633 專用鏜床主軸箱設(shè)計(jì)【CAD圖+文獻(xiàn)翻譯+PPT+說(shuō)明書】
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外語(yǔ)文獻(xiàn)翻譯
Machine design theory
The machine design is through designs the new product or improves the old product to meet the human need the application technical science. It involves the project technology each domain, mainly studies the product the size, the shape and the detailed structure basic idea, but also must study the product the personnel which in aspect the and so on manufacture, sale and use question.
對(duì)金屬基復(fù)合材料的高速車削實(shí)驗(yàn)
L. Iuliano a, L. Settineri a and A. Gatto b ,*
a. Politecnico di Torino, Dipartimento di Sistemi di Produzione ed Economia dell’Azienda, C. so Duca degli Abruzzi, 24-10129 Torino, Italy
b. Universita` di Ancona—Dipartimento di Meccanica, Via Brecce Bianche-60131 Ancona, Italy (Received 1 October 1997; 12 May 1998)
摘 要
在機(jī)加工操作中，由機(jī)械特性增加了的金屬基復(fù)合材料（MMC）組成的硬磨料陶瓷元件，會(huì)引起快速磨損和刀具過(guò)早失效。本文的目的就是將高前角的硬質(zhì)合金刀具和有金剛石涂層的硬質(zhì)合金刀具，在對(duì)Al2O3 Al 6061金屬基復(fù)合材料（MMC）高速加工時(shí)的特性，進(jìn)行比較。關(guān)于刀具磨損和表面光潔度對(duì)切削參數(shù)的影響，尤其是切削進(jìn)給量和切削速度，進(jìn)行了研究。另外，涂層的高耐磨性，會(huì)使刀具壽命和切削成形機(jī)理得到提高。（1998年，由Elsevier科學(xué)有限公司出版并保留所有權(quán)利。）
關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料（MMC）；高速切削；刀具磨損
簡(jiǎn)介
使用復(fù)合材料的益處以及越來(lái)越多采用它們的原因是尋找，具有獲取很多增益優(yōu)勢(shì)的，特性組合體。其中包括：增加強(qiáng)度，減少重量，更高的服務(wù)溫度，耐磨性的提高及較高的彈性模量。
復(fù)合材料的主要優(yōu)勢(shì)：在于它們的機(jī)械性能和物理性能可以根據(jù)特定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。
近年來(lái)，一種被稱為新一代金屬基復(fù)合材料（MMC）1,2的材料已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，用以滿足高強(qiáng)度和高韌性材料的需求，且能在惡劣的條件下有效地工作。
這些材料的發(fā)展，始于20世紀(jì)60年代硼、石墨和芳族聚酰胺纖維復(fù)合材料的引入。對(duì)在金屬基復(fù)合材料的研究中，也引出了一些硼/鋁復(fù)合材料的零部件。然而，20世紀(jì)70年代早期隨著聚合物基復(fù)合材料逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，有關(guān)金屬基復(fù)合材料的收益便減少了。到上世紀(jì)80年代末，新的纖維增強(qiáng)材料的引進(jìn)，再一次促進(jìn)了金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。
