CN110539005B - 一种获取高完整性表面的工件切削加工方法 - Google Patents

一种获取高完整性表面的工件切削加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，工件进行粗切削后进行至少一次正向精切削和至少一次反向精切削，每次的正向精切削和反向精切削均采用多步进行，相邻两步中，后一步的切削经过前一步切削的切削已加工表面，采用本发明的切削方法，降低了工件表面的残余拉应力，降低了表面粗糙度，硬度稳定在合理范围内。

Description

一种获取高完整性表面的工件切削加工方法
技术领域
本发明涉及切削加工技术领域，具体涉及一种获取高完整性表面的工件切削加工方法。
背景技术
车削加工是现有机械加工领域内最为常见的加工方法。传统的车削加工过程中粗精切削加工进给方向相同。且精切削一次走刀完成(正向切削)，发明人发现，传统车削加工中，机加工零件表面多为残余拉应力。研究表明表面残余应力显著影响零件的抗疲劳和耐磨损性能，当切削加工产生表面残余压应力时，零件的疲劳寿命较高；而产生表面残余拉应力时，会降低零件的疲劳强度、抗化学和应力腐蚀性能。此外，表面残余应力超过零件用材料强度极限时工件表面开裂，降低零件的疲劳寿命和耐磨损性。此外，机加工表面粗糙度和硬化程度也显著影响零件的抗疲劳和耐磨损等使用性能。随着表面粗糙度，表面应力集中系数增大，疲劳裂纹更易产生。因此，降低表面粗糙度有助于提高零件的抗疲劳和耐磨损等使用性能。而过度的加工硬化会降低零件表面韧性，并伴随疲劳剥落现象。
发明人还发现，采用现有的精切削方法，加工精度较低。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，能够有效降低工件表面残余应力，且工件表层硬度值，硬化程度合理，加工精度高。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，工件进行粗切削后进行至少一次正向精切削和至少一次反向精切削，每次的正向精切削和反向精切削均采用多步进行，相邻两步中，后一步的切削经过前一步切削的切削已加工表面。
进一步的，粗切削后，首先进行反向精切削，然后进行正向精切削。
进一步的，粗切削后，按照反向精切削-正向精切削的顺序进行反向精切削和正向精切削的多次交替切削。
进一步的，反向精切削和正向精切削的次数之和不大于5次。
进一步的，所述正向精切削的具体步骤为：刀具自正向切削的起点沿正向进给，对工件第一设定距离范围内表面进行切削，完成工件第一步正向切削，工件回到起点，再次沿正向进给，对工件2倍的第一设定距离范围内表面进行切削，完成工件第二步正向切削，采用相同的方法，工件每完成第N-1步切削，回到起点，再沿正向进给，对工件N倍的第一设定距离范围内的表面进行切削，完成第N步切削，直至完成工件所有待切削表面的切削工作。
进一步的，所述正向切削的步数N为3步-5步。
进一步的，所述反向精切削的具体步骤为：刀具自反向进给的起点进给，对工件第二设定距离范围内表面进行切削，完成工件第一步反向切削，工件回到起点，再次沿反向进给，对工件2倍的第二设定距离范围内的表面进行切削，完成工件第二步反向切削，采用相同的方法，工件每完成第M-1步切削，回到起点，再沿反向进给，对工件M倍的第二设定距离范围内的表面进行切削，完成第M步切削，直至完成工件所有待切削表面的切削工作。
进一步的，所述反向切削的步数M为3步-5步。
进一步的，N倍的第一设定距离满足：完成N倍的第一设定距离的切削后，切削产生的带状切屑断屑。
进一步的，M倍第二设定距离满足：完成第M倍的第二设定距离的切削后，切削产生的带状切屑断屑。
本发明的有益效果：
1.本发明的工件切削方法，粗切削后进行多次的正向精切削和反向精切削，可显著降低加工表面的残余拉应力或引入表面压应力，降低工件表面粗糙度，并且可以使工件的硬化程度趋于稳定并且更加合理，提高了加工质量，提高了工件的疲劳寿命和耐磨等使用性能。
2.本发明的工件切削方法，采用正向切削和反向切削均采用分步切削，后一步的切削均经过前一步切削的工件表面，会再一次切削前一步的切削的工件表面，将前一步切削后产生的回弹部分进行切削，能够更好的确保工件的加工精度。
3.本发明的工件切削方法，正向切削和反向切削的每一步进给距离均满足切削完成后，带状切削能够断屑，避免了缠绕切屑的形成，避免了对工件表面的划伤。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1切削方法示意图；
图2为表1中各组实验加工后工件表面残余应力值直方图；
图3为表1中各组实验加工后工件表面粗糙度和表面残余应力图；
图4为实验1加工工件表面图像；
图5为试验3加工工件表面图像；
图6为表1中各组实验加工后工件表面硬度和表面残余应力图；
图7为表2中实验切削深度对工件表面残余应力影响规律示意图；
图8为表2中实验切削深度对工件表面粗糙度影响规律示意图；
图9为表2中实验切削深度对工件表面硬度影响规律示意图；
其中，1.工件，2.聚晶金刚石刀具。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有的工件切削方法工件表面残余拉应力较高，降低了工件的疲劳强度和抗化学和应力腐蚀性能，且精度较低，针对上述问题，本申请提出了一种获取高完整性表面的工件切削方法。
