CN111660145A - 一种降低金属加工成本的工具处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属加工工具的表面处理方法，包括以下步骤：首先通过ABAQUS进行切削工具‑工件性能匹配仿真试验；然后进行高速加工试验，确定最佳高速加工参数；之后进行最佳参数的加工试验，获得不同磨损阶段（初期磨损阶段、稳定磨损阶段、急剧磨损阶段）加工工具，分析影响磨损的主要表面完整性参数，研究工具表面完整性（表面形貌、表面粗糙度、硬度、表面残余应力）演变规律；最后以表面完整性为参考，进行针对性表面处理，延长稳定磨损阶段，提高加工工具寿命，并进行验证试验。采用上述方法进行试验与处理，在提高加工效率的同时，延长了寿命，降低了加工成本，还可应用于大范围批量生产。

Description

一种降低金属加工成本的工具处理方法
技术领域
本发明涉及一种降低金属加工成本的刀具处理方法，具体地说是一种通过针对金属加工工具不同表面完整性进行表面处理来提高寿命的方法。
背景技术
金属加工作为最主要的成型手段之一，在制造业中占有重要的地位，各种加工工具成为机械加工行业的重要组成部分。金属加工行业成本受到工具寿命的影响，加工时的稳定加工阶段是工具寿命的主要阶段。涂层刀具表面完整性是影响工具性能与寿命的重要参数，表面完整性的变化影响着稳定加工阶段的变化。
许多研究发现，不同表面完整性参数的变化会显著的影响各类金属加工工具的摩擦磨损、涂层结合强度、韧性以及抗冲击、抗氧化等性能。现有的研究仅是根据未经加工的工具性能进行表面处理，目前很少有通过以加工过程中表面完整性的演变为参考，来进行延长稳定磨损阶段的针对性金属加工工具的表面处理。
为此，本发明针对金属加工工具表面完整性演变的不同阶段，主要研究稳定加工阶段的表面完整性演变，分析表面完整性对稳定切削阶段的影响，并以不同的完整性参数为参考，进行有针对性的表面处理，实现金属加工工具稳定磨损切削阶段的延长，为提高总体寿命，降低加工成本提供了新思路，具有普遍的科学意义与应用价值。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种针对工具的不同表面完整性进行表面处理，延长稳定加工阶段持续时间，提高工具寿命，降低加工成本的方法，其可解决加工过程中的工具磨损过快、更换频繁、加工成本高的问题。为达成上述目的本发明的解决方案是：
一种降低金属加工成本的工具处理方法，包括如下步骤：
1）针对不同的工件材料，通过ABAQUS进行加工工具-工件性能匹配仿真试验，在相同加工参数下，进行等距离加工，以磨损量为评判标准，选择最佳加工工具，实现工件与加工工具之间的性能匹配；
2）选取1）中最佳加工工具进行不同参数下的高速加工试验，比较加工寿命，确定最佳高速加工参数；
3）选取1）工具，以2）参数进行金属加工试验，获取三个不同磨损阶段的加工工具，以加工工具的失效标准为参考，记录工具各阶段磨损量以及磨损形式；
4）对三个阶段的加工工具进行相应表面完整性参数的测试，分析表面的完整性演变规律，研究稳定磨损阶段主要的磨损形式以及对磨损起主要影响的表面完整性参数；
5）针对不同的表面完整性选取表面处理工艺，进行单一或组合表面处理，以表面完整性作为标准，选取最佳的表面处理工艺参数；
6）对处理后的加工工具进行切削试验，测试在进行金属加工时寿命的提升程度。
进一步地，步骤3）所述的不同加工磨损阶段工具的获取，主要包括三阶段，5组工具，其中初期磨损阶段1组，稳定磨损阶段3组，急剧磨损阶段1组。
进一步地，步骤4）所述的表面完整性参数主要有影响加工工具与工件表面摩擦磨损的表面形貌与表面粗糙度，影响工具-工件切削速度与温度的硬度，影响抗冲击性能和涂层结合强度等性能的的表面残余应力。
进一步地，步骤5)所述的可选择得相应表面处理方法主要有：
a.超声波清洗、抛光：主要影响表面粗糙度、表面形貌等；
b.喷丸、喷砂、微喷砂：主要影响表面形貌、表面粗糙度、硬度以及残余应力等；
c.三束表面处理：主要影响硬度、表面粗糙度等；
d.冷、热处理：主要影响硬度、残余应力等。
本发明具有如下优点和效果：