這些材料通常是由一種，可由任何合適的金屬（鋁，鎂，鈦的形成和一些高溫合金應(yīng)用最多）組成的，基質(zhì)形成；且由構(gòu)成陶瓷材料的連續(xù)或非連續(xù)的纖維、晶須或顆粒組成的SiC和Al2O3來(lái)增強(qiáng)的。
這些先進(jìn)的復(fù)合材料被認(rèn)為是用于高溫應(yīng)用的良好選擇。大多數(shù)的金屬基復(fù)合材料含有約三分之一的鋼，它們的比強(qiáng)度和剛度相當(dāng)高3。因?yàn)榫哂兄亓靠蓽p少量高達(dá)25%的潛力，所以這些屬性在汽車和航空航天方面的應(yīng)用非常重要。此外，其高溫強(qiáng)度保留率也是一個(gè)重要的特征，使它們適于用作汽車和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的材料。
然而，在嘗試對(duì)其進(jìn)行切削時(shí)，這些吸引工程設(shè)計(jì)人員的金屬基復(fù)合材料（MMCs）的性能，卻由于它們的高脆硬性而呈現(xiàn)出一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
例如，由于高磨損率4-7，用常規(guī)方法如車削、鉆、銑、鋸等，對(duì)硬氧化鋁顆粒的氧化鋁／鋁合金MMC材料加工是非常困難的。鑒于此，氧化鋁被作為許多刀具的基礎(chǔ)材料，也就不奇怪了。因此，使用這些傳統(tǒng)的方法加工MMCs時(shí)，往往涉及頻繁及昂貴的刀具變化和因此而增多的刀補(bǔ)次數(shù)。所以，在車削、銑削和鉆削MMCs時(shí)，需要使用硬質(zhì)合金、金剛石或硬質(zhì)氮化物涂層刀具。即使加工次數(shù)往往是那些未增強(qiáng)的基體材料8-10的兩到四倍，但由于刀具磨損的增加和MMCs的脆性要求而需要良好的表面光潔度，就有必要減少進(jìn)給速率了。
圖一 Al2O3顆粒分布平行（a）和（b）垂直于擠壓方向
表1 6061鋁基表的化學(xué)成分
表2 切削條件
如果這些材料有更廣泛的用途，那么金屬基復(fù)合材料的加工困難就必須最小化。因此，金屬基復(fù)合材料的加工，目前被認(rèn)為是制造科學(xué)迫切需要關(guān)注中最有意思的領(lǐng)域之一。由于復(fù)合材料是相對(duì)較新的材料，所以已經(jīng)建立了綜合切削數(shù)據(jù)庫(kù)，并引起了人們的研究興趣5,6,8-13。
在本文中的一些調(diào)查結(jié)果的概述，包括一個(gè)用傳統(tǒng)的車削進(jìn)行高速加工的10%顆粒的Al2O3／6061 T6的鋁基復(fù)合材料。幾何形狀相同的硬質(zhì)合金刀具和有金剛石涂層的硬質(zhì)合金刀具被用于測(cè)試和測(cè)量刀具的磨損和表面光潔度，試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)，切削速度和進(jìn)給速率都在一定范圍內(nèi)。
該芯片的掃描電鏡觀察，以及磨損結(jié)果的評(píng)估是在不同切削速度和進(jìn)給量的切屑機(jī)理下形成的。
此前，作者已報(bào)道過(guò)13（Ti，Al）N涂層提高刀具壽命的調(diào)查結(jié)果。然而，這些結(jié)果表明：由于要實(shí)現(xiàn)刀具壽命上這點(diǎn)優(yōu)勢(shì)會(huì)耗費(fèi)更多成本，所以在經(jīng)濟(jì)上涂層是不可行的。
實(shí)驗(yàn)裝置
車削試驗(yàn)是在一臺(tái)，堅(jiān)固、有剛性、由特定的滾子軸承所組成的主軸及主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)5000轉(zhuǎn)的，數(shù)控立式車床上進(jìn)行的。其主軸由一臺(tái)額定功率為80千瓦、峰值功率為120千瓦的直流電機(jī)連續(xù)提供動(dòng)力。
