CN111390204A - 一种连续车削加工主动断屑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种连续车削加工主动断屑方法，其核心思想是在每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，工件表面的新生切屑的厚度或材料特性存在突变，从而实现断裂；通过预处理位置、形貌和参数的控制，获得可靠、稳定、可控的断屑效果。本发明方法适用于解决无人值守产线上，切屑缠绕造成的加工停止、工件损伤、机器损坏等问题，能够保证金属连续切削过程不被刀具断屑性能不佳所困恼。相较于刀具断屑槽，本发明方法断屑效果更稳定可靠；相较于高压水/气射流断屑，本发明方法的能耗和成本更低，也更加环保。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种连续车削加工主动断屑方法，属于机械制造工艺和金属切削加工领域。
背景技术
断屑困难是金属切削加工时常面临的问题。切屑的缠绕和裹挟，不仅会损伤工件已加工平整表面，还会加剧刀具磨损；严重的，甚至造成机床损坏以及人员受伤。为避免出现切屑过长和缠绕，常需要人工监视切削状态或安装切屑检测装置。但是，上述举措并不能够完全消除不充分断屑带来的隐患；在加工铝合金、钛合金等高塑性金属材料过程中，很难真正做到无人值守。
现有断屑技术和方法有：
1)选择合适的刀具几何角度和切削用量，使得切屑更加卷曲；
2)在车刀(片)前刀面设置断屑槽，使切屑发生强制形变，从而断裂；
3)向切屑高压喷射切削液和气体，降低刀具温度，外力断屑。
上述技术方案，均具有较为明显的增强断屑效果，但也存在成本过高、断屑不彻底以及断屑稳定差等问题。
区别于现有技术方案，本发明的一种连续车削加工主动断屑方法的核心思想是在每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行特定表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，由于工件表面新生切屑的厚度或材料特性存在突变，切屑断裂。
本发明方法适用于解决无人值守产线上，切屑缠绕造成的加工停止、工件损伤、机器损坏等问题，能够保证金属连续切削过程不被刀具断屑性能不佳所困恼。相较于刀具前刀面断屑槽，本发明方法断屑效果更稳定可靠；相较于高压水/气射流断屑，本发明方法的能耗和成本更低，也更加环保。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：高塑性金属连续切削加工过程中，切屑易于缠绕造成的加工停止、工件损伤和机器损坏。
针对上述问题，本发明的技术方案是：每一次刀具切削走刀之前，对工件表面的特定位置进行特定参数下的表面改形和改性预处理，当刀具切削至预处理位置时，工件表面的新生切屑的厚度或材料特性存在突变，从而实现断裂。所述改形预处理是指，加工特定尺寸的沟槽表面形貌，沟槽的深度和走向可控。所述改性预处理是指，工件被加工区域的材料特性发生转变，包括：硬度、晶粒尺寸、表面残余应力，或是形成新的微观裂纹和缺陷。
上述技术方案的创新之处在于：1)通过对工件表面实施预处理的方式，让切屑发生可控自断裂，实际断屑效果与切削刀具的断屑性能相关度不高；2)能够获得可靠、稳定和可控的断屑效果；3)表面改形和改性预处理参数与切削工况是紧密关联的，适用范围更广。
以车削加工过程为例，介绍本发明的实施步骤，包括：
步骤(a)，根据零件加工图纸，确定工件参数和基本切削参数；毛坯件参数包括：工件半径、去除余量和材料特性；基本切削参数包括：走刀次数、主轴转速、进给量、切削深度、切削液类型等；
步骤(b)，确定每一次走刀的轨迹，规划工件表面改形和改性预处理位置及预处理参数；
步骤(c)，通过特定高能束加工方法，在每一次走刀之前都对工件表面进行预处理加工；
步骤(d)，进行20组零件连续车削加工，观测加工过程中的断屑效果，判断断屑效果是否达到预期；将符合要求的实施工艺，用于大批量生产的无人值守产线。
附图说明
图1是本发明方法实施步骤示意图。
图2是车削加工原理示意图。
图3是多次走刀车削加工示意图。
图4是工件表面改形和改性预处理宏观效果示意图。
图5是工件表面改形和改性预处理微观效果示意图。
图中，1，车床主轴；2，三角卡盘；3，加工零件；4，毛坯件轮廓；5，车刀；6，刀架；7，第一次走刀轨迹；8，第二次走刀轨迹；9，第三次走刀轨迹；10，表面预处理形貌；11，沟槽；12，热影响区。
具体实施方式
本发明方法的实施步骤如图1所示，包括以下步骤。
步骤(a)，根据零件加工图纸，确定工件参数和基本切削参数；毛坯件参数包括：工件半径、去除余量和材料特性；基本切削参数包括：走刀次数、主轴转速、进给量、切削深度、切削液类型等。
步骤(b)，确定每一次走刀的轨迹，规划工件表面改形和改性预处理位置及预处理参数。
步骤(c)，通过特定高能束加工方法，在每一次走刀之前都对工件表面进行预处理加工。
步骤(d)，进行20组零件连续车削加工，观测加工过程中的断屑效果，判断断屑效果是否达到预期；将符合要求的实施工艺，用于大批量生产的无人值守产线。