本申请中“正向”是指与现有切削加工中刀具进给方向相同的方向，“反向”是指与“正向”相反的方向。
本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1所示，一种获取高完整性表面的工件切削方法，对长度为30mm的活塞铝硅合金ZL109工件1进行切削，采用数控加工中心PUMA200A进行，首先沿正向对工件进行粗切削，然后对工件进行一次正向精切削和一次反向精切削，粗切削采用硬质合金刀具(型号：YD101 CCGX09T308-LC)进行，精切削采用聚晶金刚石刀具2(型号：CCMW09T308F-L1，中粒度)进行。
所述粗切削的加工参数为：切削速度：v＝150m/min、切削深度：ap＝0.5mm，进给量f＝0.15mm/r。
所述精切削的加工参数为：切削速度：v＝300m/min、切削深度：ap＝0.2mm，进给量f＝0.05mm/r。
所述正向精切削分三步(N＝3)进行，首先刀具自正向切削起点A点(距离工件一端端面B点5mm位置处)沿正向方向进给，进给至C点位置处，对第一设定距离10mm范围内的表面进行切削，完成第一步正向切削，然后工件回到正向切削的起点A点，再次沿正向方向进给25mm到达D点，对工件2倍的第一设定距离20mm的范围内的表面进行切削，完成第二步正向切削，然后工件回到正向切削的起点A点，再次沿正向方向进给40mm达到F点，对工件3倍的第一设定距离30mm范围内的表面进行切削，完成第三步正向切削，完成工件的正向切削工作。F点和工件的另一端端面E点留有5mm的安全距离。
第一步正向精切削刀具到达C点后，刀具脱离工件后，形成的带状切屑产生断屑，第二步正向精切削刀具到达D点后，刀具脱离工件后，形成的带状切削产生断屑，第三步正向精切削刀具到达E点后，刀具脱离工件后，形成的带状切削产生断屑，带状切削断屑后，避免了缠绕切屑的形成，避免了对工件表面的划伤。
第二步的正向切削经过第一步正向切削切削过的表面，对第一步正向切削切削后表面再次进行切削，对第一步正向切削的切削表面(C点和B点之间的表面)的回弹部分再次进行切削，产生沫状切屑，同理，第三步正向切削对第二步正向切削的D点和B点之间的表面的回弹部分再次切削，产生沫状切屑，保证了工件的加工精度。
所述反向精切削也采用三步(M＝3)进行，第一步反向切削刀具由F点进给至D点，对工件第二设定距离(10mm，E点和D点之间的区域)范围内的表面进行切削，完成第一步反向精切削，刀具回位至F点，然后再次反向进给至C点，对工件2倍的第二设定距离(20mm，E点和C点之间区域)范围内表面进行切削，完成第二步反向精切削，刀具回位至F点，然后反向进给至A点，对工件3倍的第二设定距离(30mm，E点和B点之间区域)范围内表面进行切削。
与正向精切削原理相同，反向精切削分三步进行，可以保证加工精度，并且不会产生缠绕切屑，避免了对工件表面的损伤。
本实施例中，粗切削后也可以按照反向精切削-正向精切削的顺序进行反向精切削和正向精切削多次交替切削，但正向精切削和反向精切削的次数和不大于5次，避免每次切太浅降低工作效率，本实施中，第一设定距离和第二设定距离可预先对不同的工件材料进行实验，得到第一设定距离和第二设定距离的值。
表1为16中精切削方式的方案表。
表1：精切削方案表
Figure BDA0002204180690000071
Figure BDA0002204180690000081
实验1为一次普通正向切削，即从工件起始端不间断切削至应加工完成部位；实验2为一次普通反向切削，即与实验1仅切削方向相反；实验3为一次正向切削；实验4为一次反向切削；实验5为先进行正向切削后进行反向切削；实验6为先进行反向切削后进行正向切削；实验7为进行两次切削均为正向切削；实验8为进行两次切削均为反向切削；实验9为进行三次切削均为正向切削；实验10为经过三次切削前两次为正向切削第三次为反向切削；实验11为经过三次切削依次为正向、反向、正向切削；实验12为经过三次切削第一次为正向切削，第二次和第三次均为反向切削；实验13为经过三次切削第一次为反向切削，第二次第三次为正向切削；实验14为经过三次切削第一次为反向切削，第二次为正向切削，第三次为反向切削；实验15为经过三次切削，前两次为反向切削，第三次为正向切削；实验16为经过三次切削均为反向切削。除实验1和实验2以外，其余实验中的正向切削和反向切削均分三步进行。
如图2所示，粗切削后采用多次的正向精切削和反向精切削能够降低工件表面的残余拉应力，并引入残余压应力，当精切削的次数和方向不同时，加工表面残余应力变化明显，即调整精切削方向和次数可控制残余应力大小，且精切削次数越多表面残余应力越小越稳定，合理的精切削方向和次数可降低表面残余应力，获得表面残余压应力，因此可以提高机加工零件的疲劳寿命和耐磨性。第6组实验可以得到最大的残余压应力，第6组实验效果最好，也就是本申请实施例1的切削方案。
如图3所示，第6组实验方案可以得到较小的工件表面加工粗糙度，结合第一组和第三组实验，可以看出正向切削采用分步进行可以明显降低工件表面的粗糙度，这是因为采用分步进行可以避免加工表面的划伤，提高了加工质量，第一组实验的加工表面如图4所示，第三组实验的加工表面如图5所示。
