涂層刀具高速銑削高硬度淬硬鋼切削力研究

謝英星,王成勇

1中山職業(yè)技術學院機電學院;2廣東工業(yè)大學機電學院

1 引言

淬硬鋼材料硬度高達HRC50～70,加工時產生的切削力大且切削區(qū)域溫度高,切削刀具易失效,其高頻振動和切削力的循環(huán)變換不僅影響了工件的加工變形及切削熱的產生,還進一步加速刀具磨損,縮短刀具使用壽命,降低加工精度和已加工的表面質量。無論切削力的大小還是計算加工機床切削功率,均需制定合理的加工切削用量,設計機床、刀具、夾具的主要性能參數。因此,研究切削力變化不僅有助于在高速加工編程時設置合理參數,也能有效提高刀具使用壽命,提升工件加工質量。

國內外對淬硬鋼切削過程的切削力進行了大量的研究。劉戰(zhàn)強等[1]在高速銑削試驗的基礎上,研究了高速切削加工45鋼(HRC45～50)時切削速度的變化對切削力大小的影響,不同切削條件下,刀具材料與工件材料對應組合不同,臨界切削速度也不同。龐俊忠等[2,3]使用直徑為12mm的TiAlN整體圓柱涂層立銑刀,在151～942m/min的切削速度下,高速銑削P20淬硬鋼(HRC41),對比分析了不同切削速度產生的切屑形態(tài)和切削力,結果發(fā)現,在切削速度增大到某臨界值時達到切削力最大。劉獻禮等[4]采用正交切削的實驗方法研究了GCr15軸承鋼的切削力,結果發(fā)現,GCr15臨界變化的硬度值為HRC50。任利偉等[5]對淬硬模具鋼SKD61在進給方向一維超聲振動銑削過程中的銑削力進行試驗研究,通過單因素試驗獲得了機床轉速、進給量和切削深度對不同方向銑削力的影響規(guī)律。杜勁等[6]基于有限元法并使用不同涂層材質的刀具進行切削淬硬H13模具鋼仿真加工,結果發(fā)現,在相同切削條件下,TiAlN涂層刀具的切削性能最優(yōu),Al2O3涂層刀具引起的已加工表面塑性變形最小。吳世雄等[7]研究了液氮冷卻下的淬硬鋼高速切削,并與干切削進行對比,分析了切削力、切削溫度、切屑特征以及刀具磨損特征,研究發(fā)現,與干切削相比,低溫液氮冷卻因材料硬化使得切削力增大了10.1%～12.8%。Elbestawi M.A.等[8]使用CBN涂層刀具加工H13工具鋼材料(HRC55和HRC45),研究表明,切削力平均值的波動幅度在超高速切削加工時有所減小,H13工具鋼的材料變形以及切屑、刀具與已加工表面三者間的摩擦與切削力相互關聯。Cui X.B.等[9]采用CBN刀具在200～1200m/min切削速度范圍內銑削AISI H13(HRC46～47),研究發(fā)現,切削速度與刀具的磨損和破損存在內在聯系。Ding T.C.[10]采用直徑為20mm的涂層銑刀銑削AISI H13 (HRC50±HRC1),研究發(fā)現,當切削參數為v=140m/min、fz=0.04mm/z、ae=0.5mm、ap=1.0mm時,切削力最小,結果發(fā)現,軸向銑削深度和進給速度是影響切削力最重要的兩個因素。

由于高硬度淬硬鋼高速切削加工過程非常復雜,需要考慮加工過程影響建模的邊界因素條件較多,當前常規(guī)加工條件下的切削力建模方式較多,銑削力模型多數用到基于切削實驗的切削力系數,較少考慮切削速度、每齒進給量、軸向銑削深度以及徑向銑削深度的綜合影響。本文采用四種不同涂層硬質合金銑刀高速銑削四種不同硬度的淬硬鋼材料,研究了刀具涂層成分、工件材料硬度以及切削工藝參數(切削速度、每齒進給量、軸向銑削深度和徑向銑削深度)對切削力的影響,為高硬度淬硬鋼的高效高質切削加工提供提供工藝和理論依據參考。

