挤压作用使切屑沿厚度方向存在不同的残余应变,在靠近前刀面的区域应变不断增大,但在应力释放区BDC内,随着应力的释放,应变逐渐变小,到达C点时应力为零。因此,C点即为切屑在前刀面的分离点,但其应变不为零。由于越靠近切屑的自由表面,切屑材料晶粒的残余应变越小,在离开AC边界时,切屑晶粒将会发生翻转,切屑晶粒的翻转引起切屑的卷曲,这就是切屑产生卷曲的主要机理。

    3 切削试验及结果分析3.1 试验条件

    [size=1em]试验设备:HASS VF5立式数控加工中心,主轴转速0-7500r/min,定位精度0.01mm;试验刀具:刃口钝化型式分别为锐刃、圆弧型、斜面型和瀑布型的φ14.5mm外冷硬质合金钻头4把,刃口钝化型式见图2。试验材料:42CrMo;冷却条件:乳化液外冷。

    3.2 切屑分析

    [size=1em]当主轴转速为61.0m/min,进给量分别为0.15mm/r、0.20mm/r、0.25mm/r、0.30mm/r时,不同刃口型式产生如表1所示的切屑形态。

    [size=1em]对进给量为0.15mm/r的切屑特征分析如下:

    [size=1em]①锐刃刃口。形成的切屑螺旋较密集,开始切削时切屑卷曲半径由小变大,随着切削深度的增加,螺旋切屑的螺距和卷曲半径较均匀。

    [size=1em]②斜面型刃口。形成的切屑比较规整,螺距及卷曲半径较均匀,螺旋根部靠近钻心处的切屑无明显折痕,不容易断裂形成短屑。

    [size=1em]③圆弧型刃口。产生1-2个完整螺旋的短切屑,在螺旋根部靠近钻心处的切屑有折痕,并沿折痕断裂形成较短切屑。

    [size=1em]④瀑布型刃口。产生长螺旋切削,最长切屑长度达到40-160mm;开始切削时切屑螺旋直径由小变大,随着钻孔深度的增加,导程由开始的比较均匀到逐渐增大,由开始的螺旋比较密集的切屑转变成大螺距松散的螺旋状切屑。

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    [size=0.8em](a)锐刃

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    [size=0.8em](b)圆弧形刃口

    d4c1f53b49718f841dca56da383d68ba.png
    [size=0.8em](c)斜面型刃口

    db61e8dbf8b99d73b35d6d549ceec859.png
    [size=0.8em]d)瀑布型刃口
    [size=0.8em]图2 刃口钝化型式

    [size=1em]对进给量为0.20mm/r的切屑特征分析如下:

    [size=1em]①锐刃刃口。产生1-2个完整螺旋的短切屑,切屑比较规整,在切屑根部靠近钻心处形成的切屑有折痕,容易断裂形成短屑。

    [size=1em]②斜面型刃口。产生长切屑,最长长度达76mm,卷曲半径及导程较均匀。

    [size=1em]③圆弧型刃口。产生1-2个完整螺旋的短切屑,切屑较规整,卷曲半径及导程均较小,易从螺旋根部折断。

    [size=1em]④瀑布型刃口。产生1-2个完整螺旋的短切屑,切屑较规整,在螺旋屑根部有明显折痕,并沿折痕产生断裂。

    [size=1em]对进给量为0.25mm/r的切屑特征分析如下:

    [size=1em]①锐刃刃口。产生大量1个完整螺旋的短切屑和几个单元切屑,切屑比较规整;切屑从螺旋根部折断,形成了比较短的切屑。

    [size=1em]②斜面型刃口。产生长切屑及2-3个完整螺旋的短切屑,切屑不规整;在螺旋切屑的根部偏上2mm处有折痕,根部折痕不明显,不容易断裂,形成中长切屑。

    [size=0.8em]表1 切屑形态
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    [size=1em]③圆弧型刃口。产生大量1个完整螺旋的短切屑和几个2-3个完整螺旋的切屑,切屑长度在7-20mm,切屑比较规整;在螺旋根部有折痕,从根部折断形成短切屑。

    [size=1em]④瀑布型刃口。产生1个完整螺旋的短切屑,切屑非常规整;在螺旋根部有裂纹,并从裂纹处折断形成较短切屑。

    [size=1em]对进给量为0.30mm/r的切屑特征分析如下:

    [size=1em]①锐刃刃口。产生大量1个完整螺旋的短切屑,切屑很规整;在螺旋切屑根部靠近钻心处的切屑有明显折痕,并从此处断裂形成短屑。

    [size=1em]②斜面型刃口。开始产生长切屑,长屑螺旋较密集,螺距和卷曲半径较均匀,形状规整,螺旋根部无明显折痕,不容易断裂;之后开始产生1个完整螺旋的短切屑,短屑根部有折痕,并从折痕处断裂。

    [size=1em]③圆弧型刃口。产生1个完整螺旋的短切屑,切屑比较规整;从螺旋切屑根部折断,在根部折断处有过烧发黄现象。

    [size=1em]④瀑布型刃口。产生大量1个完整螺旋的短切屑,切屑非常规整;切屑从螺旋根部折断形成短切屑,根部没有过烧发黄现象。

    [size=1em]综合以上切屑形态分析可知:

    [size=1em]①在试验的几种进给量参数下,刃口钝化型式为斜面型的刀具所产生的切屑均为长切屑,极易缠刀,容易划伤刀具及已加工表面,同时不利于排屑,这是由于斜面宽度大小影响所致。

    [size=1em]②进给量为0.2、0.25、0.3mm/r时,锐刃、圆弧刃、瀑布刃刀具所产生的切屑均为1-2个完整螺旋的短切屑,在切屑根部均有明显的折痕,容易断屑、排屑,形成的切屑较理想。其中圆弧型刀具在进给量为0.3mm/r时产生的短切屑根部有过烧发黄现象,这是由于钻削时切削刃部温度过高所致;如果此时继续钻削,刀具寿命会急速降低。

    3.3 刀具磨损和寿命分析

    [size=1em]主要切削参数: 主轴转速61.0m/min,进给量0.30mm/r(参照加工现场实际加工参数),外冷钻削。采用不同刃口钝化型式的4把刀具,钻削相同孔数后,观察刀具刃口磨损形态;然后继续钻削,再观察刀具刃口磨损形态。试验结果如表2所示。

    [size=0.8em]表2 刀具磨损形态(切削速度61.0m/min;进给量0.3mm/r)
    982ecef85d863a40367a827094f85aa6.jpg

    [size=1em]由表2可知,刀具的磨损及寿命情况如下:

    [size=1em]①锐刃刃口。由于刃口锋利,在开始切削时切削性能较好;但锋刃初期磨损较快,刃口处很容易崩刃;崩刃后刃口受力不均,切削性能会急剧下降,扭矩骤增;当扭矩超出极限值,刀具断裂。

    [size=1em]②斜面型刃口。由于斜面宽度过大,切削过程中切屑缠刀,导致刃口处散热不好,刃口温度较高,并使刃口处发生切屑粘结,同时产生崩刃现象,致使刀具失效。

    [size=1em]③圆弧型刃口。钻削63770mm后,后刀面靠近刃口处发黄,出现过烧现象,外刃与内刃转角处有轻微崩刃现象;继续钻削到117000mm,后刀面出现严重过烧发黄现象,外刃与内刃转角处产生崩刃;由于此时切削刃处温度过高,在内刃处产生切屑粘结、粘刀现象,致使刀具失效。

    [size=1em]④瀑布型刃口。在钻削133000mm后,后刀面产生轻微过烧发黄现象,内刃、外刃转角处有轻微崩刃现象,可继续钻削。

    [size=1em]由以上分析可知,瀑布型刃口刀具的磨损情况最为理想,刀具使用寿命最长。

    4 结语

    [size=1em]采用工厂实际加工参数加工42CrMo材料时,通过对切屑形态、刀具磨损及刀具寿命分析可知,瀑布型刃口刀具的切屑最为理想,刀具寿命最长。选用这种刀具可有效保证加工质量,提高生产效率和降低生产成本,为企业带来经济效益的提升。

    [size=1em]参考文献

    [size=1em][1]周军,李剑锋,孙杰.微切削加工A17050-T7451 过程切屑形貌及尺度效应研究[J].山东大学学报,2010,40(3):148-153.

    [size=1em][2]曹自洋,何宁,李亮.刀具切削刃钝圆对微细切削加工尺寸效应影响的有限元模拟研究[J].机械科学与技术,2009,28(2):186-190.

    [size=1em][3]刘亚俊,夏伟.切屑卷曲模型及其控制参数的研究[J].工具技术,2001,35(2):6-8.



    Influence of Carbide Drill Edge Preparation on Drilling42CrMo
    Wang Le,Shao Qiang,Ran Chunqiu,Zhang Wei
    Abstract: Regarding the chip winding and tool breakage in drilling blind holes in a 42CrMo diesel crankshaft,drilling experiments are carried out with carbide drills with sharp,chamfered,round and waterfall edge