高速銑削AF1410高強度鋼的實驗研究*

王 曦 黃樹濤 許立福 張玉璞 于曉琳

(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

高強度鋼具有高強度、高硬度、高韌性和導熱率低等特點，廣泛應(yīng)用于兵器、汽車和航空航天等領(lǐng)域，如用于制造汽車懸架、飛機起落架等關(guān)鍵部件[1-2]，在顯著降低零部件重量的同時能夠提高零件使用性能和可靠性。但高強度鋼切削加工過程中存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重、加工表面質(zhì)量差和加工效率低等問題[3]，屬于典型的難加工材料。

針對高強度鋼的加工難點，國內(nèi)外學者展開了廣泛研究。Khawaja H等人[4]研究了MQL和切削液澆注2種潤滑方式下高速銑削15CDV6低合金高強度鋼的加工表面質(zhì)量。Le G等人[5]發(fā)現(xiàn)低溫切削35CrMnSiA高強度鋼，能夠有效降低加工表面殘余應(yīng)力、粗糙度與顯微硬度。Jiang H W等人[6]研究涂層微槽車刀加工高強度合金鋼的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)刀具前刀面的微槽能夠增加表面層材料的厚度與殘余應(yīng)力的最大值。Ajaja J 等人[7-8]基于PCA的GRA優(yōu)化方法對硬態(tài)切削300M超高強度鋼表面粗糙度進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果顯著降低了加工表面粗糙度，隨后的研究發(fā)現(xiàn)300M高強度鋼硬態(tài)車削條件下的表面粗糙度與疲勞壽命之間存在著顯著的相關(guān)性。Yang Z C等[9]人研究了銑削參數(shù)對高速銑削16Co14Ni10Cr2Mo超高強度鋼表面完整性的影響規(guī)律，結(jié)果表明表面粗糙度隨著銑削速度和每齒進給量的提高而降低。張慧萍等人[10]通過仿真分析發(fā)現(xiàn)切削300M超高強度鋼時刀具增大前、后角能夠降低刀具與工件切屑之間的磨損，能夠降低切削溫度。Akbar F等人[11]提出了一種切削熱分布模型，以AISI 4140高強度低合金鋼為研究對象，通過實驗驗證了該模型能夠準確預(yù)測刀具與切屑之間的溫度，精度在-0.8%～6.3%。房友飛[12]研究了300M超高強度鋼車削時自組織結(jié)構(gòu)與切削溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)400 ℃左右自組織結(jié)構(gòu)最易生成，且生成的自組織結(jié)構(gòu)有利于降低切削溫度，提高刀具耐磨性。程紅玫等人[13]對比了高強度鋼切削溫度的仿真值與實驗值，發(fā)現(xiàn)實驗值由于是熱像儀測出的場溫度對比仿真值偏低。Guo C S等人[14]基于仿真分析發(fā)現(xiàn)300M超高強度鋼，切削溫度隨著切削參數(shù)提高而提高，切削寬度對切削溫度影響最為顯著。羅智文等人[15]研究58SiMn高強度鋼車削時發(fā)現(xiàn)進給量的提高導致了切削力的上升會引起切削溫度的上升。

綜上，對高強度鋼研究主要集中于表面質(zhì)量變化規(guī)律以及切削溫度受刀具結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)等因素的影響規(guī)律。缺少對高速切削高強度鋼時切削力、切削溫度以及刀具磨損受切削長度變化的影響規(guī)律研究。本文從實現(xiàn)高強度鋼長時間穩(wěn)定高速切削的實際出發(fā)，以AF1410高強度鋼為研究對象，使用測力儀、紅外熱像儀和超景深顯微鏡等分析涂層硬質(zhì)合金銑刀高速銑削AF1410高強度鋼時的刀具磨損、切削力、切削溫度以及已加工表面粗糙度的變化規(guī)律，為高速銑削高強度鋼提供實踐支持與理論參考。

1 實驗條件及方案

工件材料為AF1410高強度鋼，化學元素成分如表1所示，機械物理性能如表2所示。實驗刀具為機夾單刃立銑刀，銑刀直徑d=12 mm，刀片幾何角度如表3所示，涂層為TiCN和Al2O3CVD涂層組合。

表1 AF1410化學元素表[16]

表2 AF1410機械物理性能表[17]

表3 刀具幾何參數(shù)表

高強度鋼的傳統(tǒng)切削加工切削速度較低，一般多為10～30 m/min，加工效率低，表面質(zhì)量不易控制。本研究采用高速銑削的工藝方法，使用涂層硬質(zhì)合金刀具對AF1410進行高速銑削。切削參數(shù)如表4所示，實驗系統(tǒng)如圖1所示，機床采用沈陽機床集團生產(chǎn)的立式加工中心，主軸轉(zhuǎn)速50～8 000 r/min；刀具后刀面磨損量測量使用基恩士集團生產(chǎn)VHX-1000C型超景深顯微鏡；切削力測量使用Kistler集團生產(chǎn)的9123C型旋轉(zhuǎn)測力儀；切削溫度記錄采用Fluke公司生產(chǎn)的tix 660紅外熱像儀，量程-40 ℃～1 200 ℃；粗糙度測量使用時代集團生產(chǎn)的TIME3200型粗糙度儀，量程Ra0.025～12.5 μm，分辨率為0.001 μm，誤差≤10%。切削實驗在干式逆銑條件下進行。

