高压冷却下锯齿形切屑几何表征试验
吴明阳 于永新 程耀楠 李录彬 赵 旭
, ,１５００８０
哈尔滨理工大学高效切削及刀具国家地方联合工程重点实验室 哈尔滨
: 、 ;
摘要 理论分析了锯齿化程度 锯齿化频率与锯齿化步距等几何表征模型 在高压冷却条件下进行
( PCBN) GH４１６９ ,
了聚晶立方氮化硼 刀具切削 镍基高温合金试验 并对不同切削用量与冷却液压力下, ;的切屑进行试样制备及抛磨 以分析锯齿形切屑的形貌及表征 分析了不同切削参数下锯齿形切屑几何
. : 、 ,表征的变化规律 试验结果表明 随着切削速度 进给量和背吃刀量的增大 切屑的锯齿化程度和锯齿, ; , , ,化步距增大 而锯齿化频率减小 随着冷却液压力的增大 切屑的锯齿化程度降低 锯齿化频率增大 锯; , ,齿化步距先增大后减小 在高压冷却条件下切屑的断屑能力得到了提高 且随着冷却液压力的增大 断
.屑效果进一步提高: ; ; ; ;关键词 锯齿形切屑 几何表征 高压冷却 聚晶立方氮化硼刀具 高温合金
:TG５０１中图分类号
DOI:１０．３９６９/j．issn．１００４ １３２X．２０１９．０１．００６
( ) ( OSID):
开放科学 资源服务 标识码
０
引言
,在众多高温合金材料中 镍基高温合金能够６５０ ℃ ,
在 以上条件下长期维持组织稳定性 具有较高的屈服强度和抗疲劳性能等优良的机械性
, 、 ,
能 被广泛应用在航空 航天等领域 尤其应用在[ １].航空发动机的热端工作部件 但镍基高温合金
收稿日期:２０１７ ０６ ２９
基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１４７５１２８);黑龙江省自然科学基金资助项目(E２０１６０４３);哈尔滨市应用技术研究与开发项目(２０１４DB４AG０１７)
, ,是一种典型的难加工材料 切削加工性差 普通的涂层硬质合金刀具与陶瓷刀具在切削过程中磨损
, ,
严重切屑不易折断已加工表面质量无法保[ ２Ｇ３].证 采用先进的刀具进行加工已成为一种趋
. (polycrystallinecubicboron势 聚晶立方氮化硼nitride ,PCBN)
刀具在加工难加工材料方面具有, , PCBN较大潜能 但仍然存在很多问题 如 刀具
, ,为平前刀面 切屑折断机理为切屑自然卷曲折断
,
断屑效果仍不明显 且生成的锯齿形切屑的锯齿
、化程度会造成切削力波动 加剧刀具磨损甚至出
, .现破损现象 进而影响加工质量和效率
, ,目前 针对难加工材料切削加工方面的问题
、 、人们对刀具磨损 锯齿形切屑形成机理 切屑变形
.KHAN [４] PCBN等方面研究较多 等 进行了 刀
Inconel７１８
具精车削 高温合金刀具磨损与寿命
,
试验研究 得到刀具主要的磨损形式是后刀面磨
.BUSHLYA [５] ,
损的结论 等 研究发现 切削速度
.是影响涂层或非涂层刀具寿命的最大因素 何耿
[６] ,
煌等 研究发现 负倒棱改变切削力的方向是延
. [７]
长刀具寿命的本质原因 庆振华等 通过研究硬
,态切削锯齿形切屑的形成过程 得到裂纹扩展是
. [８] PCBN切屑分离的原因 吴明阳等 通过研究
,刀具切削高温合金锯齿形切屑形成机理 确定了
,绝热剪切带位置与两个切屑锯齿形成关系 并建
.ARRAZOLA立了锯齿形切屑的形成机理模型
[９] ,
等 通过有限元仿真分析发现 锯齿形切屑的形
.成依赖于切削速度和材料的属性参数 杨奇彪
[１０] Ti６Al４V ,
等 通过高速切削 实验 得到切屑的
、锯齿化程度可判别普通切削 高速切削和超高速
. [１１] JohnsonＧ切削的结论 曹自洋等 通过建立
Cook ,
本构模型 分析了锯齿形切屑的等效塑性应. [１２] PCBN
变 李亭亭等 通过 刀具切削镍基高温
,
合金实验发现 高温合金切削过程中易产生切屑
. [１３] PCBN
塑性侧流现象 赵旭 通过 刀具切削镍基
GH４１６９ ,
高温合金 试验研究发现 随着切削速度与
, ;背吃刀量的增大 断屑效果有所提升 而随着进给
, .VAGNORIUS[ １４]量的增大 断屑越来越困难 通
Inconel７１８过高压冷却下的陶瓷刀具切削 高温合
, ,
金试验发现 刀具缺口虽略有呈现 但对刀具寿命
. [１５Ｇ１６] ,的影响不再重要 段春争等 研究发现 随着
, ,刀具前角的增大 切屑的锯齿化程度降低 切削力
, .