2 試驗方案及設備

2.1 工件材料及試驗刀具

本研究采用的淬硬鋼材料經淬火熱處理后得到不同硬度的模具鋼P20(HRC48)、S136(HRC55)、SKD11(HRC62)和PM60(HRC68),其化學成分和硬度見表1,淬硬鋼材料的機械物理性能見表2。

表1 淬硬鋼材料的化學成分和硬度

表2 淬硬鋼材料的機械物理性能

試驗刀具采用直徑為6mm的日立整體式硬質合金平底尖角銑刀,分別選擇不同種類涂層(TiSiN、TiAlN、AlCrN和CrSiN),采用的刀具涂層性能參數如表3所示。

表3 刀具涂層性能參數

2.2 試驗方案

為了準確測量不同涂層刀具高速銑削高硬度淬硬鋼時銑削振動和加速度的變化情況,研究不同銑削加工工藝參數(切削速度、每齒進給量、軸向銑削深度和徑向銑削深度)對高速銑削過程的影響,試驗采用側銑和干式銑削方式,機床為Hybert HBC 655五軸高速加工中心,最高轉速為16000r/min,圖1為高速銑削切削力測量示意圖。涂層刀具高速銑削單因素試驗的銑削參數如表4所示,每個銑削參數選用多個水平。

圖1 高速銑削切削力測量

表4 涂層刀具銑削試驗參數

圖2 切削力分解

3 試驗結果分析

3.1 工件材料硬度對切削力的影響

從圖3可以看出,當TiSiN涂層刀具高速銑削較低硬度淬硬鋼時,隨著工件硬度值從HRC48增加到HRC55,三個方向的切削分力增長緩慢。而當工件硬度值從HRC55上升到HRC62時,三方向的切削分力急劇增大。工件硬度對切削力的影響顯著,切削力從工件硬度HRC55時的200N增大到工件硬度值HRC62時的400N,三個方向的切削分力增長趨勢大小分別為Fy>Fx>Fz。當工件硬度值從HRC62上升到HRC68時,三個方向的切削分力值繼續(xù)增大,增長趨勢分別為Fy>Fx>Fz。當淬硬鋼材料硬度低時,切削力中的進給分力Fy和軸向分力Fz大于徑向分力Fx;當淬硬鋼硬度大于HRC55時,徑向分力Fx大于軸向分力Fz。

圖3 工件硬度對切削分力的影響

隨著淬硬鋼工件材料硬度的提高,淬火后的馬氏體組織剝離所需損耗的能量越來越大,淬硬鋼切屑形成所受到的阻力增大,切削力也變大。由于淬硬鋼材料硬度的提高,切削力相應增大,作用在淬硬鋼材料上垂直于進給方向的徑向分力Fx,逐漸超過了對刀具在Z軸方向上產生排斥遠離作用的軸向分力Fz,但切削力中的進給分力Fy仍然起主導作用。當淬硬鋼材料硬度大于HRC55時,工件硬度的快速增大使切削過程成為強力切削過程,涂層刀具切削刃磨損加快,隨著切削速度的持續(xù)增大,切削力的增大速度加快。

從圖4可以看出,隨著切削速度的增大,淬硬鋼P20和S136的切削合力變化不大,而對于淬硬鋼SKD11和PM60,切削速度的改變對其切削合力影響顯著。當切削速度從50m/min增大到150m/min時,淬硬鋼SKD11和PM60的切削合力增大,其中PM60增大幅度更大;當切削速度從150m/min增大到300m/min時,淬硬鋼SKD11和PM60的切削合力先有所減小,隨后又有小幅增大;當切削速度為250m/min時,淬硬鋼SKD11和PM60的切削合力處于低值。