表4 實驗參數(shù)表

實驗的切削長度L計算式：

(1)

式中：L為切削長度；d為刀具直徑；La為刀具中心走刀距離。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 切削長度對刀具磨損的影響

圖2所示為Vc=270 m/min；fz=0.02 mm/z；ap=0.5 mm；ae=10 mm干式逆銑的切削條件下，不同切削長度時后刀面的磨損形貌。從圖中看出隨著切削長度的增加，刀具后刀面磨損區(qū)域逐漸變寬，在不同切削長度除了正常的磨損外，在刀刃上還出現(xiàn)了微小崩刃，在微小崩刃初期產(chǎn)生時尺度很小(圖2b)，隨著切削距離的增加，刀具磨損加大，微小崩刃也有所增大(圖2d)。切削過程中發(fā)生了被切削材料在刀刃及前、后刀面的粘附 (圖2c)；顯然，這種金屬粘附一方面減小了刀具的磨損，另一方面，在長時間的切削過程中，金屬粘附的頻繁脫落也是造成刀刃微小崩刃的原因。

圖3為銑削到4 309 m時刀尖部位(圖3a)與前刀面(圖3b)的磨損區(qū)域形貌。從圖中可以看出，在刀具前、后刀面均發(fā)生了金屬粘附，除正常粘附的金屬外，還粘附有切屑斷裂后殘留的根部。由于AF1410高強度鋼中含有大量的Ni元素，在提高工件材料的強度、硬度的同時也降低導熱系數(shù)[18]。導致材料切削過程中切削摩擦區(qū)與剪切區(qū)產(chǎn)生的大量熱量，不能及時擴散。在高速切削條件下，切削剪切滑移區(qū)以及前后刀面摩擦區(qū)產(chǎn)生的大量熱量聚集使的這些局部區(qū)域金屬軟化，并在切削壓力和摩擦力的作用下，發(fā)生金屬粘附，當銑刀切出后，粘附金屬硬化，并在后續(xù)的切削過程中成為新的金屬粘附的基礎(chǔ)。

使用超景深顯微鏡測量后刀面磨損區(qū)域最大磨損量，得圖4所示后刀面磨損量VBmax隨切削長度的變化曲線。從圖中看出切削長度為0～2 155 m時磨損速率較快，為初期劇烈磨損階段。當切削長度達到2 155 m后，也即切削長度為2 155～5 543 m時刀具磨損速率相對穩(wěn)定，持續(xù)時間也相對較長。銑削結(jié)束后，切削長度達到5 543 m時，后刀面最大磨損量為142 μm。

2.2 切削長度對切削力變化的影響

圖5為Vc=270 m/min、fz=0.02 mm/min、ap=0.5 mm、ae=10 mm、干式逆銑切削條件下，切削力在切削初期(切削長度為163 m(圖5a))、切削中期(切削長度為3 038 m(圖5b))、切削末期(切削長度為5 543 m(圖5c))時取0.1 s時間段的切削力載荷變化曲線。在該條件下，切削力隨著刀具的切入、切出工件周期性波動。從圖中看出，無論刀具磨損階段處于何時，徑向力Fr由于受到剪切分力、切削層對后刀面的擠壓的共同作用，其最大值Frmax最大，最大值的平均值在切削初期、中期、末期分別為182.74 N、271.9 N、301.15 N；軸向力Fz主要受剪切區(qū)分力以及已加工表面對副切削刃的擠壓作用，其最大值Fzmax相對Frmax要小，最大值平均值在切削初期、中期、末期分別為127.16 N、181.94 N、235.57 N；切向力Ft主要包含剪切分力和切削層對后刀面的摩擦力，一方面，從實驗現(xiàn)象分析，圖6所示切屑表面由致密剪切滑移導致的鋸齒狀，說明切削過程中出現(xiàn)絕熱剪切效應(yīng)，切削高溫主要聚集在剪切區(qū)，高切速導致切削時間降低、切削熱不能及時擴散[19-20]，剪切區(qū)的高溫軟化使剪切力大幅下降；另一方面，由于切削深度ap較小，后刀面所受的摩擦力也較小，特別是由于切削深度ap小于刀尖圓弧半徑，作用于圓弧刀刃上的軸向分力較大，使得軸向切削分力大于切向力，因此切向力的最大值Ftmax在3個分力中最小，在切削初期、中期、末期最大值的平均值分別為102.80 N、116.23 N、134.94 N。