减小 锯齿化频率增大
,
综上所述 国内外学者针对常规条件下的锯
,齿形切屑形成机理及形貌的研究较多 但对高压
,PCBN
冷却条件下 刀具切削高温合金锯齿形切
,,屑的几何表征研究较少 因此 本文通过高压冷却
PCBN GH４１６９ ,下 刀具车削 镍基高温合金试验基于前人已建立的锯齿形切屑几何表征的理论模
,
型 研究高压冷却条件下切屑的宏观形态以及切削用量和冷却液压力对锯齿形切屑几何表征的影
.
响规律 １
锯齿形切屑的几何表征锯齿形切屑是难加工材料切削加工产生的典
, ,
型特征 在几何形态上 与带状连续切屑的区别在
、于锯齿形切屑具有周期性锯齿 切屑的厚度不均
. ,匀等特点 对于锯齿形切屑几何形态的研究 主
、
要从锯齿化程度 锯齿化频率和锯齿化步距三方
.面对锯齿形切屑进行几何表征研究
１．１
锯齿化程度
,SCHULZ在切屑的锯齿化程度研究方面
[１７] １
等 等采用图 所示的模型对切屑锯齿化程度
.
进行研究 该锯齿化程度表征模型不仅可以定量
,
地研究切屑的几何形状 而且适合研究切屑的锯
,
齿变形均匀程度 故本文选用该模型对锯齿化程
, :
度G 进行研究 其表达式如下
S h１ － h２
(１)
GS ＝
h１ , ;
式中 h１为切屑底部到切屑锯齿顶端的距离h２为切屑底
.部到切屑锯齿最低端的距离 图１ 切屑锯齿化程度分析
Fig．１ Theanalysisofsegmenteddegreeofchip EKINOVIC [１８] ２
等 建立了图 所示的锯齿形, ,切屑简化模型 在金属切削过程中 该模型可作为
. ,
高速切削的判据 该模型中锯齿化程度可表示为
－
A２ A１ d
１－ ( ) (２)
GS ＝ ＝ ２
A２ D , ;
式中 A１ 为切屑锯齿连续部分的面积 A２ 为切屑单个锯
; ;齿的面积d为切屑底部到切屑锯齿最低端的距离 D为
.切屑底部到切屑锯齿顶端的距离
１．２
锯齿化频率
( )锯齿化频率表示单位长度 或单位切削时间
.范围内锯齿形切屑上所包含的锯齿个数 锯齿化
:
频率的计算方式有两种 基于单位切削时间进行
.计算和基于单位长度进行计算 本文选用基于单位长度的计算方式对锯齿化频率f进行计算,
其:
表达式如下
３９
１０３ n
(３)
f ＝ L , ;
式中 L为选定的锯齿形切屑长度n为选定的锯齿形切
.
屑长度L内的锯齿个数
１．３
锯齿化步距
,锯齿化步距表示相邻两个锯齿之间的距离
, ３ .