商用的未涂層刀具和CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具是以三角可轉(zhuǎn)位刀片的形式使用的，這些刀片典型的幾何形狀可用于鋁合金的加工。聚晶金剛石刀具沒(méi)有被測(cè)試，是因?yàn)榕c未涂層硬質(zhì)合金刀具相比其成本高。一般情況下，刀具的前角，傾角。
對(duì)10%顆粒的Al2O3／6061 T6鋁基合金進(jìn)行連續(xù)切削測(cè)試，其組成見(jiàn)表1。圖1顯示的是分布均勻的正在增強(qiáng)的Al2O3顆粒，平行、垂直于擠壓方向。
經(jīng)過(guò)初步試驗(yàn)，為避免災(zāi)難性的失敗，對(duì)切削條件進(jìn)行了選擇。選定的切削條件見(jiàn)表2?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于每一個(gè)工具都要進(jìn)行12次的測(cè)試
加工完150* 103 立方毫米的物體后，根據(jù)ANSI / ASME B94 55M標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的殘余磨損量VB ，所檢驗(yàn)的刀具磨損模式都是一致的。對(duì)硬質(zhì)合金刀具切削刃的磨損區(qū)域的SEM（掃描電鏡觀察）照片顯示，圖2中所示的后刀面磨損的模式是統(tǒng)一的。
表面粗糙度Ra是用霍梅爾T1000針式儀器在被加工表面測(cè)得的。測(cè)量是在四個(gè)圍繞工件的空間位置間隔獲得的中值及其分布。
用制備金相和使用二次電子顯微鏡檢查（SE）和背散射電子（BSE）的掃描電鏡對(duì)切屑和刀具進(jìn)行分析，有時(shí)也會(huì)用能譜半定量分析。
圖二 掃描電鏡對(duì)磨損未涂層硬質(zhì)合金刀具切削刃區(qū)圖片，
結(jié)果與討論
對(duì)使用未涂層刀具和金剛石涂層刀具所獲得的每組VT–F參數(shù)，使用多元線性回歸統(tǒng)計(jì)分析刀具磨損的VB和平均表面粗糙度Ra值。獨(dú)立的變量包括進(jìn)給量、切削速度和它們所選定的第二階項(xiàng)。該模型，解釋了一部分總的變異，擬合了所觀察到的反應(yīng)的主要因素和第二項(xiàng)。就該模型的意義和參數(shù)進(jìn)行方差分析檢驗(yàn)；所得的模型變異的百分比大于80%。
分析標(biāo)準(zhǔn)不允許我們排除一些變量的影響，因?yàn)樗麄冎皇侵赋?，這些與結(jié)果的聯(lián)系性很強(qiáng)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，為了預(yù)測(cè)的目的，該模型的有效性不超過(guò)由測(cè)試的獨(dú)立變量的組合定義相關(guān)的樣本空間。注意，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)排除了刀具的持續(xù)時(shí)間與切削速度符合泰勒定律的特性的初步分析。統(tǒng)計(jì)分析表明，數(shù)據(jù)擬合了一個(gè)二階多項(xiàng)式模型。
刀具的磨損
圖3和圖4所示的是未涂層刀具和金剛石涂層刀具的磨損特性。根據(jù)以下模型，主要影響因素有：進(jìn)給量、方進(jìn)、方進(jìn)的切削速度以及切削速度的多次進(jìn)給。
對(duì)無(wú)涂層的刀具，和
對(duì)金剛石涂層刀具。
圖三 以未涂層硬質(zhì)合金刀具的切削速度和進(jìn)給量為變量的后刀面磨損VB（MM）的計(jì)算模型，星號(hào)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果已對(duì)模型進(jìn)行過(guò)計(jì)算。
使用的模型：
統(tǒng)計(jì)參數(shù)：
