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金刚石刀具车削时工艺参数对表面粗糙度影响的实验研究
浏览:795    时间:2018-05-18    来源:

精密车削中金刚石刀具切削参数的设置非常重要,这不仅关系到金刚石刀具的使用寿命,而且对于提高车削效率以及得到更好的工件表面车削质量都有着深远的影响。


本文就超精密车削中切削量、刀尖圆弧半径、进给量和主轴转速对表面微观形貌的影响进行了实验研究。然后对实验的数据结果进行了系统的归纳整理,最后分析这些影响所产生的原因。


精密车削技术也称“SPDT 技术”起源于1962年美国 Union Carbide公司,该技术利用天然金刚石作为切削刀具,以及空气轴承作为主轴的超精密车床,成功将电解铜直接车削到镜面。


限随着车削技术的进步不断变化,今天的超精密车削可能就是明天的一般车削。随着空气轴承、气浮导轨、金刚石刀具、冷却方法、检测技术、恒温防震系统等超精密数控机床技术,以及误差预报、误差补偿等理论的发展,目前已经成功实现某些材料的超光滑镜面加工。


精密加工车削工艺参数对表面粗糙度的影响

本实验机床是单点金刚石车床,被加工材料为铝,,被加工形状为球面。


1、进给量对表面粗糙度的影响

设置金刚石车床主轴转速s=2000rpm /min,切削深度d=2μm,刀具半径R=0.5mm,改变进给量分别为f=μm,2μm,4μm,8μm,16μm,24μm。对加工后工件的表面粗糙度进行检测。

根据实验结果绘制刀具进给量与表面粗糙度的关系曲线,并与理论曲线对比如下图所示。

从曲线可以看到,当刀具进给量较大时,表面粗糙度的变化趋势与理论曲线一致,但是当刀具进给量较小时,表面粗糙度已经不能用理论推导结果来解释。分析原因:

刀具进给量减小到一定值以下时,主轴转速所造成的粗糙度影响将成为主要因素,而微量进给量造成的粗糙度的影响为小量,几乎体现不出。

结论:在转速与切削深度相同时,对应于某种切削材料可以找到一个最适当的进给量,使车削表面的粗糙度最小。


2、主轴转速对表面粗糙度的影响

设置金刚石车刀切削深度d=2μm,进给速度F=10mm /min,改变主轴速度,对加工后工件的表面粗糙度进行检测,主轴速度与表面粗糙度的变化曲线如下图所示。


当主轴转速减小时到某一值以下,表面粗糙度值迅速增大,分析原因:

(1)主轴转速较小时,在进给速度不变的情况下,进给量很大,主轴转速越小,进给量越大,粗糙度越大。随着主轴转速增大,进给速度不变,每转一圈的刀具进给量减少,从而导致车削表面粗糙度值降低。

(2)主轴转速较小时,切屑与被车削零件的分离速度小,导致切屑对车削表面产生硬损伤,表面粗糙度增大。

(3)由于车刀对工件切削过程中刀具刃口对工件的切削点是变化的,法向切削力将也在不断变化,工件在车削过程中将形成周期性的震动频率,导致车削表面形成星形放射状的纹路,表面粗糙度值明显变大,特别在主轴转速较小时这样的纹路非常明显。


3、车削深度对表面粗糙度的影响

主轴转速保持不变 2000rpm /min,刀具进给速度F= 10mm /min,从边缘向中心走刀,改变车削深度,对加工后工件的表面粗糙度进行检测。绘制车削深度与表面粗糙度的变化曲线如下图所示。

车削深度小于某值时,表面粗糙度迅速增大,而大于此值时,表面粗糙度呈现近似线性增大趋势,分析原因:

( 1) 我们通常将这个拐点型切削深度称为“临界切深”,切削深度大于此值时,切削深度越大,在已加工表面形成的残留高度越大,表面粗糙度越差。

( 2) 切削深度小于“临界切深”后,随着切削深度的减小,有效切削值越小,工件材料抵抗塑性变形的能力越强,刀具与材料原子之间的相互作用力越弱。工件表面的粗糙度值反而增大。