本发明提出了根据表面完整性参数演变为参考进行对应金属加工工具表面处理，提高寿命，降低加工成本的方法。该方法首先通过仿真进行了工具-材料匹配；接着在考虑加工效率的情况下确定最佳加工参数；之后分析了工具加工过程中的表面完整性参数演变，研究稳定磨损阶段工具表面完整性的参数对磨损的影响；之后根据不同的参数制定相应的表面处理方案，提高工具性能，延长稳定磨损加工阶段；最后进行加工试验验证加工工具寿命提升。将该方法应用于金属材料加工，试验结果表明，该方法延长了稳定磨损加工阶段，提高了总体寿命，也为降低加工成本提供了新思路，具有普遍的科学意义与应用价值。
具体实施方式：
实施例一
所用切削工具为车削工具，硬质合金涂层刀具KC5010（TiAlN单层PVD涂层，肯纳公司生产），工件材料为航空航天常用钛合金TC4（Ti6Al4V），在数控车床CKD6136i（大连机床厂）上进行试验，选用光学显微镜测量刀具磨损量，扫描电镜（quata250）观察表面形貌，光学轮廓仪测量刀具表面粗糙度，X-stress 3000残余应力仪测量残余应力，压痕硬度仪（HV1000）测量刀具硬度。
1）借助仿真软件ABAQUS，进行涂层刀具与工件的性能匹配；
2）选用TiAlN硬质合金涂层刀具进行高速切削试验，选取切削速度v=90-120m/min，切削深度a p =0.1/0.2mm,进给量f=0.1-0.3mm/r切削参数下，进行切削，保证加工效率前提下，以刀具寿命为判断标准，选取最佳切削参数；
3）采用最佳参数切削速度v=110m/min，切削深度a p =0.2mm,进给量f=0.2mm/r进行高速切削试验，获取不同磨损阶段的5组刀具，以VB=0.3mm为刀具磨钝标准，记录涂层刀具各阶段磨损量同时分析其磨损形式；
4）测试不同阶段的表面完整性参数，绘制表面完整性各参数演变曲线，发现其稳定磨损切削阶段磨损主要是粘结磨损、扩散磨损、崩刃以及涂层剥落，其主要影响因素为涂层硬度、残余应力以及表面缺陷；
5）根据不同表面完整性参数对稳定磨损切削阶段的影响，选定先进行微喷砂处理，之后进行超声波清洗。经过微喷砂试验测试，根据不同参数下的表面完整性参数变化，进行最优参数组合，选择喷砂参数为：压强0.3MPa，时间7s，颗粒Al2O3。进行超声波清洗，置于酒精内，清洗时间30min，清理表面残留物；
6）进行切削试验，记录不同阶段刀具磨损量，测试涂层刀具寿命提升程度。
通过上述过程得到的硬质合金涂层刀具KC5010在进行钛合金TC4切削时，相比于未处理刀具，涂层稳定切削阶段延长40%，刀具整体寿命提升50%，加工成本显著降低。
每件加工总成本( C) 是劳动和机器成本、刀具更换成本及工件成本的和:
C = xTc+( xTd·Tc) /T +( y·Tc) /T
x：机器和操作员的成本（元/分钟）；
y：单刃平均值（元）；
T：单刃刀具寿命（min）；
Td：更换刀具和工件的停机时间（min）；
Tc：每个工件的加工时间（min）；
xTc：零件加工成本（元）；
( xTd·Tc) /T：换刀成本（元）；
( y·Tc) /T：刀具成本（元）。
在进行加工时，由于加工参数相同，其各成本参数相同，此处取同一值Tc=10min，Td=0.5min，只有处理前后单刃刀具寿命不同，未处理刀具寿命3.6min,处理后刀具寿命7.7min 。切削参数取高速切削时参数：v=110m/min，n=320r/min，f=0.2mm/r，a p=0.2mm。
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
处理后刀具寿命提高了50%以上，成本降低了49.4%。
实施例二
所用切削刀具为铣削工具，硬质合金涂层刀具KC522M（AlTiN单层PVD涂层，肯纳公司生产），工件材料为GH2132，在数控铣床（XD-40A）上进行试验，选用光学显微镜（USB2000）测量刀具磨损量，扫描电镜（quata250）观察表面形貌，光学轮廓仪测量刀具表面粗糙度，X-stress 3000残余应力仪测量残余应力，压痕硬度仪（烟台华煜众信）测量刀具硬度。
1）借助仿真软件ABAQUS，进行涂层刀具与工件的性能匹配；
2）选用AlTiN硬质合金涂层刀具进行高速切削试验，选取切削速度v=60-240m/min，纵向切削深度a p =0.2-0.5mm，轴向进给量a e =1-4，进给量f=0.04-0.1mm/r切削参数下，进行切削，保证加工效率前提下，以刀具寿命为判断标准，选取最佳切削参数；
3）采用最佳参数切削速度v=120m/min，纵向切削深度a p =0.3mm，轴向进给量a e =2mm，进给量f=0.06mm/r进行高速切削试验，获取不同磨损阶段的5组刀具，以VB=0.3mm为刀具磨钝标准，记录涂层刀具各阶段磨损量同时检测其磨损形式；
