暗冒口补缩铸钢件工艺及工装设计外文翻译资料

 2022-09-22 09:57:31

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生产系统48届大会- CIRP CMS 2015

超硬切削材料在矿物铸件加工中的机械性能表现

Eckart Uhlmanna, Felix Kaulferscha,*

机床与工厂管理学院，技术大学

柏林，pascalstr。8-9；10587德国，柏林

通讯作者电话： 49 (30) 314-22903；传真： 49 (30) 314-25895；邮件；kaulfersch@iwf.tu-berlin.de

摘要：

经济和能源效率，以及制造工艺的加工精度的要求标准日益提高，导致创新材料和生产技术不断被运用。将矿石通过铸造作为一种建筑材料，一方面可以大大减少原材料的需求和制造成本。另一方面矿物铸件的机械性能和热性能允许在高动态的制造工艺的过程增加工件可靠性和生产率。然而，化合物中的石英质骨料的硬度和耐磨性对有几何边缘要求矿物切削的可加工性有着不利的影响。高交变机械载荷和磨粒磨损导致刀具寿命短，制造成本高。然而，有几何要求的切削刃的矿物铸造加工是根据客户具体要求的关键因素进行矿产铸造零件的设计和制造。该机床与工厂管理研究所（IWF）在柏林某大学进行全面的切削试验，分析超硬切削材料在铸造加工过程中的一般性能。研究表明，刀具的选择、刀具的几何形状和工艺参数的选择对铸件加工过程的可靠性有很大的影响。一个为了有效加工矿物铸件的面向过程的刀具设计已经被研制出来。

关键词：

矿物铸件；车削；刀具材料；多晶金刚石

  1. 介绍

矿物铸件基本上是由一种反应树脂和无机矿物以一个特定的粒度分布的形成化合物。自20世纪70年代开始引进冷硫化反应树脂，矿物铸件作为一种高创新的建筑材料，在机械工程中得到了确立的地位。优异的热性能和机械性能提高了矿物铸件在高度动态的制造工艺的可靠性和生产率。矿物铸件的阻尼性能是灰口铸铁的六～八倍。因此矿物铸件机床较高的静态和动态刚度增加了刀具寿命高达30%并且提高了道具的表面质量。低导热系数和热容量大的特点导致耐用性避免温度波动，从而开辟了空调实验室以外的高精度新新领域。此外，与灰口铸铁组件相比，初级能源需求和制造成本可以显着降低。然而，天然的石英质骨料的硬度和耐磨性对有几何要求的切削矿物铸件有不利影响。高交变机械载荷和磨粒磨损导致刀具寿命短，制造成本高。基于综合切削实验，本文的目的是展示第一种几何参数和运动参数在切削有几何要求工艺中的影响。

  1. 材料表征

在柏林IWF的科学家采用最大粒径5毫米的环氧树脂基矿物铸件。通过对光薄片的形状，偏光显微镜，对石英质骨料粒径和分布进行了分析（图1）。六种不同尺寸的石英骨料作为主要部件提供最大堆积密度，从而减少大约树脂反应所需的百分之九十的体积。矿物集料可以在三种不同粒径砾石区分分类（DG＞1毫米），沙（DG = 0.1毫米到DG = 1毫米）和面粉（DG＜0.1毫米）[ 2，6 ]。使用天然矿物骨料意味着它们的形状不符合理想的球形几何形状。

由于生产过程，特别是微团聚体大多是以一个粉碎的方式存在。由于较大的聚集体的各向异性的结晶结构，关于可加工性和可达到的矿物成分的表面质量的信息可以推断。由于生产过程以及骨料初始裂纹自然的不均匀性可以发生机械载荷从而导致切削加工表面。

根据制造商提供的技术规格，黑色的填料颗粒是在图1中看到的被确定为混凝土加efa-fuuml;llerreg;公里/ C，也被称为粉煤灰，细粒的火山灰。粉煤灰作为混凝土添加剂可以影响混凝土的力学性能并且根据具体要求，对混凝土的抗化学腐蚀性进行了分析。

  1. 实验装置

来自Traub drehmaschinen和德国Co. KG, Reichenbach公司在纵向车削的切削实验对车铣中心tnx65进行试验（图2）。基于加工脆硬材料的经验的工具材料，几何参数刀具前角和刃口半径RȖȕ工艺参数与切削速度vc，进料层和切进料的深度变化以分析在加工矿物铸件分析其影响的过程中的行为。焊接切割用金刚石刃可转位刀片（PCD）进行切削试验。