(3)切削深度小于“临界切深”,金刚石刀具刃口对工件的挤压和摩擦迅速加大,切削接触有效范围内单位面积的应力加大,同时刀具刃口的磨损也加大,造成表面粗糙度增大。

结论: 在转速与进给速度相同时,对应于某种切削材料可以找到一个最适当切削深度,为“临界切深”,使车削表面的粗糙度最小。


4、车刀圆弧半径对表面粗糙度的影响

使用圆弧半径R为0.032mm,0.25mm,0.5mm,,0.65mm,1.04mm进行车削,主轴转速s= 2000rpm /min,切削深度d=2μm,刀具进给量为f=2μm,根据实验结果,绘制车刀圆弧半径与表面粗糙度的变化曲线,并与理论曲线比较如下图所示。

粗糙度随车刀圆弧半径的增大而下降,原因分析:

( 1) 车刀圆弧半径越大,车削表面残留的印迹越浅。

( 2) 车刀圆弧半径越大,刀刃受力的力矩越小,造成表面粗糙度下降。

(3) 车刀圆弧半径越大,散热性也越好,刃口冷却速度快,有利于提高车削表面的粗糙度。

结论:车刀圆弧半径大,是减小车削表面粗糙度的有效方法,但是,车刀圆弧半径的增大,对刀具刃口的刃磨工艺要求更高,导致刃口波纹度及圆度误差难以控制,必然造成车削表面的面形误差,在实际车削中,要根据被车削零件的表面粗糙度及面形要求进行综合分析,以选择最佳圆弧半径的车刀。


5、影响表面粗糙度的其它因素

相同的车削工艺参数车削不同材料时,表面粗糙度也不一样,这主要和被车削材料的维氏硬度,如材料硅,比强度和比刚度高、耐高温、耐磨损及线膨胀系数小且可调和尺寸稳定性好等特点,被广泛用于航天、航空光学,红外光学制造工程中,但由于其维氏硬度高,导致切削刀具刃口磨损过快,车削后表面粗糙度随车刀刃口磨损而迅速变大,难以控制。


地基的低频振动是影响表面粗糙度的另一个原因,在超精密加工中,即使十分有效的无源隔振系统可以隔离并消除掉大部分的环境高频振动,但却无法消除其中的低频振动。因此,地基振动的低频成分,尤其是振动频率小于 20Hz 的低频分量仍会引起机床床身产生不可忽视的振动,地基振动将引起的车削表面粗糙度形成波纹变化。


气源压力波动,它也是影响表面波纹度变化的主要因素之一。气浮结构中包含气浮主轴、真空吸盘和空气弹簧等多种气浮部件。由于气源产生的压力将直接作用在主轴、床身和溜板等气浮部件上,因此气源的压力波动会引起这些气浮部件产生同频振动,其低频部分将导致表面波纹度的变化


此外,表面粗糙度检测过程中还可以看见一些刀具切削纹路相交的条纹,其形成原因有:切屑未及时排除,以及空气中的灰尘在工件表面划伤,冷却液喷击的角度偏差造成切削对表面的划伤,从而对表面粗糙度带来影响。因此,在超精密车削过程中,应始终保持环境洁净,及时清理切屑。


结语

本文研究了单点金刚石切削加工的表面粗糙度与车削工艺各参数之间的关系,分析了各参数的变化对加工表面粗糙度的影响。通过分析可知:

主轴转速、进给量、车削深度及刀具圆弧半径对车削表面粗糙度在一定范围内产生规律影响,即主轴转速越大,进给量越小,切削深度越小、刀具圆弧半径越大,表面粗糙度越小,反之则越大。在实际工程中,必须结合被车削材料特点,主轴动平衡等实际情况,对车削工艺参数进行优化组合,以得到最佳的超精密车削表面光洁度。



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