高速銑削淬硬鋼切削力及表面粗糙度研究

張燦果 耿明超

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

高速銑削淬硬鋼切削力及表面粗糙度研究

張燦果 耿明超

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

使用銑削方法加工P20模具鋼，分析高速切削加工中，切削速度、進給量、切削深度對切削力、被加工零件的表面粗糙度的影響.研究結(jié)果表明：切削力受切削速度影響較小，進給量和切削深度的增大會引起切削力的成倍增大；被加工零件表面粗糙度受進給量影響最大，其次是切削速度，影響最小的是切削深度.

高速切削；淬硬鋼；切削力；表面粗糙度

0 前 言

P20鋼材是制作塑料模具和壓鑄低熔點金屬模具一種典型材料.為了提高模具的壽命，可對P20鋼材進行淬火處理，淬火后硬度可達48-52 HRC，為防止開裂應立即進行200 ℃低溫回火處理.熱處理后，模具壽命達到80萬模次以上[1].鋼材淬火后，傳統(tǒng)的加工方法是磨削加工，隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，使用先進的刀具材料對淬硬鋼進行切削加工成為可能，采用切削加工淬硬鋼既能保證被加工零件的表面質(zhì)量[2]，又可以提高切削加工效率，降低加工成本.有關高速切削加工淬硬鋼表面質(zhì)量的研究，國內(nèi)外學者研究甚少，也缺乏系統(tǒng)的、有針對性的闡述[3].本文從高速銑削P20模具淬硬鋼為出發(fā)點，分別從理論和試驗兩個方面研究了高速切削加工淬硬鋼P20鋼材，切削速度、進給量、切削深度對零件表面粗糙度及切削力的影響，得到零件表面粗糙度和切削用量之間的關系，為高速銑削加工淬硬鋼提供高效、質(zhì)優(yōu)的工藝參數(shù).

1 切削實驗

試驗機床：立式加工中心 型號：XH715D

試驗材料：模具鋼P20，熱處理為48 HRC—51 HRC

使用刀具：球頭精加工立銑刀

銑削方式：順銑，無切削液，干切削，冷卻介質(zhì)為壓縮空氣

測量工具：便攜式粗糙度測量儀 M2型

實驗采用大連理工大學研制的壓電三維測力儀測量銑削力，電荷放大器YE 5850，采集卡PC

圖1 銑削實驗原理圖

I9118，最大采樣頻率330 kH z，試驗中實際采樣頻率80 kHz/通道.實驗原理如圖1所示：為了保證實驗的可靠性，每次實驗至少重復三次，然后選擇數(shù)據(jù)相近的兩組數(shù)據(jù)取平均值，為了避免刀具的鋒利性對切削力的影響，實驗過程中應當保持刀刃的鋒利性.由于采用的是球頭銑刀，銑削時殘余面積是不相等的，所以在測量切削力時，應當主要測量銑削合力的均值.

2 銑削參數(shù)對銑削力及工件表面粗糙度的影響

2.1 切削速度對銑削力及零件表面粗糙度的影響

切削深度ap=0.1 mm；進給速度為2 400 mm/min；機床主軸轉(zhuǎn)速1 800-2 900 rmp/min.機床主軸轉(zhuǎn)速同銑削速度成正比，故機床主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度和切削力的影響和切削速度對切削力和表面粗糙度的影響規(guī)律是相同的.機床主軸轉(zhuǎn)速對切削力的影響如2所示，主軸轉(zhuǎn)速對工件加工后表面粗糙度的影響如圖3所示.

圖2 主軸轉(zhuǎn)速對切削力的影響 圖3 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

從圖2可以看出：隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加；銑削力呈下降趨勢，2 000 rmp/min之前，銑削力下降速度很快，超過2 000 rmp/min之后，銑削力下降速度緩慢.這是因為隨著切削速度的增加，刀具單齒切削量降低，切削抗力減小，切削力減?。划斨鬏S轉(zhuǎn)速超過2 000 rmp/min時，雖然刀具單齒切削量降低，切削抗力減小，但是由于刃口圓弧半徑的存在，工件和刀具后刀面之間的摩擦加劇，摩擦力增大，故銑削力下降速度緩慢.圖3可以看出：隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，加工工件表面粗糙度值降低，但是降低幅度有變化，在1 600 rmp/min之前，隨著切削速度的增加，工件表面粗糙度值下降顯著；超過1 600 rmp/min之后，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，工件表面粗糙度值也有下降的趨勢，但是變化不大.這是因為當轉(zhuǎn)速小于1 600 rmp/min，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具單齒切削量降低，甚至有些切削刃起到了修光的作用，故工件表面粗糙度值下降顯著；當轉(zhuǎn)速大于1 600 rmp/min，隨著切削速度的進一步增加，單齒切削量進一步降低，切削厚度小于刀具的刃口圓弧半徑，這種情況下，零件表面粗糙度受加工速度影響較小.