首先调查可转位刀片旋转090316晶粒尺寸ctm302 DG = 2ȝm和DG = 30ȝm之间的混晶结构的金刚石晶粒。通过应用标准化的工具架csbpl 1616h09插入使用正前角ȖNE = 6°。当矿物铸件切削时，为了验证倒角的切削刃的几何形状的加工的必要性，第一个实验是只有一个切削刃半径R = 10ȕȝm和一个无切边倒角。随后的切削试验与ISO 120412和几何ccgw刀架sclcl 2525m12可转位刀片进行。一个更稳定的切削刃的设计被应用，其中包括一个保护倒角与倒棱宽度BȖ= 0.2毫米，刃口半径R = 10ȕȝM和Rȕ= 30ȝm的圆形。由于该倒角角度变化，工作前角确定为Ȗne = -20°, Ȗne = -25° Ȗne = -30°。混晶结构的PCD PD70与选定的混合粒度DG = 2ȝm和DG = 30ȝM应该是相当于以前使用的PCD型ctm302之间。第二PCD规范pd75由DG = 0.5ȝm和DG = 1ȝ米之间粒度细晶粒PCD等级。

为了避免粉尘的形成、金刚石切削材料的热过载和环氧树脂基的热分解，所有切削实验进行了使用一七的乳液作为冷却剂。切割速度设置为vc = 50 m/min, vc = 100 m/min and vc = 200 m/min.。在表1中总结了刀具设计参数和切削加工过程。

刀具的寿命由一个最大宽度为后刀面磨损VBmax = 0.3毫米或总切削时间Tc = 60分钟决定，在规定的时间间隔为30 —120秒的时间间隔测量的侧翼磨损。

  1. 结果与讨论

为了验证加工矿物矿物转件的基本原理，采用几何定义的切削刃综合切削试验，确定切削材料时刀具的几何形状和工艺参数的影响。为此，在切屑的形成过程，对力和刀具磨损进行了分析。

4.1切屑的形成

为了分析在一个2000帧的帧速率加工矿物铸造高速录像下切屑形成过程中几何参数和运动参数的影响，其车削加工表面图（图3）。切削速度、切削深度和切削刃半径保持在vc = 100 m/min, ap = 0.5 mm and rȕ = 0.01 mm。只有工作前角。

(Ȗne = -20°, Ȗne = -25°, Ȗ ne = -30°) 进给速度(f = 0.05 mm, f = 0.1 mm, f = 0.2 mm)。这个录像显示在切削刃前工件材料被压缩。当超过临界载荷时，工件材料被立即释放并从切割区排出。而前角主要影响到工件的裂纹萌生的方向，进料影响分离的矿物颗粒尺寸大小。

在工作前角Ȗne = -20°粉碎的石头颗粒被喷射更集中在沿主要的切削刃的前角ȖNE = 30°的方向。此外，可以观察到较大的石头颗粒被分离在一个增加的前角，这可以归因于一个更深的裂纹形成的力应用方向，这可以归因于一个更深的裂纹形成的方向力应用。由于宏观各向异性，工件材料形成不规则排列的聚集体，初始裂纹总是伴随着晶体的微观晶格结构，形成一些单个较大的单晶片段。此外，随着进料速率增加这些切屑的数量和大小的增加。除此之外，可以考虑边缘处的切屑增加，这也可以由一个不利的分布在工件的填充物颗粒促进。总体上可以观察到，由于填料使用，DG = 0.2毫米粉末状的矿物颗粒与在加工过程中开发的一个更大的单晶片段（图4）。矿物的集合体的尺寸比粉末尺寸大对切屑的形成没有任何的影响。由于天然的不均匀性和晶体生长。，不均匀的切屑的形成依赖于局部浓度和组成。

4.2切削力

骨料组成的影响反映在构件的受力过程中。在较大的骨料颗粒较小的工件端部切削力迅速下降（图5A）。矿物铸件的分层可以直接归因于铸造工艺，并在生产过程中必须考虑到这点。然而，没有观察到工具的寿命或过程稳定性的影响。与此同时，当深加工毛坯时在工件的末端过程力的降低无法观察到（图5B）。改变的过程行为可以归因于在工件的末端局部分层显著降低。

如果倒角和圆角切削刃的性能和只有圆形的切削刃相比，可以看出，保护倒角和由此产生的负前角最初导致过程的力量增加。然而，引入到该工具的负载是有效的。图5B和图5c显示在增加负前角时过程的力量稍微减少。

