切削低膨脹環(huán)氧刀具選擇與切削參數(shù)優(yōu)化

嚴 亮，王學(xué)彬，高家鑫

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引言

環(huán)氧澆注是一種常用的繞組絕緣方法，在電機生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。根據(jù)成分和配置比例不同，環(huán)氧被分為很多種類。低膨脹環(huán)氧具有較高硬度、低膨脹系數(shù)和不宜開裂等特點，是常用的環(huán)氧澆注材料。為不影響電機絕緣性能，環(huán)氧切削常采用干切的方式。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)切削環(huán)氧時刀具磨損非常劇烈，嚴重影響電機的生產(chǎn)質(zhì)量和加工效率。常用硬質(zhì)合金材料牌號分為YG、YT和YW三類，不同牌號硬質(zhì)合金材料力學(xué)性能和耐溫性能有很大差異，應(yīng)根據(jù)被加工材料合理選擇硬質(zhì)合金刀具材料［1］。李慧玲對切削鈦合金刀具材料適應(yīng)性進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)不同硬質(zhì)合金刀具材料在切削鈦合金時刀具磨損差異很大［2］。范依航等對切削TC4鈦合金時的切削參數(shù)對刀具磨損的影響進行了試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn):切削速度對刀具磨損影響較大，進給量次之，切削深度對磨損影響最?。?－4］。

目前，關(guān)于刀具磨損的研究，多以禁書材料為研究對象，切削環(huán)氧刀具的研究很少。為解決實際加工問題，本文通過設(shè)計切削試驗，分析切削低膨脹環(huán)氧時切削溫度對刀具磨損的影響，選擇合適的硬質(zhì)合金刀具牌號。并通過變切削參數(shù)試驗，優(yōu)化切削參數(shù)，進一步減小刀具磨損速率。

1 試驗條件

1．1 工件材料

試驗工件是使用低溫膨脹環(huán)氧澆注成的環(huán)氧棒，直徑為60 mm。低溫膨脹環(huán)氧成分和比例如表1所示。

表1 低膨脹環(huán)氧成分和比例

環(huán)氧固化后主要成分為樹脂和硅微粉填料。樹脂屬于有機材料，具有硬度低、導(dǎo)熱性差的特性;硅微粉是細度小于1μm的SiO2顆粒，具有較高的硬度和耐磨性。

1．2 試驗設(shè)備

試驗采用型號為QTN100IIL/300臥式數(shù)控車床。試驗測量設(shè)備采用QMNI視頻放大鏡，放大倍數(shù)為1～100倍。試驗采用刀片為三角形外圓車刀，刀具幾何形貌如圖1所示，刀具的幾何參數(shù):前角γ=6°，后角 α=7°，主偏角 Kr=90°。

圖1 刀具幾何形貌

2 刀具牌號選擇

2．1 常用硬質(zhì)合金刀具

常用的硬質(zhì)合金刀具材料牌號、成分和力學(xué)性能，如表2所示。

表2 常用硬質(zhì)合金刀具材料特性

2．2 切削溫度對刀具磨損影響

為了不影響電機絕緣性能，切削低膨脹環(huán)氧時要求采用干切方式，不使用切削液。低膨脹環(huán)氧硅微粉填料比例高，切削時刀刃與填料間摩擦，會產(chǎn)生大量切削熱。由于環(huán)氧導(dǎo)熱性差，切削熱不能通過切屑有效排出，積聚在切削刃上，會導(dǎo)致切削區(qū)域溫度過高。

為研究切削溫度對刀具磨損的影響程度，試驗使用相同刀具在加水基切削液和不加切削液的兩種條件下進行切削。試驗使用YG3刀具，切削速度為94 m/min，進給量為 0．15 mm/r，切削深度為 0．3 mm。

圖2為去除相同體積材料后，兩刀具后刀面的磨損圖。圖2(a)為不加切削液刀具后刀面形貌，刀具后刀面有很明顯的環(huán)氧粘結(jié)現(xiàn)象，這是由于切削時刀具和材料接觸面溫度過高，使環(huán)氧軟化，粘附在刀具后刀面上。未加切削液刀具磨損帶長度為0.34 mm，磨損非常嚴重。圖2(b)為加水基切削液后刀具后刀面磨損形貌，由于切削液將加工過程中產(chǎn)生的切削熱帶走，有效地降低了切削溫度，刀具后刀面上環(huán)氧粘結(jié)面積很小。加切削液后刀具磨損長度為0．17 mm，遠小于未加切削液刀具磨損量。

圖2 刀具后刀面磨損圖

由此可知，切削低膨脹環(huán)氧時刀刃與硅微粉填料間摩擦，會產(chǎn)生大量切削熱，而由于環(huán)氧導(dǎo)熱性差，切削熱不能及時排出，切削區(qū)域產(chǎn)生較高的切削溫度是刀具磨損的主要原因。故匹配適合切削低膨脹環(huán)氧的刀具材料時，應(yīng)該選擇在高溫下硬度和耐磨性更好的硬質(zhì)合金牌號。

2．3 刀具牌號選擇

有研究發(fā)現(xiàn)，TaC、TiC廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金，用來提高其力學(xué)性能，適量的TiC、TaC可以提高硬質(zhì)合金高溫時的硬度、強度及抗氧化性能，細晶粒TiC可以細化硬質(zhì)合金的顯微組織，提高其硬度和抗氧化性能［5－6］。劉洪喜研究了 Co/TiC熔覆層的組織與高溫磨損性能，研究發(fā)現(xiàn)，Co+20%TiC涂層的高溫耐磨性比Co50涂層顯著提高，摩擦系數(shù)平穩(wěn)［7］。參考表2硬質(zhì)合金硬度和其中TiC和TaC含量，選取牌號為YW1、YT15和YT30的刀具進行試驗，切削時不加切削液，試驗參數(shù)如表3所示。

