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1、第 1期(总第 164期)2011年2 月机 械 工 程 与 自 动 化MECHANICALENGINEERING&AU TOMATIONNo.1Feb.文章编号:1672-6413(2011)01-0176-02高锰钢ZGMn13 的切削加工工艺研究胡永科,李淑娟(太原科技大学 机电工程学院,山西太原030024)摘要:介绍了高锰钢的切削加工特性,并结合高锰钢ZGM n13 的车削加工特点,提出通过热处理改变材料的硬度。同时推荐了高锰钢ZGM n13 切削加工中合理的刀具材料、几何参数及切削用量,并且指出了钻削高锰钢ZGM n13 时应注意的问题。关键词:高锰钢;切削加工特性;ZGMn13中
2、图分类号:T G506文献标识码:B收稿日期:2010-05-17;修回日期:2010-09-13作者简介:胡永科(1982-),男,河南许昌人,在读硕士研究生,研究方向:现代制造技术。0引言高锰钢是指锰的质量分数为 11%18%的合金钢。高锰钢属于典型的耐磨钢,其中具有代表性的钢种是ZGMn13。用高锰钢制成的零件在受到外来压力和冲击载荷时,会产生严重的加工硬化现象,钢被剧烈 强 化,使 奥 氏 体 转 变 为 马 氏 体,硬 度 可 达450 HBW550 HBW,而芯部仍然保持较高的韧性,具有很高的耐磨耗、抗冲击和抗疲劳裂纹扩展的性能,因此被广泛应用于工程机械和矿山机械中。由于高锰钢极易
3、产生加工硬化,导热系数低,因此它是典型的难加工材料。下面就以工程上广泛应用的高锰钢ZGMn13 为例,研究其切削加工工艺性能。1高锰钢的切削加工特性1.1加工硬化严重高锰钢在切削加工过程中,由于塑性变形大,奥氏体组织可转变为细晶粒的马氏体组织,从而产生严重的硬化现象,硬度可从200 HBS提高到500 HBW以上,其硬化程度和深度比45 钢高几倍。切削高锰钢时,由于工件外部会生成0.1 mm0.3 mm的氧化层,致使切削过程中切削力显著增加。实 验 数据显示,采用硬 质合金刀 具车削高锰 钢ZGMn13 时的切削力比车削45 钢增加了64%。高锰钢ZGMn13 与45 钢的机械性能对比见表1。
4、1.2切削温度高切削高锰钢时,由于切削力和切削功率大,生成热量多,而它的导热系数又相当低,热量难以扩散,从而造成切削区温度升高,加剧了切削刃的磨损。在切削速度小于50 m/min时,切削高锰钢比切削45 钢时的温度高200以上,致使刀具磨损剧烈,刀具耐用度降低。表1ZGM n13 与45 钢的机械性能对比牌号抗拉强度MPa硬度HB屈服极限MPa延伸率%冲击韧性J/cm2导热系数W/(mK)45 钢600195240355164950.24ZGMn139801802202955080149131.3难以控制加工精度高锰钢的线膨胀系数是普通碳素钢的几倍,同时导热系数小,工件会因为局部受热而发生变形
5、,以致影响零件的加工精度。另外,在切削高锰钢时,很容易形成积屑瘤,从而影响工件的表面质量,故精加工时必须待工件冷至室温后再切削。1.4不易断屑因为高锰钢的韧性很大,并且伸长率与变形系数也比一般碳素钢大,故造成了切削时切屑易缠绕而不折断,给切削过程带来很大麻烦。2车削ZGMn13 高锰钢的加工工艺2.1通过热处理改善高锰钢的切削性能在高锰钢ZGMn13 加工之前,可对其进行高温回火处理,即把ZGMn13加热至600650,保温2 h后冷却,使ZGMn13 的奥氏体组织转变为索氏体组织,然后进行切削加工。此时高锰钢的加工硬化现象大大减弱,有效改善了其切削加工性能。加工完成的零件在使用前,再对其进行
6、淬火处理,使其重新变为单相奥氏体组织。2.2合理选择刀具材料ZGMn13 高锰钢是典型的难加工材料,选择合适的刀具材料非常重要。一般来说,切削高锰钢时应选择强度高、韧性好、热导率大、高温性能好的刀具材料。切削高锰钢ZGMn13 可选用硬质合金、金属陶瓷做刀具材料,也可以用CN25 涂层刀片或CBN(立方氮化硼)刀具。目前应用最普遍的还是硬质合金,其中YG类硬质合金具有较高的抗弯强度和冲击韧性(与 YT类硬质合金比较),可以减少切削时的崩刃,但应当注意的是,YG 类硬质合金不适于高速切削。另外,以TaC 或 NbC 为 添 加剂 的 通用 硬 质 合金 也 适 于ZGMn13 的切削加工。切削高