其表征符号为P 如图 所示
c
锯齿化步距的大小代表锯齿形切屑的变形程, ,
度 锯齿化步距越大 表示相邻两个锯齿的齿顶或
,
齿根之间距离越大 锯齿形切屑单位长度的变形
;, ,
也越明显 反之 锯齿化步距越小 相邻两个锯齿
.的齿顶或齿根之间距离越小
２ 高压冷却下切屑几何表征试验研究
２．１
试验条件
PCBN本文在高压冷却条件下采用 刀具进
GH４１６９ ,GH４１６９行车削 镍基高温合金试验 的
１, ２.主要化学成分见表 物理力学性能见表 材料
６０ mm ×２００ mm;
规格 为ϕ 试验机床采用CKA６１５０ ;
数控车床 试验刀杆选用山特公司的高
PCLNRＧ２５２５M１２HP,
压冷却刀杆 径向角度为－６°, ６°;
轴向角度为 试验刀具采用株洲钻石公司
CNGA１２０４０８T０１５１５Ｇ２ PCBN ,型号为 的 刀具
: －１５°,刀片刃口参数如下 倒棱角度为 倒棱宽度
０．１５mm, ０°, ０°,
为 刀片前角为 刀片后角为 刀尖
０．８mm. ４ .圆弧半径为 图 所示为车削试验装备
( )质量分数
２．２
试验方法
,采用单因素试验方法 通过改变切削用量和
,冷却液压力值对工件进行多次切削 收集不同切
,削用量与冷却液压力下的锯齿形切屑 进行试样
, KEYENCE VHXＧ１０００E的制备及抛磨 利用 超景深显微镜对锯齿形切屑的形貌及几何参数进行
,
观测 研究高压冷却润滑条件下锯齿形切屑的几
. 、何表征 本试验参数主要包括切削速度v 进给
fz、 p,
量 背吃刀量a 和冷却液压力 具体试验参
p
３.
数见表
２．３ 试验结果与分析
,镍基高温合金的切削加工性能较差 切削变, PCBN
形大 虽然 刀具在加工高温合金方面具有
, PCBN ,较大潜能 但 刀具为平前刀面 断屑效果
. PCBN
仍不明显 为了使 刀具在高温合金切削
,
加工中发挥更大潜能 需分析高压冷却条件下的
,５ .
切屑宏观形态 如图 所示
５ , ,
由图 可以看出 在试验范围内 当切削用量
, ０ １１ MPa ,相同时 冷却液压力p由 增大至 时不
,同冷却液压力值下的切屑长度形成鲜明对比 常
( p ＝ ０) ８５mm,规切削下 的切屑长度达 而当冷却
１１ MPa , ６mm.液压力为 时 切屑长度仅为 由此
, ,可知 高压冷却条件可以明显提升断屑能力 且冷
( ＝ １６０ m/min, fz＝ ０．１５ mm/r, ＝ ０．４ mm) v a
p
, ,却液压力值越大 切屑长度越短 断屑效果越明
, . ,显 切屑呈碎断形 其原因是在高压冷却条件下
,冷却液压力被施加在切屑与刀尖接触处 使得切
, ,屑所受弯矩增大 刀 屑接触长度减小 从而使得
.
断屑性能得到改善 研究结果为研究高压冷却条件下切削用量与冷却液压力对锯齿形切屑几何表
.征的影响提供了理论依据
( ６),根据锯齿形切屑显微测量图 图 对齿顶、 、 ５
高h齿根高h 步距P 等参数分别进行 次测
１ ２ c
, . ,１
量 取平均值后进行几何表征的计算 其中 表
,２ ,３
示齿顶高 表示齿根高 表示选定的锯齿形切
,４ .
屑长度 表示锯齿化步距 图６ 锯齿形切屑显微测量图( v ＝ １６０ m/min, fz＝ ０．１５ mm/r, a ＝ ０．４mm,
p
p ＝ １１ MPa)(×５００)
Fig．６ Measuredmicrographofserratedchip ( v ＝ １６０ m/min, fz＝ ０．１５ mm/r, a ＝ ０．４mm,
p
＝ １１ MPa)(×５００) p
２．３．１
切削用量对切屑几何表征的影响
７
图 所示为不同切削用量对锯齿化程度的
, , ,影响规律 可以看出 在常规切削条件下 随着切
、 ,
削速度 进给量和背吃刀量的增大 切屑锯齿化程
, ,度提高 其中切削速度对锯齿化程度的影响较大
,原因是随着切削速度的增大 绝热剪切现象逐渐
, ,
剧烈 导致锯齿之间的接触长度减小 锯齿化程度
, ,
更加明显 若继续增大切削速度 将导致相邻锯齿
; ,
分离 随着进给量和背吃刀量的增大 引起了切削
, ,温度的升高 相邻两个锯齿之间的裂纹增大 从而
. ,提高了锯齿化程度 在高压冷却条件下 锯齿化
,程度低于常规切削条件下的锯齿化程度 其原因
, ,是在高压冷却条件下 由于高压冷却液的存在 冷
,
却液喷射至刀 屑接触区域内 将有效减少加工过
,
程中所产生的切削热量 从而抑制了绝热剪切现
,
象的产生 同时减小了加工过程中所产生的摩擦
,
力 使得切屑两齿之间的接触区长度较常规切削
,下两齿之间的接触区长度增大 因此降低了锯齿
.