圖四 以金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具的切削速度和進(jìn)給量為變量的后刀面磨損VB（MM）的計(jì)算模型，星號(hào)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果已對(duì)模型進(jìn)行過(guò)計(jì)算。
使用的模型：
統(tǒng)計(jì)參數(shù)：
事實(shí)上，可以觀察到，對(duì)于一個(gè)給定的材料去除量，最小的后刀面磨損是由一個(gè)特定的組合切削速度低和相對(duì)高的進(jìn)給量獲得的。另一方面，低速進(jìn)給和高切削速度的組合不可取。從這兩張圖片的對(duì)比中可以看到，正如預(yù)期的那樣，金剛石涂層工具顯示了更高的耐磨性和最小的后刀面磨損是為了達(dá)到更高的切削進(jìn)給和速度。圖5所示的灰色部分，代表的參數(shù)的組合區(qū)域，僅可以安全的使用金剛石涂層刀具。
圖五 灰色區(qū)域只能安全適用在金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具
涂層刀具更高的耐磨性是由于與硬質(zhì)合金有關(guān)的高耐磨金剛石涂層。
表面光潔度
表面粗糙度Ra值分析清楚地表明，粗糙度不依賴于位置角的?，這是由于基體上均勻分布的Al2O3加固所致。
通過(guò)將測(cè)量各加工實(shí)驗(yàn)得到的RA值與未涂層刀具進(jìn)行加工以獲得平均值Ram進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下模型：
圖6所示的是未涂層刀具的表面粗糙度特性。切削速度-進(jìn)給量?jī)身?xiàng)和他們的產(chǎn)品沒(méi)有明顯的影響，因此，起主導(dǎo)作用的是切削速度和進(jìn)給量。
圖六 以切削速度和進(jìn)給量為變量的，未涂層硬質(zhì)合金刀具的平均表面粗糙 Ram (μm)的計(jì)算模型。星號(hào)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果已對(duì)模型進(jìn)行過(guò)計(jì)算。
使用的模型：
統(tǒng)計(jì)參數(shù)：
然而，用金剛石涂層刀具所加工零件時(shí)并沒(méi)有顯示出切削參數(shù)與表面粗糙度之間的相關(guān)性。
切屑的形成
采用SE和BSE處理的刀具加工后，用掃描電鏡觀察切屑和工件表面。
時(shí)，由切屑的圖像分析可觀察到，基體和增強(qiáng)顆粒發(fā)生了脫離。這一現(xiàn)象，獨(dú)立于切削刀具的材料，隨著切削速度的增加變得更為明顯（圖7）。
進(jìn)給率更大時(shí)，對(duì)切削速度的影響卻不是很強(qiáng)。時(shí)，對(duì)切屑的下表面進(jìn)行掃描電鏡觀察。卻注意到當(dāng)、時(shí)，二者之間并無(wú)差異（圖8）。
圖七 金剛石涂層刀具加工時(shí)，產(chǎn)生發(fā)的切屑下表面上顆粒清晰可見(jiàn)：
圖八 金剛石涂層刀具加工時(shí)，產(chǎn)生的切屑下表面上，可以看到堆放的粒子：
切削速度為630米/分鐘時(shí)，已注意到一些零碎的平行流速度，隨著切削速度和進(jìn)給率的增加而變得更加明顯。在最后的廢料中，常可以在基體上觀察到部分增強(qiáng)的顆粒。簡(jiǎn)單的解釋可能是增強(qiáng)顆粒粘在了刀具前角和刻在切屑上的劃痕，直到消失，至少部分地在切屑基體上遠(yuǎn)離刀具的前角。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，切屑的縱向部分被切斷（圖9）。
圖九 使用未涂層刀具加工產(chǎn)生的切屑的縱向斷面（放大50倍）：
很明顯（圖10）如pijspanen模型所示，由其截面圖像可觀察到：增強(qiáng)粒子傾向于在基體沿剪切平面上下沉、堆集。有足夠多的粒子堆積起來(lái)以阻止另一粒子的下沉，最后一個(gè)則伸出了基體一部分。高速切削下產(chǎn)生的切屑，其效果更加明顯。切削速度更高時(shí)產(chǎn)生的高溫，使粒子更易于沿剪切面運(yùn)輸。此外，剪切面越來(lái)越不規(guī)則，下表面上可見(jiàn)的劃痕和脊數(shù)變多。