7、锰钢 ZGMn13 常用的 YG 类硬质合金有YG8、YG6A、YG6X 和YG8N,也可采用YW 类硬质合金如YW2A、YW3、813 等。2.3刀具几何角度的选取2.3.1前角C0与后角A0切削高锰钢ZGMn13时,通常使用锋利的刀具,为的是能够降低切削过程中的加工硬化。但是往往不使用大前角,因为过大的前角反而会降低切削刃的强度,散热的效果也不好。常采用较小前角或负前角及较大后角,但后角太大也会削弱刃口强度引起崩刃。采用硬质合金刀具时,C0=-3o3o,A0=8o12o;采用陶瓷刀具时,C0=-5o-10o,A0=5o10o。粗车时取小值,精车时取大值。2.3.2主偏角kr与副偏角kr刀具
8、的主偏角与副偏角建议使用较小值,这样可以增大散热面积,增强刀尖强度。使用硬质合金刀具时,建议取kr=30o45o,kr=10o20o。机床刚性好的条件下,取小值;反之,可适当加大主偏角和副偏角。选用陶瓷刀具时,建议取kr=45o65o,精车时可取kr=60o90o。2.3.3刃倾角Ks切削高锰钢ZGMn13 时,为了让刀尖保持有较高的强度,建议采用负刃倾角,可以取Ks=0o-12o。若刀具前角采用了较大的正值,负刃倾角的值还可以更小一些,甚至可取Ks=-20o-30o,为的是更好地提高刀尖的强度,这也有利于切削过程中热量的扩散。采用硬质合金刀具时,Ks=-5o0o;采用陶瓷刀具时,Ks=-10
9、o-5o。2.3.4刀尖圆弧半径r设置刀尖圆弧半径是增强刀尖强度的有效方法,这不但可以减少刀具早期磨损,而且可以提高刀具的耐 用度,降低已加工表面的粗糙度。切削高锰钢ZGMn13 时,建议粗车时取r=1 mm2 mm;半精车时取r=0.5 mm1 mm。机床刚性好时采用较大值,反之采用较小值。2.4选择合适的切削用量车削ZGMn13 时,因其导热性差而易使切削过程中产生的高温集中在刀尖上,若切削速度vc选择过高,则会使刀具产生过热磨损,降低刀具的使用寿命,所以切削速度不宜过高。又由于ZGMn13 的加工硬化现象严重,若被吃刀量过小,则会导致刀尖在硬化层中进行切削,从而容易造成刀具磨损加快。采用
10、硬质合金刀具时,取vc=20 m/min50 m/min;采用陶瓷刀具时,一般取vc=50 m/min80 m/min。合理的进给量f 和被吃刀量ap选用范围建议如下:(1)粗车时:f=0.3 mm/r1.5 mm/r;ap=3 mm6 mm(大件粗车时取ap=6 mm10 mm)。(2)半精车时:f=0.2 mm/r0.4 mm/r;ap=1 mm3 mm。(3)精车时:f 0.2 mm/r;ap=0.5 mm1 mm。2.5采用低温切削技术低温切削技术是一种绿色制造技术,一般采用低温冷风或低温液氮做冷却剂,这不仅有效地降低了切削温度,提高了刀具耐用度,而且不会对环境造成污染。已有实验证明,
11、在切削高锰钢ZGMn13 时,采用低温切削技术可以减小切削力,降低切削温度,工件表面质量也显著提高。3钻削高锰钢ZGMn13应注意的问题3.1选择合适的刀具钻削高锰钢ZGMn13 常用硬质合金钻,切削部分采用YG8 或YW 硬质合金。切削部分的形状通常和铸铁群钻相近,将钻尖的高加大到0.08D(D 为钻头直径),圆弧刃的圆弧半径加大到0.4D,为的是增强刀尖强度,改善散热条件。同时,在外缘处磨出双重锋角,并磨出负前角,把外缘处后角加大到20o。3.2选择适当的切削用量切削速度太低或进给量太大将使切削力增加,会产生崩刃现象。取vc=25 m/min40 m/min,f=0.05 mm/r0.1
12、mm/r比较合适。3.3合理使用切削液ZGMn13 的线膨胀系数比较大,钻削时要充分利用切削液冷却刀具,应尽可能地降低钻头的温度,以防止因刀具过热使钻头损坏。3.4及时刃磨钻头在钻削过程中如听到刺耳的尖叫声应立即检查钻头的磨损情况,当发现钻头外缘后角和棱边磨损约1 mm时,就要对钻头重新刃磨,否则不但使加工的精度降低,而且使钻头的磨损更严重。3.5确保钻床的刚性采用硬质合金群钻钻削ZGMn13 时,要求钻床刚性要好,以减少振动。硬质合金的韧性比高速钢低得多,由于剧烈的震动,再加上切削时产生的大量热量会加快钻头磨损,甚至出现崩刃现象。(下转第180页)1772011年第 1期胡永科,等:高锰钢Z
13、GM n13 的切削加工工艺研究TC35i 采用AT 指令进行操控,单片机通过AT 指令控制短信收发。短消息控制有 3 种模式:Block、PDU、Text。因为Block 模式需要手机商解锁,Text模式又不支持中文短信,因此目前广泛采用PDU 模式进行消息控制,PDU 模式是将GB2312 的中文编码转换为Unicode 编码。另外,TC35i 模块串口数据管脚的工作电平是CMOS 电 平,而 单片机 为 T T L 电 平,所 以需 要MAX232 进行电平转换来实现单片机对 TC35i 模块的控制功能。3软件设计主体程序流程图如图5 所示。单片机上电之后,先将GSM 模块初始化并打开串
