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振動切削技術與零件加工表麵完整性

更新时间:2019-11-10 05:34人气:4085

1 引言 隨著科技與生產的發展,高強度鋼、高溫合金 、鈦合金等新材料的利用日益增多。這些材料固然具有良好的使用性能 ,但大多加工性能差 ,對其進行切削和磨削加工相當困難。同時,由於用這些材料製成的零件大都在高溫、高壓、高速、重載和受腐蝕性介質腐蝕的惡劣條件下工作,零件的加工表麵質量對其使用性能(疲憊強度 、抗腐蝕性、耐磨性等)具有直接和首要的影響。是以在加工這些零件時,不僅要求保證其尺寸精度,而且要求保證其加工表麵完整性 。生產實踐證實,很多因零件破壞釀成的事故往往起源於零件的表麵缺陷。對斷裂零件的金相分析及斷口分析表明,無論是動載疲憊斷裂還是靜載延滯斷裂,被加工零件表麵狀況存在缺陷都是引發斷裂的首要啟事之一。是以,為了充分發揮新型材料良好的使用性能,研究和解決零件加工表麵完整性題目顯得尤其首要。 2 零件加工表麵完整性的概念零件的加工表麵完整性即要求零件經過機械加工後表麵層完整無損 ,零件表麵層的機械物理性能、金相組織等均能滿足使用要求,並確保具有一定的使用壽命。是以,零件的加工表麵完整性包含兩方麵內容:一是與表麵構形或表麵紋理組織有關的部分,研究零件最外層表麵與四周環境間界麵的幾何外形,包括表麵微觀幾何外形與表麵缺陷等表麵特征,通常用表麵粗糙度來衡量;二是與加工表麵層物理力學性能狀況有關的部分,研究表麵層的特性,如變形強化 、殘餘應力、裂紋等。

圖1 金屬零件表麵層結構示意圖圖1為金屬零件在大氣中經切削加工後的表麵層結構示意圖。金屬基體材料的上部為塑性變形區,這是零件表麵在加工過程中產生彈性變形、塑性變形和晶格扭曲而形成的加工硬化層,該部分硬度較高且存在殘餘應力,金相組織也發生了較大變化;塑性變形區的上部是熱變質區;熱變質區的上部為貝氏區,這是加工過程平分子層熔化和表麵層活動而形成的冷硬層,該層結晶很細,有益於進步表層耐磨性;在貝氏區上部還有氧化層、吸附氣體分子層和由塵埃、磨屑等形成的汙染層。 在金屬切削加工中,無論采用常規加工還是特種加工,各種材料零件的表麵構形或表麵紋理組織都具有變化的特點,其表麵物理特性也隨加工方法 、加工條件的不同而不同,而零件表麵層的變化對零件的使用性能有很大影響 ,如表麵粗糙度影響零件表麵的耐磨性、抗腐蝕性、零件配合性質和疲憊強度;殘餘應力(特別是殘餘拉應力)易引發裂紋,使零件產生疲憊斷裂和應力腐蝕,影響零件的使用壽命。 3 零件加工表麵完整性對零件使用性能的影響表麵粗糙度對零件使用性能的影響 表麵粗糙度反映已加工表麵的微觀不平度高度。已加工表麵粗糙度按其在加工過程中的形成方向分為縱向和橫向粗糙度,一般將沿切削速度方向的粗糙度稱為縱向粗糙度,垂直於切削速度方向(沿進給活動方向)的粗糙度稱為橫向粗糙度。一般縱向粗糙度首要決定於切削過程中產生的積屑瘤、鱗刺 、刀具的邊界磨損及加工過程中的變形與振動;橫向粗糙度的產生除上述啟事外,更首要的是受殘留麵積高度及副刀刃對已加工表麵的擠壓而產生的材料隆起等身分所安排,一般橫向粗糙度比縱向粗糙度大得多。 當兩個互相摩擦的零件配合時,由於零件表麵粗糙不平,隻有零件表麵一些凸峰相互接觸,而不是全部表麵配合接觸。由於實際接觸麵積小,是以單位麵積上壓力很大。當零件相互摩擦時,表麵凸峰很快被壓扁壓平,產生劇烈磨損,從而影響零件的配合性質 。同時,粗糙表麵的耐腐蝕性比光滑表麵差,由於腐蝕性物質輕易聚集在粗糙表麵的凹穀裏和裂縫處,並逐步擴大其腐蝕感化。同時,在外力感化下 ,粗糙表麵極易產生應力集中,使零件表麵產生顯微裂紋,降低零件的疲憊強度。試驗表明,在沒有冷作硬化層和殘餘應力的情況下,表麵粗糙度越小,零件就越接近基體材料的疲憊強度。 冷作硬化對零件使用性能的影響 表麵冷作硬化通常對常溫下工作的零件較為有益,有時能進步其疲憊強度,但對高溫下工作的零件則不利。由於零件表麵層硬度在高溫感化下發生改變,零件表麵層會發生殘餘應力鬆馳,塑性變形層內的原子擴散遷移率就會增加,從而導致合金元素加速氧化和晶界層軟化。此時,冷作硬化層越深、冷作硬化程度越大、溫度越高、時間越長,塑性變形層內上述變化過程就越劇烈,進而導致零件沿冷作硬化層晶界形成表麵起始裂紋。起始裂紋進一步擴展就會成為疲憊裂紋,從而使零件疲憊強度下降。切削加工後表麵層的硬化程度取決於金屬在切削過程中強化、弱化和相變感化的綜合結果。當切削過程中強烈變形起主導感化時 ,已加工表麵就產生加工硬化;而當切削溫度起主導感化時,往往引發工件表層硬度降低和相變。是以,在加工中增大變形和摩擦都將加劇加工硬化現象,而較高的溫度、較低的工件材料熔點則會減輕冷作硬化感化。 殘餘應力對零件使用性能的影響 殘餘應力是指在沒有外力感化情況下零件內部為保持平衡而存留的應力。殘餘應力的產生啟事,一是在切削過程中由於塑性變形而產生的機械應力;二是由於切削加工中切削溫度的變化而產生的熱應力;三是由於相變引發體積變化而產生的應力。其中,切削表麵層由於塑性變形,表麵被拉長,基體的彈性變形易恢複,而表層的塑性變形不能恢複,是以表層受壓,基體受拉,在表層產生殘餘壓應力;切削溫度的升高導致工件溫度升高 ,但工件表層溫度高於基體溫度,待工件全部冷卻後,表層冷卻收縮受到基體的牽製 ,表麵產生殘餘拉應力。影響殘餘應力的身分多而複雜 ,試驗表明:凡能減小塑性變形和降低切削溫度的身分都能使已加工表麵的殘餘應力減小。 殘餘應力對零件的使用性能有很大影響。一般說來,假如殘餘壓應力在表麵層內足夠大且分布公道,會進步零件的疲憊強度;而殘餘拉應力則會引發裂紋,使零件產生疲憊斷裂和應力腐蝕。4 利用振動切削改善零件加工表麵完整性綜上所述,改善零件加工表麵完整性對於改善零件使用性能、延長零件使用壽命十分首要。控製加工表麵完整性的方法較多。在普通切削、磨削加工中 ,可針對不同的加工工藝方法,公道選擇刀具材料 、刀具幾何參數、切削用量和切削液,對零件進行表麵處理和表麵強化,從而得到要求的加工表麵粗糙度和表麵質量,改善零件加工表麵完整性;此外,利用一些新的切削加工技術,如振動切削、低溫切削、激光切削、水力切削等,也可達到進步加工表麵質量、改善加工表麵完整性的目的。 在改善零件加工表麵完整性的浩繁方法中,振動切削技術較易實現且利用效果很好。 振動切削道理 振動切削的實質是在切削過程中使刀具或工件產生某種有規律的、可控的振動,使切削速度(或進給量、切削深度)按某種規律變化,從而改善切削狀況,進步工件表麵質量。振動切削道理如圖2 所示。