圖4 工件硬度對切削合力的影響

這是因為切削速度的小幅提高,淬硬鋼材料發(fā)生塑性變形軟化效應,容易導致塑性變形,抵消了淬硬鋼材料P20和S136由于切削速度的提高而引起的切削力增大。而對于淬硬鋼材料SKD11和PM60,切削速度提高引起刀具—切屑摩擦阻力增大,導致切削力增大,由于工件硬度高,材料塑性變形軟化效應不足以抵消切削力的增大。淬硬鋼SKD11高速銑削條件下,切削溫度在600℃附近時,應變強化效應顯著,其應力—應變曲線基本上與應變軸平行,應變強化減弱[11,12]。根據前期發(fā)表文獻研究顯示,淬硬鋼SKD11在TiSiN切削刀具作用下的切削溫度為302.4℃[13]。當切削速度達到250m/min時,隨著切削溫度的進一步提高,淬硬鋼材料塑性變形程度變得更加劇烈,金屬軟化效應進一步增強,反過來又使淬硬鋼塑性變形更容易發(fā)生,使切削力回落。

3.2 刀具涂層對切削力的影響

從圖5可以看出,四種涂層切削力的大小順序為TiSiN>CrSiN>AlCrN>TiAlN,且切削力三個方向分力的大小順序為Fy>Fx>Fz,其中Fy遠大于Fx和Fz。在相同切削條件下,TiAlN涂層刀具的切削力最小,TiSiN涂層刀具的切削力最大。由于TiAlN涂層刀具在涂層中加入摩擦系數較小的Al元素,切削時易在刀具前刀面和切屑的接觸界面上產生一層硬質的惰性保護膜Al2O3,Al2O3保護膜具有良好的隔熱性能,可減少熱量從刀具傳入工件或切屑,能起到抗氧化、抗擴散磨損和加強潤滑的作用,減小刀具/工件和刀具/切屑間的相互摩擦力,從而起到降低切削力的作用。CrSiN涂層刀具的切削力大于AlCrN和TiAlN涂層刀具,說明其減摩作用略差于AlCrN和TiAlN涂層。

圖5 不同涂層刀具對切削分力的影響

從圖6中可以看出,隨著切削速度的增大,四種不同涂層刀具切削淬硬鋼S136產生的切削合力先快速增大后緩慢減小,最后都趨于平穩(wěn),其中TiSiN和TiAlN涂層刀具在切削速度為100m/min時達到最大值,而AlCrN和CrSiN涂層刀具在切削速度為150m/min時達到最大值,但四種涂層的切削力大小順序一直保持為TiSiN>CrSiN>AlCrN>TiAlN,TiAlN涂層相對于其余三種刀具涂層在降低切削力、減少工件與刀具之間的相互摩擦具有優(yōu)勢。

圖6 刀具涂層對切削力的影響

3.3 切削參數對切削力的影響

3.3.1 切削速度

從圖7a中可以看出,高速銑削四種硬度淬硬鋼時,淬硬鋼PM60和SKD11的切削力遠大于淬硬鋼S136和P20,其中淬硬鋼S136和P20的切削力變化趨勢大體相同。當切削速度從50m/min增加到100m/min時,四種涂層銑刀切削力均增加,其中PM60增加速度最快,并且在200m/min時達到峰值。這是因為隨著切削速度的提高,淬硬鋼工件材料塑性變形的應變率增大,刀具與工件的摩擦力也相應增大,進而促使切削力的增大。由于此過程處于切削加工運動初期,涂層刀具切削刃逐漸擠壓淬硬鋼工件材料,使淬硬鋼材料由彈性變形階段過渡到塑性變形階段,導致切削力逐漸變大。因此,TiSiN涂層刀具切削PM60時,選擇切削加工參數時應避開此切削速度。

(a)四種硬度淬硬鋼

隨后隨著切削速度的增加,四種淬硬鋼切削力均呈下降趨勢,但并非線性減少且變化幅度較大。當切削速度達到250m/min時,淬硬鋼的切削力數值出現一個波谷,這是因為隨著切削速度的增大,涂層刀具與高硬度淬硬鋼材料切削區(qū)域的切削溫度迅速增大,PM60的溫度在切削速度為250m/min時達到625.4℃,溫度的集聚效應使淬硬鋼材料發(fā)生軟化,淬硬鋼對涂層刀具的排斥驅離作用減弱,使切削力有所下降[13]。由此可見,當切削溫度上升到一定值時,高速切削加工能使切削力減小,同時減小涂層刀具的磨損,進而延長刀具使用壽命。