14、口,进行单片机与GSM模块的通信,然后查询报警信息的状态,根据结果选择是否进行短信报警。4结束语本设计通过使用AT 89C51 单片机实施总控制,使用无线传输和接收对信号进行传递,将接收到的报警信号的具体信息在液晶显示屏上显示,并通过GSM 模块以手机短信的方式将报警信息传递给用户,实现了长距离、无障碍、及时准确的报警。图5主体程序框图参考文献:1邬春明,艾闯,李丹.基于TC35i的小区远程报警系统J.电子技术应用,2007(11):129-132.2 毕满清,王黎明,高文华.模拟电子技术基础M.北京:电子工业出版社,2008.3彭宇平,林喜荣,李建荣.基于GSM 模块TC35I 的远程报警和
15、控制装置的研制J.安防科技,2008(4):8-10.Gas Alarm System Based on GSMGONG Xiang,LI Ya-jie,GAO Xue-ping,WANG Bo-xiao,DING Jing(T aiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:This paper introduces a gas alarm system based on GSM,which used an AT89C51one-chip computer as the core.T hrou
16、ghcarrying on the incessant scanning to each customer end which is equipped with the flammable gas detector,and transmitting thescanning signals to the one-chip computer by wireless way,the states of the monitored sites can be got and judged by the computer,which will send out an alarm short-message
17、 by GSM module to people when the gas in a monitored point exceeds the standard.Key words:combustible gas sensor;GSM module;alarm(上接第177 页)4结语通过上述改善高锰钢ZGMn13 切削加工性能的方法可知,选择合适的刀具材料与刀具几何参数,选择适当的切削用量,可以有效地改善高锰钢的切削效果。如果有条件采用低温切削技术,那么高锰钢的切削加工性能将会得到进一步改善。此外应当注意,为避免高锰钢工件的表面硬化现象,在搬运和存放过程中,要尽量避免碰撞。参考文献:1李炜新,
18、张世杰.金属工艺学 M.北京:机械工业出版社,2005.2 张世杰.高锰钢切削加工工艺性能的分析J.工具技术,2009(3):72-74.3 韩荣第,于启勋.难加工材料切削加工M.北京:机械工业出版社,1996.4 邢鸿雁,陈荣林.机械制造难加工技术M.北京:机械工业出版社,2009.Study on Cutting Process of High Manganese Steel ZGMn13HU Yong-ke,LI Shu-juan(School of Mechanical and Electronic Engineering,Taiyuan University of Science a
19、nd T echnology,T aiyuan 030024,China)Abstract:T his paper introduced the cutting characteristics of high manganese steel,and proposed the method to change the hardnessof high manganese steel ZGM n13by heat treatment.T he reasonable material and geometric parameters of cutter and the cuttingparameters were recommended,and the issues should be paid attention to in drilling high manganese steel ZGMn13 were analyzedin the paper.Key words:high manganese steel;cutting features;ZGMn13180机 械 工 程 与 自 动 化 2011 年第1 期