表3 刀具選擇試驗條件

三種刀具切削相同體積后，觀察刀具后刀面的磨損形貌，如圖3所示。圖3(a)為YW1刀具后刀面形貌圖，YW1刀具后刀面磨損長度為0．32 mm，刀具后刀面上環(huán)氧粘附嚴重。圖3(b)為YT15刀具后刀面形貌圖，YT15刀具后刀面磨損長度為0．27 mm，后刀面上環(huán)氧粘附比YW1刀具較輕。圖3(c)為YT30刀具后刀面形貌圖，YT30刀具后刀面磨損長度為0．13 mm，后刀面上環(huán)氧粘附最少。三種刀具在去除相同材料體積后，YT30刀具磨損量最小，YT15刀具次之，YW1刀具磨損量最大。刀具磨損量越大，切削時產(chǎn)生熱量越多，導(dǎo)致后刀面上環(huán)氧粘附越嚴重。

圖3 三種刀具后刀面磨損形貌

對比三種刀具磨損情況可知，干切低膨脹環(huán)氧時，YT30刀具磨損速度最小，刀具耐用度最高，故可選擇YT30刀具作為切削低膨脹環(huán)氧的刀具。

3 切削參數(shù)對刀具磨損的影響

通過試驗，驗證使用YT30硬質(zhì)合金刀具切削環(huán)氧，刀具磨損量比其余牌號硬質(zhì)合金刀具小。除刀具材料外，切削參數(shù)也是影響刀具磨損的重要因素。采用YT30硬質(zhì)合金刀具進行切削試驗，切削時不加切削液，分別研究切削速度、背吃刀量和進給量對刀具磨損的影響規(guī)律。試驗時記錄刀具后刀面磨損VB=0．3 mm時刀具去除材料體積，生成切削參數(shù)與去除材料體積V的關(guān)系曲線。

3．1 切削速度對刀具磨損的影響

試驗條件如表4所示。

表4 切削速度試驗條件

切削速度Vc與去除材料體積V的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可知，隨著切削速度增加，刀具去除材料體積呈減少趨勢，切削速度小于94 m/min時，刀具去除材料體積減少平緩，切削速度為94 m/min時，去除材料體積為14 130 mm3，切削速度為113 m/min時，刀具去除材料體積急劇減少至9 420 mm3。因此刀具的磨損速率隨著切削速度的增加而增加，當(dāng)切削速度大于94 m/min時，刀具磨損速率增加明顯。YT30刀具切削低膨脹環(huán)氧時，切削速度設(shè)置不宜大于94 m/min。

圖4 切削速度對刀具磨損影響

3．2 進給量對刀具磨損影響。

試驗條件如表5所示。

進給量f與去除材料體積V的關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖 5可知，進給量在 0．05～0．25 mm/r之間，刀具去除材料體積變化不大，進給量為0．1mm/r時，刀具去除材料體積最大為14 820 mm3，進給量為0.25 mm/r時，刀具去除材料體積最小為12 150 mm3。由此可知，進給量在試驗區(qū)間 0．05～0．25 mm/r時，進給量對刀具磨損速率影響不明顯，進給量在0．1mm/r時，刀具磨損速率相對較小。雖然進給量對刀具磨損影響不明顯，但進給量對加工表面粗糙度影響很大，所以應(yīng)根據(jù)加工表面粗糙度要求合理選擇進給量數(shù)值。

表5 進給量優(yōu)化試驗條件

圖5 進給量對刀具磨損影響

3．3 背吃刀量對刀具磨損的影響

試驗條件如表6所示。

表6 背吃刀量優(yōu)化試驗條件

背吃刀量ap和去除材料體積V的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可知，背吃刀量在0．1～0．3 mm區(qū)間內(nèi)，刀具去除材料體積減少平緩;當(dāng)背吃刀量為0．4 mm時，刀具去除材料體積驟降，僅為3 720 mm3，去除材料體積遠小于背吃刀量0．5 mm時的11460 mm3。在放大鏡下觀察背吃刀量0．4 mm的刀具，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)切削刃出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。由于YT30硬質(zhì)合金刀具韌性較差，在切削深度較大時，刀具易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。由此可知，背吃刀量小于0.3 mm時，刀具磨損速率變化不明顯，背吃刀量選取較大值時，刀具易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。使用YT30硬質(zhì)合金刀具切削環(huán)氧時，背吃刀量不宜大于0．3 mm。

圖6 背吃刀量對刀具磨損影響

圖7 刀具崩刃圖

4 結(jié)語

切削低膨脹環(huán)氧時，高的切削溫度是刀具磨損的主要影響因素。低膨脹環(huán)氧材料具有導(dǎo)熱性差的特點，切削時刀具與環(huán)氧中硅微粉填料摩擦產(chǎn)生大量切削熱，熱量無法通過切屑排出，積累在切削區(qū)域，導(dǎo)致切削區(qū)域溫度過高，從而加劇刀具磨損。

與YG3、YT15、YW1硬質(zhì)合金刀具磨損程度相比，YT30刀具切削低膨脹環(huán)氧時刀具磨損量小，耐用度高。故選用YT30硬質(zhì)合金刀具作為切削低膨脹環(huán)氧。

使用YT30刀具切削低膨脹環(huán)氧時，切削速度對刀具磨損影響最大，切削速度不宜大于94 m/min;背吃刀量不宜大于0．3 mm，背吃刀量過大刀具會出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。進給量在 0．05～0．25 mm/r變化時，進給量對刀具磨損影響較小，可根據(jù)表面粗糙度要求合理選擇進給量。