TiSiN涂層刀具高速銑削淬硬鋼S136時,在切削速度100m/min條件下,切屑開始出現輕微的鋸齒現象;在切削速度150m/min條件下,切屑呈現出規(guī)則的鋸齒,鋸齒的產生導致切削力波動變化[14]。當高硬度淬硬鋼工件材料發(fā)生切屑分離時,所需的機床切削功率有所降低,伴隨著連續(xù)生成的切屑,獲得了趨于穩(wěn)定的切削力。這是因為隨著切削速度的進一步增大,當工件材料發(fā)生分離形成切屑時所需切削功率有所降低,并且剪切角隨切削速度增大而增大,銑削區(qū)域溫度升高,使剪切區(qū)的淬硬鋼材料發(fā)生金屬軟化效應,工件材質的改變改善了涂層刀具和淬硬鋼工件之間的摩擦狀況,從而使刀—屑之間的摩擦系數減小,切屑從前刀面流出的阻力下降。但是隨著切削溫度進一步升高,將加重材料的加工硬化行為,這會部分抵消由于切削溫度升高而帶來的軟化效應,使切削力增大。不同硬度的淬硬鋼有不同的最佳加工速度,材料硬度越高,最佳速度越大。因此,當不同硬度材料淬硬鋼的切削加工速度增大到一定數值時,切削力波形下滑并趨于平緩,最終獲得平穩(wěn)的切削力波形。因此,淬硬鋼金屬材料的組織結構隨著高溫切削條件而變化,塑性變形特征表現不同,進而導致切削力的改變。

從圖7b中可以看出,隨著切削速度的增大,徑向分力Fx和軸向分力Fz變化不明顯,進給分力Fy變化較大。因此,減少進給分力對降低切削合力的大小、改善銑削過程意義重大。從減少切削振動和提高切削加工質量的角度,無論是加工工件還是主軸系統的軸向剛度均很大,所以選擇較大的軸向分力以及較小的進給分力有利于減少整個機床—刀具系統的切削振動,提高工件加工質量。

3.3.2 每齒進給量

從圖8a中可以看出,TiSiN涂層刀具切削淬硬鋼PM60和SKD11產生的切削力隨著每齒進給量的增大迅速增大,而淬硬鋼S136和P20切削力變化平緩,其中淬硬鋼在每齒進給量為0.05mm/z時,切削力值達到最大值。

(a)四種硬度淬硬鋼

從圖8b中可以看出,高速銑削淬硬鋼S136時三個方向的切削分力與切削合力的變化趨勢基本相同。在所選擇的實驗因素變化范圍內,隨著每齒進給量的增加,Fx,Fy和Fz增大。當每齒進給量在0.02～0.03 mm/z時,切削力有所增加,但是變化不明顯。隨著每齒進給量進一步增大,徑向分力Fx和軸向分力Fz在實驗因素的變化范圍內還是線性增長,變化依然不明顯,但進給分力Fy顯著增大,并且進給分力Fy在每齒進給量區(qū)間0.04～0.05mm/z時,其增長幅度小于0.03～0.04mm/z這一區(qū)間的增長幅度。這是因為當每齒進給量值較低時,高硬度淬硬鋼材料的應變及其應變率強化作用不大,導致切削力的波動不明顯。而當每齒進給量超過0.03mm/z時,隨著每齒進給量的增大,切削層厚度增大,單位時間內切除的淬硬鋼材料體積增大,切削進給所消耗的能量增大;材料的應變強化效應、應變率增強,應變增強作用對切削力的作用大于由材料熱軟化效應對切削力的影響,最終導致切削力顯著增加。

3.3.3 軸向銑削深度

從圖9a中可以看出,TiSiN涂層刀具切削淬硬鋼PM60和SKD11產生的切削力隨著軸向銑削深度值的增大而出現明顯變化,增大趨勢明顯強于每齒進給量的變化;同樣,淬硬鋼S136和P20對于軸向銑削深度值的影響不明顯。

