嚴(yán) 亮，王學(xué)彬，高家鑫

(中國電子科技集團(tuán)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(jī)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(diǎn)，是常用的環(huán)氧澆注材料。為不影響電機(jī)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(yán)重影響電機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)材料，具有硬度低、導(dǎo)熱性差的特性;硅微粉是細(xì)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(jī)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(jìn)行切削。試驗使用YG3刀具，切削速度為94 m/min，進(jìn)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(yán)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(yuǎn)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(qiáng)度及抗氧化性能，細(xì)晶粒TiC可以細(xì)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(jìn)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(yán)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(yán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)給量對刀具磨損影響。

試驗條件如表5所示。

進(jìn)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(jìn)給量在 0．05～0．25 mm/r之間，刀具去除材料體積變化不大，進(jìn)給量為0．1mm/r時，刀具去除材料體積最大為14 820 mm3，進(jìn)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(jìn)給量在試驗區(qū)間 0．05～0．25 mm/r時，進(jìn)給量對刀具磨損速率影響不明顯，進(jìn)給量在0．1mm/r時，刀具磨損速率相對較小。雖然進(jìn)給量對刀具磨損影響不明顯，但進(jìn)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(jìn)給量數(shù)值。

表5 進(jìn)給量優(yōu)化試驗條件

圖5 進(jìn)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(yuǎn)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(diǎn)，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(jìn)給量在 0．05～0．25 mm/r變化時，進(jìn)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(jìn)給量。