將不同切削長度下測得的切削力信號去漂移后截取0.1 s內(nèi)的切削力，求取每個切削周期的最大值的平均值作為不同切削長度下的切削力最大值，得切削力隨切削長度的變化，如圖7所示。從圖中可以看出，隨著切削長度的增加，切削力逐漸變大，其中徑向力Frmax從182.74 N增至301.15 N，軸向力Fzmax從127.16 N增至235.57 N，切向力Ftmax從102.80 N增至134.93 N。徑向力Frmax與軸向力Fzmax增幅分別為118.41 N和108.41 N，增幅較大；切向力Ftmax增幅最小，僅為32.12 N。這是由于高速銑削AF1410高強度鋼時，隨著切削長度的增加，刀具后刀面磨損加大，切削層和已加工表面對刀具主副切削刃的擠壓作用加強，因此徑向力Frmax與軸向力Fzmax的增幅加大，而切向力雖然也有增加，但由于切削深度小，摩擦力較小，而且由于切削溫度較高，與后刀面接觸的切削層軟化，進一步減小了摩擦力的增加幅度。

2.3 切削長度對切削溫度場的影響

圖8為在Vc=270 m/min；fz=0.02 mm/z；ap=0.5 mm；ae=10 mm干式逆銑切削條件下，切削長度為4 200 m時使用紅外熱像儀測得的切削溫度場。從標記的溫度值可以看出，在跟隨刀具剛剛切出的切屑溫度為整個切削溫度場溫度最高點，達到了465.1 ℃；而工件已加工表面的切削溫度較低，僅為72.9 ℃左右，這是因為高速切削時切削速度高，而AF1410中Ni元素含量較高，導致材料的熱導率較低[18]，切削高溫主要集中在剪切滑移區(qū)[21]，大量切削熱隨切屑飛濺擴散，導致了已加工表面的溫度遠低于高溫區(qū)域的最高溫度。切屑在切出工件后，飛濺過程中溫度逐漸擴散，降低為373.4 ℃，小于剛切出工件時的溫度。

圖9所示為不同切削長度下的切削溫度場變化云圖，從圖中看出，隨著切削長度的增加，高溫區(qū)域逐漸變大，溫度逐步升高。其中切屑剛剛切出點溫度變化最大，由切削長度為323 m時的280.7 ℃升至切削長度為5 543 m時的486.7 ℃，增幅明顯，這主要是由于隨著切削距離的增加，刀具磨損變大，切削區(qū)的擠壓摩擦作用加大造成的；而已加工表面溫度受到絕熱剪切效應(yīng)的作用，測得溫度僅從48.1 ℃升至81.5 ℃，變化幅度不大。

對不同切削長度下記錄的切削溫度數(shù)據(jù)，隨機標記3個時刻高溫區(qū)域切屑剛切出工件位置的最高溫度(Tcmax)以及已加工表面溫度(Tms)分別取平均值，得圖10所示溫度(Tcmax、Tms)變化曲線。圖中切屑剛切出工件位置的溫度(Tcmax)隨著切削長度的增加逐漸升高，從278.1 ℃升至482.4 ℃，這是因為增大的切削力升高了刀具后刀面與過渡表面間擠壓、摩擦發(fā)熱以及刀具磨鈍之后的剪切變形熱，致使切削溫度(Tcmax)上升；對比之下，已加工表面溫度Tms溫度穩(wěn)定在50 ℃～90 ℃范圍內(nèi)受切削長度的變化影響不大。

2.4 已加工表面粗糙度隨切削長度的變化

在不同切削長度下，任取5個位置測量已加工表面的粗糙度Ra取平均值，作為不同切削長度下已加工表面粗糙度值，得圖11所示已加工表面粗糙度(Ra)隨切削長度的變化曲線。從圖中可以看出整個切削過程中已加工表面粗糙度穩(wěn)定。雖然隨切削長度變化有一定的波動，但變化幅度不大，獲得了較好的表面粗糙度。

3 結(jié)語

本文針對高強度鋼的傳統(tǒng)切削加工，加工效率低的問題，使用涂層硬質(zhì)合金刀具對AF1410高強度鋼進行高速銑削實驗。研究其高速切削高強度鋼時的刀具磨損、切削力、切削溫度以及已加工表面粗糙度的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)高速銑削AF1410時，刀具前后刀面存在較多的被加工材料粘附，刀具磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為后刀面的正常磨損和刀刃的微崩，以TiCN和Al2O3組合的CVD涂層刀具可以適應(yīng)AF1410高強度鋼的長時間穩(wěn)定切削。

(2)在本文實驗條件下，高速銑削AF1410高強度鋼時，徑向力Fr最大、軸向力Fz次之、切向力Ft最小。隨著切削長度的增加，徑向力Fr、軸向力Fz和切向力Ft均有增加，其中徑向力Fr與軸向力Fz的增幅較大，切向力Ft變化較小。

(3)高速銑削過程中，隨著切削長度的增加，剛被刀具切出的切屑溫度逐漸上升，對比之下，由于絕熱剪切效應(yīng)的作用，工件已加工表面溫度的增幅較小。

(4)使用TiCN和Al2O3組合的CVD涂層刀具長時間高速銑削AF1410高強度鋼時，可以獲得較好的已加工表面粗糙度，已加工表面粗糙度隨切削長度的變化波動較小。