上一篇文章,作者介绍了“倒棱角度对PCBN刀具切削性能影响”的试验部分。本期文章,作者将带领大家一起分析数据,并探索数据背后隐藏的真相。
一、切削力试验数据分析
图1-准静态力与瞬态冲击力随负倒棱角度变化曲线
从图1中,我们发现几个特点
1、切削力随着负倒棱角度增大呈现出先增大后减小的趋势。
2、切削力(准静态力与瞬态冲击力)中径向力最大,主切削力次之,轴向力最小。
3、切削力随负倒棱角度(15°至25°)增大而增大及三个分力间的关系,与前人文献研究结果吻合。
一、为何径向力是分力中最大的
随着负倒棱角度增大(15°至25°),切削刃处楔角增大,使切屑变形增大,所以
切削力有增大趋势。这个从金属变形的角度很好理解。
但是为何径向力大于轴向分力和主切削力?
同时由于楔角增大,在切削过程中刀具对工件材料的推挤作用加大,后刀面与工件材料之间的熨压作用强于剪切作用,从而导致径向力大于其他两个分力。
负倒棱角度继续增大时(25°至28°),切削力却随之减小。
其原因在于:用负倒棱刀具加工时,切削主要集中在倒棱区域,当负倒棱角度增大时,刀具与工件之间接触面积随之增大,导致刀具与工件间产生大量热能,使得金属的软化速度和程度都有所加大,因此切削力有变小趋势。
三、有效冲击力概念
在断续切削过程中,当空车时段远小于切削时段时,作者认为瞬态冲击力与准静态力的差值可真实反映出刀具在切入瞬间所受冲击的大小。差值越大说明刀具所受冲击越大,刀具越易发生脆性破损。
本文将瞬态冲击力与准静态力的差值称为有效冲击力,依据上文图片可得下图2所示有效冲击力曲线。
图2-有效冲击力曲线图
从上图2-有效冲击力曲线图
从上图2,我们可以看出
1、径向有效冲击力及变化幅值最大,轴向、主切削力方向的有效冲击力及变化幅值较小。
所以径向有效冲击力的大小是衡量刀具在切入瞬间所受冲击大小的重要指标。
2、负倒棱角度在15°、20°处径向有效冲击力的值远大于25°、28°的值,且负倒棱角度为25°时径向有效冲击力值最小。
试验中又采用四种不同的切削速度(90m/s、110 m/s、175 m/s和220 m/s)进行重复试验,其结果与上述结论基本吻合。
四、刀具寿命数据分析
15°、25°和28°三把刀具在寿命上产生差异的原因如下:
差异原因
首先,随着倒棱度数的增大,切削刃处的楔角变大,从刀具几何形状分析,其抗冲击性能将提高。
同时,由刀具寿命曲线图可知,负倒棱角度为15°时径向有效冲击力要大于25°、28°处的值,说明其在切入点处所受冲击很大,所以负倒棱度数为15°刀具的寿命小于其它刀具的寿命,此时机械冲击是影响刀具寿命的主要因素。
其次,在试验过程中发现,当28°负倒棱刀具切削时间达到10min左右时,切屑就呈半熔状态,说明此时刀尖处的温度已经达到100℃以上,此时刀具更易因高温发生氧化、扩散磨损。
图3-刀具磨损形貌及其EDAX图谱
图3(b)的EDAX图谱为图3中粘结物A点处的EDAX能谱。
由能谱图可知,A处的主要成份为来自空气中的O、刀具本身的AL、C和来自工件材料的Si、Mn等元素,在试验中同时观察了其它刀具在月牙洼处的EDAX能谱,发现28°刀具能谱图中O含量最高,这说明刀具因温度升高而引起的氧化、扩散磨损加剧。
同时,图2中28°处的有效冲击力大于25°处的值,所以负倒棱角度为28°刀具的寿命小于25°刀具的寿命。此时切削温度与机械冲击成为影响刀具寿命的主要原因。
【文章小结】
瞬态冲击力与准静态力随着负倒棱角度的增大(15°-25°)而增大,当负倒棱角度继续增大(25°-28°)时,二者出现减小的趋势。
冲击力与准静态力的径向分力最大。刀具受到的有效冲击力中,径向有效冲击力最大,负倒棱角度在15°、20°时的径向有效冲击力要远大于25°、28°的值,且负倒棱角度为25°时,其值最小,在试验条件下,负倒棱角度为25°时,刀具寿命最长。
当负倒棱角度较小时,影响刀具寿命的主要原因为机械冲击;负倒棱角度较大时,切削温度与机械冲击综合作用是影响刀具寿命的主要因素。