| 脆性材料切槽加工的延性模式切削研究
新鄉(xiāng)市君華凈化設(shè)備有限公司 (河南 453000) 李小廣
河南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(焦作 454001) 程雪利
1.前言
對于諸如光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體、陶瓷和碳化鎢這類脆性材料的延性切削方法已經(jīng)被公認(rèn)為是日益重要的切削技術(shù)。然而,在延性模式下使用傳統(tǒng)的方法加工脆性材料仍然很困難,尤其是加工碳化鎢材料的工件更加困難,因?yàn)樗哂懈哂捕�、高耐磨性、耐腐蝕性和高韌性。對于工業(yè)而言,很需要一種有效切削像碳化鎢這樣脆性材料的技術(shù),超聲振動切削脆性材料就是一項(xiàng)能達(dá)到這個要求的新技術(shù)。
對于幾種脆性材料的切削,已經(jīng)通過延性切削理論論證了,同時證明:對于一些脆性材料,使用超聲振動切削技術(shù),能改善其延性切削性能。在這次的研究中, 引入了普通切削和超聲振動切削碳化鎢切削加工,用來說明超聲振動裝置是否能改善延性切削性能。結(jié)果顯示:當(dāng)切削深度從零增加到臨界值時,和普通切削一樣,超聲振動切削也有延性模式到脆性模式的轉(zhuǎn)換。然而,和普通切削相比,超聲振動切削的切削深度的臨界值要比它的大好幾倍。
2.超聲振動切削加工分析
大約在每點(diǎn)行程的平衡位置處,常用正弦波超聲振動來實(shí)現(xiàn)它的簡單諧振。超聲振動的調(diào)節(jié)方程為:
振動速度由微分等式可得：
根據(jù)切槽加工中使用的超聲振動參數(shù),振動速度Vu的最大值是107.4m/min。本次的超聲振動切槽加工試驗(yàn),使用的切削速度v是144m/min。因此,實(shí)際的切削速度Vt從36.6m/min到251.4m/min不等。事實(shí)上,在切削期間,就沒有刀具前角和工件表面的分離。不斷變化的實(shí)際切削速度將會引起切削刀尖連續(xù)碰撞工件表面,極大地增加了切削區(qū)域的瞬間壓應(yīng)力。根據(jù)延性切屑形成的機(jī)理,較大的壓應(yīng)力施加到切削形成區(qū)域,將會改善碳化鎢工件材料的延性切削性能。也就是說,在超聲振動切削碳化鎢切槽加工中,將會增加臨界切削深度。下面的試驗(yàn)證明了這個分析結(jié)果。
3.實(shí)驗(yàn)條件與方法
實(shí)驗(yàn)所用的機(jī)床為:CQM6132型精密車床;所用刀具為立方氮化硼(CBN)刀具,幾何參數(shù)為:切削刃的半徑為5.8μm;前角為O°;切削刃的傾斜度為O°;通過切削刃斜切形成的刀具前角為-32°,頂角為89°,頂尖半徑為0.5mm。實(shí)驗(yàn)材料為:碳化鎢材料,尺寸為:12.7mm×12.7mm×4.76mm。切削速度為144m/min。超聲振動的頻率是(19±1.5)kHz,振幅是15um。
實(shí)驗(yàn)方法:把設(shè)計(jì)好的超聲振動聲學(xué)系統(tǒng)裝置固定在精密車床上,工件則固定在圓形卡盤上,刀具作縱向進(jìn)給的同時并和變幅桿一起作縱向振動,通過關(guān)閉和打開超聲波發(fā)生器,分別進(jìn)行普通切削和超聲振動切削的切槽對比試驗(yàn)。使用掃描電子顯微鏡觀察加工工件的表面,比較它們在普通切削和超聲振動切削下切槽的表面形貌,研究超聲振動裝置對延性切削形成的影響。試驗(yàn)所得的普通切削和超聲振動切削切槽加工的臨界切削深度分別如表1和表2所示:
表1：普通切削切槽加工試驗(yàn)的臨界切深
表2：超聲振動切削切槽加工試驗(yàn)的臨界切深
比較兩次切槽加工試驗(yàn)的切削深度的臨界值,可以發(fā)現(xiàn):在超聲振動切削切槽加工中獲得的切削深度的臨界值15.995μm比普通切削切槽加工中獲得的臨界值4.761μm大。這個結(jié)果和第二部分的理論分析相一致,揭示了超聲振動能改善碳化鎢的延性切削性能。
4.試驗(yàn)結(jié)果與分析
在切槽加工試驗(yàn)中,從延性切削到脆性切削轉(zhuǎn)換的切削臨界深度,由已加工切槽的過渡區(qū)域決定,可以使用表面剖面儀在轉(zhuǎn)換截面測量出來。普通切削的切槽加工中,轉(zhuǎn)換區(qū)域的切削臨界深度為4.772μm;超聲振動切削切槽加工中,轉(zhuǎn)換區(qū)域的切削臨界深度為16.61μm。
普通切削切槽加工的切削深度的臨界值由表1給出,已加工切槽的名義臨界切削深度為4.761um。也就是說,在普通切削的切槽加工過程中,當(dāng)切削深度超過4.761um這個臨界值時,切削模式從延性轉(zhuǎn)換到脆性。超聲振動切槽加工的切削深度的臨界值由表2給出。切削的名義臨界切削深度為15.995um。也就是說,在超聲振動切削的切槽加工過程中,當(dāng)切削深度超過15.995um這個臨界值時,切削模式從延性轉(zhuǎn)換到脆性。
在超聲振動切削的切槽加工中,切削深度的臨界值在一定的范圍內(nèi)變化,如表2所示,在普通切削的切槽加工中也是如此。這可能是由于碳化鎢工件中不可避免的存
在著缺陷和瑕疵,使工作材料的物理性能發(fā)生了變化.
5.結(jié)論
(l)對于碳化鎢工件材料的切槽加工,作了完整延性模式切屑形成的超聲振動切削和普通切削的對比試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示:在普通切削和超聲振動切削中,切削深度增加時,都有延性模式到脆性模式的轉(zhuǎn)換。
(2)從延性到脆性轉(zhuǎn)換時,超聲振動切槽加工的切削深度的臨界值比普通切削切槽加工的切削深度的臨界值大幾倍(大約是3.36倍)。
(3)通過普通切削和超聲振動切削的對比試驗(yàn),得出超聲振動切削能改善碳化鎢材料的延性切削性能。
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