4）测试不同阶段的表面面完整性参数，绘制表面完整性参数演变曲线，发现其稳定磨损切削阶段磨损主要是粘结磨损、磨粒磨损、崩刃，其主要影响因素为涂层硬度、残余应力、耐磨性以及表面粗糙度；
5）根据不同表面完整性参数对稳定磨损切削阶段的影响，选定先进行微喷砂处理，之后进行超声波清洗。经过微喷砂试验测试，根据不同参数下的表面完整性参数变化，进行最优参数组合，选择喷砂参数为：压强0.3MPa，时间7s，颗粒Al2O3。进行超声波清洗，置于酒精内，清洗时间30min，清理表面残留物；
6）进行切削试验，记录不同阶段刀具磨损量，测试涂层刀具寿命提升程度。
通过上述过程得到的硬质合金涂层刀具KC5010在进行钛合金TC4切削时，相比于未处理刀具，涂层稳定切削阶段延长20%，刀具整体寿命提升35%，加工成本显著降低。
每件加工总成本( C) 是劳动和机器成本、刀具更换成本及工件成本的和:
C = xTc+( xTd·Tc) /T +( y·Tc) /T
x：机器和操作员的成本（元/分钟）；
y：单刃平均值（元）；
T：单刃刀具寿命（min）；
Td：更换刀具和工件的停机时间（min）；
Tc：每个工件的加工时间（min）；
xTc：零件加工成本（元）；
( xTd·Tc) /T：换刀成本（元）；
( y·Tc) /T：刀具成本（元）。
在进行加工时，由于加工参数相同，其各成本参数相同，此处取同一值Tc=120min，Td=0.5min，只有处理前后单刃刀具寿命不同，未处理刀具寿命54min,处理后刀具寿命73min。切削参数取高速切削时参数：v=110m/min，n=320r/min，f=0.2mm/r，a p=0.2mm。
序号 名称 未处理刀具 处理刀具
1 机器和操作员的成本<i>x</i> 0.41元/分钟 0.41元/分钟
2 零件加工成本<i>xTc</i> 49.2元 49.2元
3 换刀成本(<i> xTd·Tc</i>) /<i>T</i> 0.91元 0.34元
4 单刃平均值<i>y</i> 45元 45元
5 每部分总费用( <i>y</i>·<i>Tc</i>) /<i>T</i> 100元 73.9元
6 每件加工总成本<i>C</i> 150.11元 123.44元
处理后刀具寿命提高了35%以上，成本降低了18%。

Claims (4)

1.一种降低金属加工成本的工具处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）针对不同的工件材料，通过ABAQUS进行加工工具-工件性能匹配仿真试验，在相同加工参数下，进行等距离加工，以磨损量为评判标准，选择最佳加工工具，实现工件与加工工具之间的性能匹配；
2）选取1）中最佳加工工具进行不同参数下的高速加工试验，比较加工寿命，确定最佳高速加工参数；
3）选取1）工具，以2）参数进行金属加工试验，获取三个不同磨损阶段的加工工具，以加工工具的失效标准为参考，记录工具各阶段磨损量以及磨损形式；
4）对三个阶段的加工工具进行相应表面完整性参数的测试，分析表面的完整性演变规律，研究稳定磨损阶段主要的磨损形式以及对磨损起主要影响的表面完整性参数；
5）针对不同的表面完整性选取表面处理工艺，进行单一或组合表面处理，以表面完整性作为标准，选取最佳的表面处理工艺参数；
6）对处理后的加工工具进行切削试验，测试在进行金属加工时寿命的提升程度。
2.按照权利要求1所述的降低金属加工成本的处理方法，其特征在于：步骤3）所述的不同磨损阶段工具的获取，主要包括三个阶段，其中初期磨损阶段1组，稳定磨损阶段3组，急剧磨损阶段1组。
3.按照权利要求1所述的降低金属加工成本的刀具处理方法，其特征在于：步骤4）所述的表面完整性参数主要有影响加工工具与工件表面摩擦磨损的表面形貌与表面粗糙度，影响工具-工件切削速度与温度的硬度，影响抗冲击性能的表面残余应力。
4.按照权利要求1所述的降低金属加工成本的处理方法，其特征在于：步骤5)所述的可选择的相应表面处理方法的选择主要有：
a.超声波清洗、抛光：主要影响表面粗糙度、表面形貌等；
b.喷丸、喷砂、微喷砂：主要影响表面形貌、表面粗糙度、硬度以及残余应力等；
c.三束表面处理：主要影响硬度、表面粗糙度等；
d.冷、热处理：主要影响硬度、残余应力等。
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