本发明不限于具体实施方式中示出的事项。本领域的技术人员根据说明书的描述，以及公知的技术所进行的改变和适配是本发明可以接受的，并且被包含在所要求保护的范围中。
实施例一。
下面结合实施例，进一步描述本发明方法的具体实施方式。
图2为实施一车削加工铝合金轴类零件。该零件具有三种不同的直径变化，从左向右分别是30毫米、26毫米和24毫米。
步骤(a)。
为车削出该零件，进行三次走刀切削。每一次走刀的切削深度和工件直径变化如下表所示。三次走刀保持相同主轴转速300r/min和进给量0.02mm/rev。
步骤(b)。
根据步骤(a)得到的切削要素和条件，确定车削刀具各次走刀的走刀轨迹，如图3所示。
步骤(c)。
在第一次走刀之前，在工件表面加工出如图4所示表面预处理形貌，该形貌外观为沟槽形貌，走向与工件轴向平行；根据切削深度的不同，沟槽具有两种深度，分别如图4中的A-A和B-B视图所示。
所述沟槽深度与切削深度呈正比；工件材料为铝合金，沟槽深度与切削深度的比值在0.5-0.8之间；工件材料为钢，沟槽深度与切削深度的比值在0.3-0.7之间。在本实施例中，A-A截面的沟槽深度为0.5-0.8mm，B-B截面的沟槽深度为0.75-1.2mm。根据实际断屑效果，在上述沟槽深度区间内进行合理取值。
本实施例采用高能激光束在工件表面加工出如图4所示表面预处理形貌。高能激光束将工件材料气化，形成沟槽；同时，激光束的热效应还会改变工件材料的特性，形成一定深度的热影响区。表面预处理形貌的横截面视图如图5所示。图中，H为沟槽宽度，其值大于等于激光束光斑直径，10-500微米；D1为沟槽深度，D2为热影响区深度，两者受激光束功率和辐射时间调控。
所述激光束热效应对工件材料特性的改变包括：硬度升高、晶粒尺寸细化、表面残余压/拉应力、微观裂纹和缺陷。
在对工件进行第一次走刀车削过程中，当切削位置经过表面预处理形貌，工件表面的新生切屑的厚度或材料特性存在突变，从而实现断裂。
第二次和第三次走刀之前，重复上述方法，根据每次走刀的切削深度，在工件表面加工出特定深度和分布的预处理形貌。通过控制激光束的功率和扫描速度，调控表面改形预处理加工的深度。
由于切削深度大于工件表面改形形貌深度，车削刀具的切削刃并不会与工件表面的沟槽接触，从而能够保证切削过程的平顺性。
步骤(d)。
在20组零件连续车削加工过程中，测试表面预处理形貌的实际断屑效果。
实施例二。
实施例二与实施例一的区别在于，实施例二为高速切削，工件转速加快，为了不影响工件高速转动平稳特性，所述改形预处理所去除的工件材料是以工件轴线为轴对称分布的。
Claims (8)
1.一种连续车削加工主动断屑方法，其特征在于：在每一次刀具切削走刀之前，对工件表面进行表面改形和表面改性预处理，所述表面改形预处理的加工深度小于切削深度；当刀具切削至预处理位置时，由于新生切屑的厚度和切屑的材料特性发生突变，切屑发生断裂；通过改变工件表面预处理的位置，能够人为控制切屑断裂的间隔长度；上述断屑过程，不会造成切削力明显波动，使得切削过程整体保持平稳。
2.根据权利要求1所述的一种连续车削加工主动断屑方法，其特征在于包括以下实施步骤：
步骤(a)，根据零件加工图纸，确定工件参数和基本切削参数；毛坯件参数包括：工件半径、去除余量和材料特性；基本切削参数包括：走刀次数、主轴转速、进给量、切削深度、切削液类型等；
步骤(b)，确定每一次走刀的轨迹，规划工件表面改形和改性预处理位置及预处理参数；
步骤(c)，通过特定高能束加工方法，在每一次走刀之前都对工件表面进行预处理加工；
步骤(d)，进行20组零件连续车削加工，观测加工过程中的断屑效果，判断断屑效果是否达到预期；将符合要求的实施工艺，用于大批量生产的无人值守产线。
3.根据权利要求1所述的一种连续车削加工主动断屑方法，其特征在于：所述改形预处理特指去除工件表面部分材料，形成特定的表面纹理或图案。
4.根据权利要求1所述的一种连续车削加工主动断屑方法，其特征在于：所述改性预处理特指改变工件被加工区域的材料特性，包括：硬度、晶粒尺寸、表面残余应力和微观裂纹。
5.根据权利要求1和2所述的一种连续车削加工主动断屑方法，其特征在于：所述改形预处理形成的特定表面纹理或图案是沟槽形貌，沟槽朝向与工件轴向平行，沟槽深度与切削深度呈正比。
6.根据权利要求1、2和3所述的一种连续车削加工主动断屑方法，其特征在于：所述沟槽深度与切削深度呈正比；工件材料为铝合金，沟槽深度与切削深度的比值在0.5-0.8之间；工件材料为钢，沟槽深度与切削深度的比值在0.3-0.7之间。
7.根据权利要求1所述的一种连续车削加工主动断屑方法，其特征在于：采用高能激光束，在工件表面通过一次加工，同时完成对工件表面的改形和改性预处理；高能激光束将工件材料气化，形成沟槽；同时，工件材料特性在激光束的热效应作用下发生改变，形成具有一定深度的热影响区；所述沟槽宽度10-500微米，沟槽深度和热影响区深度受激光束功率和辐射时间调控。
8.根据权利要求1和2所述的一种连续车削加工主动断屑方法，其特征在于：为了避免在高速车削条件下，工件表面预处理加工形成的形貌影响工件动平衡特性，所述改形预处理形成的特定表面纹理或图案是沟槽形貌，且沟槽形貌的走向延与工件轴线同轴的螺纹线方向。
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