化程度 (a)
切削速度对锯齿化程度的影响 (b)
进给量对锯齿化程度的影响 (c)
背吃刀量对锯齿化程度的影响
８
图 所示为不同切削用量对锯齿化频率的影
, , ,
响规律 可以看出 在常规切削条件下 随着切削
、 ,
速度 进给量和背吃刀量的增大 锯齿化频率减
,
小 这是因为绝热剪切失稳是锯齿形切屑形成的
, ,原因 绝热剪切现象随着切削用量的增大而明显
,被切削金属内部发生剪切滑移 切屑变形区中未
, ;变形的区域增大 锯齿化频率减小 同时由于进给
, ,量和背吃刀量的增大 使得切屑变形量增大 切屑
,剪切滑移区面积向锯齿顶层扩大 使得单个锯齿
,
形成的速度减慢 进而影响了整体切屑的流出速
, . ,
度 最终导致锯齿化频率降低 对比可以发现 当
,
切削用量相同时 高压冷却条件下的锯齿化频率
,小于常规条件下的锯齿化频率 原因是高压冷却
.条件抑制了绝热剪切现象的产生 (a)
切削速度对锯齿化频率的影响 (b)
进给量对锯齿化频率的影响 (c)
背吃刀量对锯齿化频率的影响
３０ １ ２０１９ １中国机械工程 第 卷 第 期 年 月上半月９
图 所示为不同切削用量对锯齿化步距的影
, ,
响规律 可以看出 两种条件下的锯齿化步距均随
,着切削用量的增大而增大 但高压冷却条件下的
, ,锯齿化步距较小 原因是随着切削速度的增大 相
,邻锯齿间的连接面积减小 加剧了相邻锯齿的分
; ,
离 随着进给量和背吃刀量的的增大 刀 屑接触
, ,
面积增大 产生了足够的切削热量 可对切削区金
, ,属进行软化 切屑侧向翻转可能性增大 相邻锯齿
, .
间的裂纹增大 锯齿化步距增大 而高压冷却液
, , ,的存在 使得切削温度降低 材料软化效应减弱
;因此在高压冷却条件下的锯齿化步距较小 由于
PCBN ５０ HRC
当 刀具切削洛氏硬度大于 的硬
, ０．３ mm,质材料时 背吃刀量选择一般不小于 因[ １９],为小背吃刀量切削易造成刀具磨损 使得切削
, ,
力增大 又由于附加冷却液压力的存在 使得切屑 (a)
切削速度对锯齿化步距的影响 (b)
进给量对锯齿化步距的影响 (c)
背吃刀量对锯齿化步距的影响
, ,受挤压变形程度增大 锯齿间的裂纹增大 因此当
０．２ mm ,
背吃刀量为 时 高压冷却条件下的锯齿
.化步距大于常规切削条件下的锯齿化步距
２．３．２
冷却液压力对切屑几何表征的影响
１０ ,
图 所示为切削用量一定时 冷却液压力对
, １０a切屑几何表征的影响规律 其中图 所示为冷
, ,却液压力对锯齿化程度的影响 可以看出 随着冷
, ,却液压力的增大 锯齿化程度明显降低 其原因是
,
当冷却液压力一定时 冷却液能带走部分切削热
, ;,
量 切削温度随之降低 此外 随着冷却液压力的
, , ,增大 切屑所受的弯矩增大 断屑效果增强 切屑
,
内部变形时间缩短 锯齿形切屑相邻锯齿间的接
, ,
触长度增大 锯齿化程度降低 从而使得内部变形
. １０b
程度更加均匀 图 所示为冷却液压力对锯齿
, , ,化频率的影响 可以看出 当切削用量一定时 随 (a)
锯齿化程度 (b)
锯齿化频率 (c)
锯齿化步距
, ,着冷却液压力的增大 锯齿化频率增大 其原因是
, ,随着冷却液压力的增大 冷却液流量增加 带走了
, ,更多的切削热量 降低了切削温度 从而减缓了绝
, ,热剪切现象的发生速度 摩擦力减小 使得剪切滑
,移区锯齿向顶层扩散的距离减小 因此增大了锯
, . １０c齿化频率 从而使得锯齿排列更加均匀 图
,所示为冷却液压力对锯齿化步距的影响 可以看
, , ,出 随着冷却液压力的增大 锯齿化步距增大 当
,冷却液压力增大至一定值后 锯齿化步距开始减
, ,
小 这表明当冷却液压力较小时 冷却液压力对切
,削温度和摩擦力的影响较小 绝热剪切现象依然
; ,
严重 当冷却液压力增大至一定值后 对绝热剪切
,现象起到了良好的抑制效果 因此锯齿化步距逐
.