(a)四種硬度淬硬鋼

從圖9b中可以看出,當軸向銑削深度從0.2mm增大到0.3mm時,徑向分力Fx和軸向分力Fz呈線性增加,但變化不顯著,而進給分力Fy增長迅速。當軸向銑削深度超過0.3mm時,軸向分力Fz的增長趨勢大于徑向分力Fx的增長趨勢,而進給分力Fy在軸向銑削深度為0.4mm時,有小幅減小的過程,隨后繼續(xù)增大,但增大趨勢小于軸向銑削深度區(qū)間0.2～0.3mm,總體變化趨勢較為平穩(wěn)。通過對切削溫度隨軸向銑削深度變化的研究發(fā)現,TiSiN涂層刀具銑削S136的切削溫度在ap為0.4 mm時達到最大值,隨后減小,切削溫度達到最大值的過程中,淬硬鋼材料發(fā)生金屬軟化,切削力相應減小[13]。較小的切削力相應減小了對涂層刀具的擠壓作用,可以避免因過大的切削力引起涂層刀具的破損或者崩刃。因此,在本實驗的切削工藝參數條件下,為降低涂層刀具切削受力,避免因切削力太大而引起刀具破損折斷,推薦選用軸向銑削深度值為0.4mm。

3.3.4 徑向銑削深度

從圖10a中可以看出,TiSiN涂層刀具切削淬硬鋼PM60和SKD11產生的切削力隨著徑向銑削深度的增大迅速增大,而淬硬鋼S136和P20的切削力隨著軸向銑削深度的增大變化趨勢較為平緩。

(a)四種硬度淬硬鋼

從圖10b中可以看出,隨著徑向銑削深度增大,高速銑削淬硬鋼S136時切削力并非呈線性增長。在徑向銑削深度很小時,徑向分力Fx和軸向分力Fz隨著徑向銑削深度增加而變化很小,而進給分力Fy則顯著增大。當徑向銑削深度超過3mm時,徑向分力Fx和軸向分力Fz增長幅度有所增大,進給分力Fy則隨著徑向銑削深度的增加而呈線性減少。當徑向銑削深度為5mm時,徑向分力Fx和軸向分力Fz達到最大值,而進給分力Fy減少到只比徑向銑削深度為2mm時大一點。銑削力過大時,涂層刀具的磨損、破損速度加快,超過刀具承載負荷,造成刀具的折斷報廢。綜合三個切削分力隨著徑向銑削深度值增加的變化趨勢來看,在工業(yè)生產實際中,考慮涂層刀具的使用安全和壽命,不應選擇過大的徑向銑削深度。

4 結語

本文針對高硬度淬硬鋼的高速加工進行了切削試驗,研究了不同涂層硬質合金刀具高速銑削不同硬度淬硬鋼的切削力變化情況,分析了工件硬度、刀具涂層、切削加工工藝參數對切削力與切削溫度的影響,以及四種切削參數(主軸轉速、進給速度、軸向銑削深度和徑向銑削深度)對表面加工質量和切削力大小的影響,主要研究結論如下。

(1)淬硬鋼工件材料硬度越高,切削力越大。隨著切削速度的增大,淬硬鋼P20和S136的切削合力影響較小,而對于淬硬鋼SKD11和PM60,切削速度的改變對切削合力影響顯著。當淬硬鋼材料硬度大于HRC55時,工件硬度的快速增大使切削過程成為強力切削過程,涂層刀具切削刃磨損加快,隨著切削速度的持續(xù)增大,切削力的增大速度加快。

(2)隨著切削速度的增大,四種不同涂層刀具切削淬硬鋼S136產生的切削合力先快速增大后緩慢減小,最后都趨于平穩(wěn),其中TiSiN和TiAlN涂層刀具在切削速度為100m/min時達到最大值,而AlCrN和CrSiN涂層刀具在切削速度為150m/min時達到最大值,但四種涂層的大小順序一直保持為TiSiN>CrSiN>AlCrN>TiAlN,TiAlN涂層相對于其余三種刀具涂層在降低切削力、減少工件與刀具之間的相互摩擦具有優(yōu)勢。

(3)切削參數的變化對切削力的影響與淬硬鋼工件硬度的變化存在相互影響。淬硬鋼硬度低于HRC55時,切削工藝參數的變化對于切削力的變化影響不明顯;而當淬硬鋼硬度高于HRC60時,如淬硬鋼SKD11和PM60,隨著淬硬鋼硬度的提高以及切削工藝參數的增大,切削力發(fā)生顯著變化。