圖十 增強(qiáng)粒子沿剪切面的擴(kuò)散模型
同樣的特性是由切削速度增加而誘使的：剪切面之間的距離增大（如圖11–13）。
圖十一 時(shí)，金剛石涂層刀具加工時(shí)產(chǎn)生的切屑縱斷面
（放大50倍）
；
能夠清楚地觀察到粒子的堆積
圖十二 金剛石涂層刀具切削時(shí)，切屑的上表面的剪切面：
圖十三 未涂層刀具切削時(shí)，切屑的上表面的剪切面：
至于對(duì)涂層的影響，可以說(shuō)，加工參數(shù)不變時(shí)，用金剛石涂層刀具產(chǎn)生的剪切平面之間的距離是高于使用硬質(zhì)合金刀具的。當(dāng)用硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)，切屑的下表面更均勻且規(guī)則。這可能是由于涂層14-16的摩擦系數(shù)低。
磨損的切削刀具
金剛石涂層的熱導(dǎo)率約為的硬質(zhì)合金的10–20倍（1000–2000 W / mK和100 W / mK）。然而，測(cè)得沿生長(zhǎng)方向的值卻是垂直于生長(zhǎng)方向值的兩倍。這使得涂層和基板的借口處產(chǎn)生了高溫梯度以及切屑16上較低的溫度：Al2O3硬度增強(qiáng)值和軟基之間有一個(gè)很大的區(qū)別，所以當(dāng)硬質(zhì)金剛石刀具的刃口切入硬質(zhì)顆粒時(shí)，這些便開(kāi)始移動(dòng)；而參考9對(duì)PCD刀具的描述亦有同樣的效果。所觀察到的切屑形成機(jī)理并不是參考13中作者對(duì)于一個(gè)非常不同的（Ti，Al）N涂層刀具的描述，但由于切屑的溫度較低，在此處就需要更大的局部力來(lái)移動(dòng)基體上的粒子。機(jī)加工完成后，可以在金剛石涂層刀具上觀察到這些局部力和熱負(fù)載的影響（圖14）。在刀具后刀面上的一個(gè)大的材料黏附區(qū)域（白色區(qū)域）很醒目；隨著切削速度的增大，該區(qū)域便會(huì)延伸；隨著進(jìn)給率的增加，黏附區(qū)域面積開(kāi)始減小。很快，下方粘著帶的深色線條會(huì)變得明顯，且在刀具涂層被去除部位的平行于切削刃。涂層已消失的另一面，則可以在靠近切削刃的刀具前刀面看到。必須考慮到，金剛石涂層與基體之間的附著力仍然是關(guān)鍵的因素，特別是在硬質(zhì)合金襯底17的情況下。
圖十四 機(jī)加工完成后的金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具：
結(jié)語(yǔ)
可以從試驗(yàn)結(jié)果中得出以下結(jié)論：
（1）在形成切屑的過(guò)程中，增強(qiáng)的粒子沿被分割成層的變形的，切屑的剪切面堆積。因?yàn)闇囟壬呤寡趸X粒子的移動(dòng)更自由，所以隨著切削速度和進(jìn)給量的增加，這種現(xiàn)象更加明顯。
（2）至于涂層對(duì)切屑形成的影響：較低的摩擦系數(shù)使得剪切面之間的距離變大 ，切屑下表面變得更均勻、規(guī)則。
（3）局部應(yīng)力和熱負(fù)載的影響使得涂層，沿著切削刃的平行位置，被去除。
（4）后刀面磨損的統(tǒng)計(jì)模型顯示：當(dāng)切削速度高達(dá)一定值時(shí)，后刀面的磨損會(huì)隨著進(jìn)給率的增大而降低。正如在此所陳述的，刀具上的高耐磨金剛石涂層，極大地提高了耐磨性，使其成為加工耐磨材料時(shí)的優(yōu)良選擇。
（5）由于所展示的金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損有限，所以還需要更多的研究，以探討其在更嚴(yán)酷情況下加工復(fù)合材料時(shí)的行為，尤其在材料的去除量上。
致謝
在此，本文的作者們希望向，在準(zhǔn)備這份手稿時(shí)為他們提供有見(jiàn)地的建議和意見(jiàn)的，Ancona大學(xué)的Liliana Felloni 教授和都靈理工大學(xué)的R. Ippolito教授致謝。
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