2.2 進給量對銑削力及零件表面粗糙度的影響

切削深度ap=0.1 mm；機床主軸轉(zhuǎn)速2 400 rmp/min.進給速度為0.04-0.13 mm/tooth.進給量對切削力的影響如4所示.進給量對工件加工后表面粗糙度的影響如圖5所示.從圖4可以看出：隨著進給量的增大，銑削力逐步增大，但是并不很顯著，這是因為進給量增大，單位時間切除的金屬量增加，切削效率增加，但是進給量增加，切削層的公稱厚度增加，切屑的平均變形減小，所以當進給量增加時，切削力增加緩慢.從這個角度考慮，在實際加工淬硬鋼的過程中增加進給量對切削加工是有利的.從圖5可以看出：隨著進給量的增大，零件表面粗糙度值顯著上升，當進給量小于臨界值0.05 mm/tooth時，進給量對零件表面粗糙度影響不大，這是因為進給量很小，單齒切削小于刀具的刃口圓弧半徑，表面粗糙度受進給量影響較小.當進給量大于臨界值時，進給量增加，零件已加工表面殘余面積高度增加，零件表面粗糙度值急劇增加.

圖4 進給量對切削力的影響 圖5 進給量對表面粗糙度的影響

2.3 切削深度對切削力及零件表面粗糙度的影響

機床主軸轉(zhuǎn)速2 400 rmp/min.進給速度為0.05 mm/tooth；切削深度ap=0.05-0.30 mm.切削深度對切削力的影響如圖6所示；切削深度對表面粗糙度的影響如圖7所示.

圖6 切削深度對切削力的影響 圖7 切削深度對表面粗糙度的影響

從圖6可以看出：隨著切削深度增加，銑削力呈線性增大，這是因為切削深度增大，單位時間切除的金屬量增加，切削效率增加，并且刀具前刀面和切屑之間的接觸面積增大，導致摩擦力增大，切削力增大.圖7顯示了切削深度對被加工零件表面粗糙度的影響，圖7顯示：當切削深度較小或者比較大時，被加工工件的表面粗糙度值均較大，當被吃刀量中等時，被加工零件表面粗糙度值較小.這是因為當切削深度較小時，單齒切削量很小，由于切削刃刃口圓弧半徑的存在，甚至被切削金屬層在擠壓的狀態(tài)下被切除，易引起加工表面的塑性變形，導致被加工零件已加工表面的粗糙度值增大.當切削深度較大時，單位時間切削的金屬量增加，切削力、切削溫度會急劇上升，甚至會引起刀具的震動.從而引起被加工零件表面粗糙度指的上升.因此，切削淬硬鋼選擇切削深度時，應合理選擇切削深度，避免切削深度過小或者過大引起被加工表面粗糙度值過大.

3 結(jié) 論

從以上分析結(jié)果可知，高速切削加工淬硬鋼時，切削深度對切削力的影響最大，其次是進給量，影響最小的是切削速度.切削用量對切削力的影響和金屬切削基本原理的內(nèi)容是相同的.提高切削速度，有利于提高被加工零件的表面質(zhì)量，進給量增加，被加工零件的表面質(zhì)量降低.切削深度太大或者太小都不利于降低零件表面的粗糙度.高速切削淬硬鋼時，應該結(jié)合切削加工的實際條件，選擇合適切削用量，提高切削效率，降低切削成本.

[1]張耀卿，王成勇.插銑加工淬硬鋼切削力的研究[J].機床與液壓,2011,12(29):42～43

[2]李剛，王揚渝，黃海橋，等.球頭刀銑削淬硬鋼傾斜表面切削力試驗研究[J].2014,48(8):29～31

[3]龐俊忠，王敏杰，段春爭，等．高速銑削P20和45淬硬鋼的切削力[J]．中國機械工程，2007，18(21):2543～2546

EffectofCuttingParametersontheSurfaceRoughnessandmillingforce

ZHANGCan-guo，GENGMing-chao

(Hebei university of architecture,Zhangjiakou China,075000)

High speed milling of quench steel P20is researched.The effect of milling speed，milling depth and feed speed on the surface roughness of the work piece were studied in detail.The result of researching shows：the cutting speed has little effect on the cutting force and the cutting force is linear with that of the cutting depth；The force also increases with the cutting forward step and the cutting side step.The surface roughness will rise sharply with the increase of feed．In medium and high speed cutting P20 steel，the biggest effect on surface roughness was feeding，followed by feed rate and the influence of tool cutting depth a was minimum．

high speed milling；Hardened steel；Cutting force；The surface roughness

2016-12-20

河北建筑工程學院科研基金項目Y-201311

張燦果(1977-)，男，講師，從事先進制造技術研究.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.025

TH12

A