圖2 振動切削道理示意圖

振動切削通過改變刀具與工件之間的空間—時間存在條件,從而改變切削加工機理,達到降低切削力和切削熱 、進步加工質量和加工效率的目的。振動切削是一種脈衝切削,切削時間短 ,瞬時切進切出,切削時工件還來不及振動,刀具即已離開工件。根據動態切削理論和衝量平衡理論,采用振動切削時切削溫度低 ,工件表麵質量好。在振動切削過程中,由於刀具周期性地接觸和脫離工件,其活動速度的大小和方向不斷改變。振動切削引發刀具速度變化和加速度的產生,使加工精度和表麵質量明顯進步。振動切削的特點使其在改善零件加工表麵完整性方麵獨具上風。 振動切削改善零件加工表麵完整性的上風 降低切削力和切削溫度 振動切削時 ,刀具與工件間相對活動速度的大小和方向均產生周期性變化,被加工材料的彈塑性變形和刀具各接觸表麵的摩擦係數都較小,且切削力和切削熱均以脈衝形式出現,使切削力和切削溫度的均勻值大幅度下降(切削力僅為普通切削時的1/2~1/10,切屑的均勻溫度僅40℃擺布),從而改善了切削條件,進步了工件加工質量和刀具使用壽命,減小了切削力引發的變形和切削溫度引發的表麵熱損傷、表麵熱應力及工件熱變形,特別為需要熱處理的零件減小熱處理變形及裂紋創造了十分有益的條件,輕易實現高精密加工 。 表麵粗糙度小、加工精度高 振動切削破壞了積屑瘤的產生條件,同時由於切削力小、切削溫度低及工件的剛性化效果,使加工表麵粗糙度減小、幾何精度進步。在振動切削中,固然刀刃振動 ,但在刀刃與工件接觸並產生切屑的各個瞬間 ,刀刃所處位置是保持不變的。由於工件與刀具在切削過程中的位置不隨時間變化,從而進步了加工精度。 刀具使用壽命長 振動切削時 ,由於切削力小、切削溫度低、冷卻充分,切屑的折斷和排出都比較輕易,可明顯進步刀具使用壽命。如振動參數選擇適當,一般可使刀具壽命延長幾倍至幾十倍 ,對難加工材料和難加工工序利用效果更好。用硬質合金刀具對不鏽鋼進行超聲振動切削試驗證實,刀具使用壽命比普通切削方式進步20倍。刀具壽命的延長不僅可節約刀具材料,減少輔助時間,降低加工本錢,進步生產效率,而且有益於保證加工質量。 切削液使用效果好 采用普通切削時,切屑總是壓在刀具前刀麵上形成一個高溫高壓區,切削液難以進進切削區,隻能在刀具外圍起間接冷卻感化;采用振動切削時,由於切削為斷續形式,當刀具與工件分離時,切削液<1頁

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