4.3超硬切削材料的磨损特性及刀具寿命

由于高磨料矿物骨料对切削材料的硬度和韧性提出了很高的要求。因为这个原因，切割试验中切割材料的唯一选择是多晶金刚石。而PCD等级PD75提供了一个很高的韧性以及耐磨性等级，PCD级PD70要优于所有考虑过的工艺参数。相比PD75，PD70的韧性显著降低，尽管如此，PD75仍然提供了优秀的耐磨损性[ 8 ]。当切削刃制备被考虑时，可以清楚地发现在加工矿物铸件过程中切削刃是保护倒角保持稳定的必不可少的因素。这个切削实验同时显示，由于倒角和圆角切削刃，整个过程变得越来越稳定，而Ȗf = 20° 和 Ȗf = 30°的变化对刀具的磨损只有些许影响。图6通过切割材料的磨损和切削刃切削速度为100米/分钟，进给速度= 0.1毫米和切向的深度= 0.5毫米的设计提供了证据。

在刀具寿命体积VT = 45cmsup3;时，PCD等级PD75已经超过了工具寿命标准，而VT = 45 cmsup3;时PD70呈现递减的磨损行为。达到刀具寿命体积VT = 100 cmsup3;后刀面磨损带宽度几乎停留在VBmax = 0.214mm的水平。对于只有尖锐和圆形切削刃的PCD等级 CTM302，相对于倒角切削刃，在开始到VT = 60 cmsup3;有着较低的磨损。

对于不够稳定的交变机械载荷，在VT = 120 cmsup3;刀具机具磨损然后在切削刃和前刀面发生破裂（图7A）。与之相反，以保护倒角和圆形切削刃的工具主要是磨粒磨损。细晶粒金刚石PCD等级PD75（图7B）与混晶结构金刚石PCD等级PD70（图7C）相比显示了PD75具有更多的磨面磨损，此外检测了位于PD75齿面垂直方向应力。它们可以归因于切削过程中引起的交变机械载荷，并且该载荷可以导致侧翼面上的部分断裂。

图8举例说明了各种参数组合的刀具寿命体积 VT。由于考虑到要保护倒角，当加工工件时，可以看出即使材料去除率提高了六倍，与CTM302相比提高了使用寿命。在相同的工艺参数下，倒角和圆角PD70刀具寿命量可增加一倍以上（D）。必须在这里提到在达到刀具寿命标准后，设置了刀具的切削刃的参数。考虑到实际磨损的进展和预期，工具寿命的差异将是非常高的。

正如已经指出的，PD75耐磨性的欠缺导致刀具耐磨性不足，从而使切削刃几何结构的具体设计并没有显著影响整个过程。与PD75相比，由于其优异的磨损，混晶结构的金刚石PD70显示了较高的刀具寿命。为了这个原因，切削刃的几何设计显示了充分的效果。

很明显，切削刃的几何形状和工艺参数对刀具的寿命具有很大影响。增大切削刃半径从 rȕ = 10 ȝm (D) 到 rȕ = 30 ȝ m (C) ，刀具寿命体积急剧从VT = 274 cmsup3; 降低到VT = 74 cmsup3;。当考虑到相同的刀具几何形状和高切削速度vc = 200 m/min，切削进给速度和最高深度允许一个刀具寿命体积为VT = 167 cmsup3; (E)。在高进料和低的切削深度时，刀具寿命减少了一半。随着切削速度的降低到 vc = 50 m/min，PD70和PD75刀具寿命增加到VT = 150 cmsup3;。而对PD75后刀面磨损最大宽度为VBmax = 0.201mm，PD70后刀面磨损达 VBmax = 0.114 mm。

  1. 结论与展望

根据切削试验的结果，为了避免刀具在机械加工中过早失效刀具材料已被证明是一个保护倒角的应用是至关重要的因素。可以看出，能够找到一个保护倒角和切边的中间元素从而防止过多的机械应力。切削刃半径 rȕ = 10 ȝm是最合适的。磨料磨损被确定为主要的磨损机制。除了工件的运动过程参数的具体调整，保证矿物铸件加工的稳定性更主要需要正确选择切削材料。一个选定的dg = 2 ȝm and dg = 30 ȝm混合粒径的混晶结构的PCD被证明是有效的。

另外的切削实验，调查的结果适用于其他切削材料。常规涂层的可转位硬质合金刀片已被证明只适合作为超硬陶瓷晶须增强体。而这两种切削材料没有显示出机械应力的薄弱环节，他们提供了足够耐磨性。另一方面，切割材料范围是由高含量PCBN刀具牌号和CVD金刚石厚膜扩展。

致谢

这项研究是由德国研究基金会（DFG）支持。研究项目的标题是“Zerspanung von Polymerbeton mit geometrisch bestimmter Schneide” (UH 100/155-1)。

引用

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  1. Neumann M. Werkstoffgerechte Gestaltung und Fertigung dauerhafter Maschinebauteile aus Mineralguss. A

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