如图6所示，16组实验中，硬度最大值138HV0.025，最小值85HV0.025，材料硬度从表面层到基体，先减小再增大至基体硬度80HV0.025左右，随着精切削次数的增加，加工表层硬度变化范围减小且取值逐渐稳定，其中经三次精切削(9-16组)的表面层硬度稳定在90-110HV0.025间，且对应的表面残余应力值较小。因此，加工硬化受精切削次数的影响，精切削次数越多，加工表层硬度越稳定、硬化程度更合理且表面残余应力较小。
结合图2-图6，可以得到第6组实验为最佳切削方案，也就是本申请实施例1的切削方案，能明显降低工件表面的残余拉应力，并引入残余压应力，降低表面粗糙度。
表2为切削参数变化时先反向精切削再正向精切削的实验方案。
表2：切削参数变化时先反向精切削再正向精切削的实验方案表
Figure BDA0002204180690000091
Figure BDA0002204180690000101
如图7所示，采用正反两向精切削法时，1)当切削深度在0.15mm至0.30mm范围内时，加工表面残余应力随切削深度增大而减小；2)当切削深度在0.20mm至0.30mm范围内时，切削获得表面残余压应力。这说明切削参数合理时，采用正反两向精切削法可降低表面残余应力，获得表面残余压应力，提高加工零件的抗疲劳和耐磨损性能。3)当切削深度在0.05mm至0.15mm范围内时，加工表面残余应力波动较大，这主要是因为刀具圆弧半径的存在，切削深度存在一个合理的参数范围。当切削参数较小时，并不能获得理想的加工效果。
如图8所示，采用正反两向精切削法时，切削深度在0.05mm至0.30mm范围内时，加工表面粗糙度均小于0.4μm。这说明先反后正精切削法可以显著降低加工表面粗糙度，降低表面应力集中系数，提高表面抗疲劳性和耐磨性能。
如图9所示，采用正反两向精切削法时，表面硬度最大值117.7HV0.025，最小值89.03HV0.025。表面层硬度稳定在89-118HV0.025间，加工硬化程度合理。这说明采用先反后正精切削法，可获得硬化程度合理的加工表面，避免硬化过度导致表层脱落和韧性降低，提高表面抗疲劳性和耐磨性能。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，其特征在于，工件进行粗切削后进行至少一次正向精切削和至少一次反向精切削，每次的正向精切削和反向精切削均采用多步进行，相邻两步中，后一步的切削经过前几步切削的切削已加工表面；
所述正向精切削的具体步骤为：刀具自正向进给的起点沿正向进给，对工件第一设定距离范围内表面进行切削，完成工件第一步正向切削，工件回到起点，再次沿正向进给，对工件2倍的第一设定距离范围内表面进行切削，完成工件第二步正向切削，采用相同的方法，工件每完成第N-1步切削，回到起点，再沿正向进给，对工件N倍的第一设定距离范围内的表面进行切削，完成第N步切削，直至完成工件所有待切削表面的切削工作。
2.如权利要求1所述的一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，其特征在于，粗切削后，首先进行反向精切削，然后进行正向精切削。
3.如权利要求1所述的一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，其特征在于，粗切削后，按照反向精切削-正向精切削的顺序进行反向精切削和正向精切削的多次交替切削。
4.如权利要求1所述的一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，其特征在于，反向精切削和正向精切削的次数之和不大于5次。
5.如权利要求1所述的一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，其特征在于，所述正向切削的步数N为3步-5步。
6.如权利要求1所述的一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，其特征在于，所述反向精切削的具体步骤为：刀具自反向进给的起点进给，对工件第二设定距离范围内表面进行切削，完成工件第一步反向切削，工件回到起点，再次沿反向进给，对工件2倍的第二设定距离范围内的表面进行切削，完成工件第二步反向切削，采用相同的方法，工件每完成第M-1步切削，回到起点，再沿反向进给，对工件M倍的第二设定距离范围内的表面进行切削，完成第M步切削，直至完成工件所有待切削表面的切削工作。
7.如权利要求6所述的一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，其特征在于，所述反向切削的步数M为3步-5步。
8.如权利要求1所述的一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，其特征在于，N倍的第一设定距离满足：完成N倍的第一设定距离的切削后，切削产生的带状切屑断屑。
9.如权利要求6所述的一种获取高完整性表面的工件切削加工方法，M倍第二设定距离满足：完成M倍的第二设定距离的切削后，切削产生的带状切屑断屑。
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