渐减小
２．３．３
切屑几何表征的影响因素评价
在切削用量及冷却液压力对切屑几何表征的
,
影响规律分析过程中 不同影响因素具有不同的
, 、量纲 为了进一步综合对比评价切削速度 进给
、
量 背吃刀量和冷却液压力对切屑几何表征的影
, ,
响程度 需要消除因素的量纲影响 以解决数据指
, .
标的可比性 故采用了归一化方法 切屑几何表
１１,
征的归一化结果见图 其转换函数为
XX －
(４) Y ＝ min
XX －
max min
, ; ;
式中Y为量纲一数值 X为样本数据值 X 为样本数据
min
; .
最小值 X 为样本数据最大值
max
, １１通过极差和极差比 分析图 所示的切屑
,
几何表征归一化结果 对比评价切削用量和冷却
.液压力对切屑几何表征的显著性影响规律 由锯
( １１a) ,齿化程度的归一化结果 图 可知 在切屑几
,
何表征试验范围内 切削用量和冷却液压力对锯
、齿化程度的影响程度由高到低依次为切削速度
、 、 ,
进给量 背吃刀量 冷却液压力 并得到切削速度对锯齿化程度的影响是冷却液压力对锯齿化程度
１．８ .
影响的 倍左右 由锯齿化频率的归一化结果( １１b) ,
图 可知 切削用量和冷却液压力对锯齿化
、频率的影响程度由高到低依次为进给量 背吃刀
、 、 .
量 冷却液压力 切削速度 由锯齿化步距的归一
( １１c) ,
化结果 图 可知 切削用量和冷却液压力对锯齿化步距的影响程度由高到低依次为背吃刀
、 、 、 .
量 切削速度 进给量 冷却液压力 根据综合对
,
比评价可知 切削用量是锯齿形切屑几何表征的
,
主要影响因素 但冷却液压力依然可以起到辅助
,降低切屑锯齿化程度的作用 这是因为锯齿形切
,屑是难加工材料切削加工产生的典型特征 与材
,料自身的物理力学性能有关 故切削用量和冷却
４３
(a)
锯齿化程度 (b)
锯齿化频率 (c)
锯齿化步距
图１１ 切屑几何表征的归一化结果
Fig．１１ Thenormalizedresultsofgeometrical
characterizationofchip
,液压力只是改善切屑变形程度及断屑效果 且高压冷却条件在提升断屑效果的同时可以降低切屑
, ,锯齿化程度 从而可改善锯齿形切屑的几何表征
, 、使切屑内部形变程度更加均匀 是获得良好屑形
.改善切削环境的较好切削方式 ３
结论(１) ,高压冷却条件可以明显提升断屑能力 在
(７~１１ MPa), ,试验条件范围内 冷却液压力越大
, .
断屑效果越显著 切屑呈碎断形
(２) ,通过切削条件的对比 分析锯齿形切屑几
, 、何表征可知 高压冷却条件下锯齿化程度 锯齿化
;频率和锯齿化步距明显较小 在试验条件范围内(７~１１ MPa), ,
随着冷却液压力的增大 锯齿化程, ,
度降低 锯齿化频率增大 锯齿化步距先增大后
.
减小
４４
３０ １ ２０１９ １中国机械工程 第 卷 第 期 年 月上半月(３) ,
通过归一化处理的方法可知 切削用量和冷却液压力对锯齿化程度的影响程度由高到低依
、 、 、 ;次为切削速度 进给量 背吃刀量 冷却液压力 高压冷却条件在提升断屑效果的同时可以降低切屑
, ,锯齿化程度 使切屑内部形变程度更加均匀 是获
、 .得良好屑形 改善切削环境的较好切削方式
:
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编辑 胡佳慧
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: , ,１９７１ ,.
作者简介 吴明阳 男 年生 教授 研究方向为难加工材料
. ４０ .EＧmail:hustjxdlgcxy切削加工工艺及刀具 发表论文 余篇
＠１６３．com.