馮 憑，丁海娟，夏廣嵐，李小海

（佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

冷擠壓是一種先進(jìn)的少無(wú)切屑加工工藝，具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速。冷擠壓模具的品質(zhì)，是保證工件能否順利進(jìn)行冷擠壓的關(guān)鍵。而凸模作為整個(gè)模具中最重要的一個(gè)工作零件，其材料和加工工藝選擇得是否合理，直接影響著整套模具品質(zhì)的好壞。

冷擠壓凸模通常選用高速鋼材料，傳統(tǒng)的加工工藝是：凸模坯料鍛造退火—粗加工—淬火—磨削—拋光工作部分。大量的研究與生產(chǎn)實(shí)踐表明，磨削加工由于溫度高，冷卻不均勻，易發(fā)生磨削燒傷和微裂紋，成為凸模工作部位應(yīng)力集中的致命傷，造成凸模的壽命大大降低。另外，磨削加工成本高，效率低，耗能大，使用大量的磨削液污染環(huán)境，不符合當(dāng)前提倡的“綠色制造”要求。

隨著超硬刀具材料性能的提高和價(jià)格的調(diào)整，以及高剛度數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，采用硬態(tài)切削代替磨削，已成為一個(gè)新的精加工途徑。

所謂硬態(tài)切削，是指采用超硬刀具對(duì)硬度大于55 HRC的淬硬鋼進(jìn)行精切削的加工工藝，即以車(chē)代磨或以銑代磨。與磨削加工相比，硬態(tài)切削加工具有易保證工件表面完整性、加工柔性大、切削效率高、加工成本低、節(jié)省能源、有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1～4]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于硬態(tài)切削的研究，主要集中在軸承鋼和Cr12、Cr12MoV模具鋼方面，尚難見(jiàn)到針對(duì)高速鋼材料制造的冷擠壓凸模的研究文獻(xiàn)。因此本文通過(guò)切削試驗(yàn)探索，重點(diǎn)分析硬態(tài)切削冷擠壓凸模時(shí)，切削用量和刀具幾何參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律，從而尋找優(yōu)化的切削參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)工件材料。冷擠壓凸模用高速鋼W6Mo5 Cr4V2，其化學(xué)成分和機(jī)械性能見(jiàn)表1和表2。

表1 W6Mo5Cr4V2化學(xué)成分表 (%)

表2 W6Mo5Cr4V2機(jī)械性能

（2）試驗(yàn)工件結(jié)構(gòu)。冷擠壓凸模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 冷擠壓凸模簡(jiǎn)圖

（3）切削機(jī)床。選用高速數(shù)控車(chē)床CNC6136B-750。

（4）切削用刀具。采用Seco公司CBN100整體式PCBN刀片，幾何參數(shù)為：前角γ0=0°，后角α0=6°，刃傾角λs=0°，主偏角κr=45°，副偏角κr'=20°，負(fù)倒棱寬br1=0.1 mm，負(fù)倒棱前角γ01=-20°，刀尖圓弧半徑rε=0.2～0.8 mm。

（5）測(cè)量?jī)x器。采用TR200便攜式表面粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的目的，是分析硬態(tài)切削冷擠壓凸模時(shí)，不同切削加工參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律，找出最優(yōu)的參數(shù)組合。

由于單因素試驗(yàn)方法的試驗(yàn)量太大，試驗(yàn)效率低，因此決定采用多因素試驗(yàn)方法。

在各種多因素試驗(yàn)方法中，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有“均勻”和“整齊”的特點(diǎn)，可提高試驗(yàn)效率，是研究和處理多因素試驗(yàn)常用的主要方法，所以本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)刀具材料特性并參考相關(guān)資料，選用切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量、刀尖圓弧半徑作為正交試驗(yàn)的4個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平。

因素水平如表3所示，試驗(yàn)指標(biāo)為加工表面粗糙度Ra 值，選用L9(34)正交表[5]。

表3 因素水平表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)所確定的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所列。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖2為表面粗糙度隨因素變化情況。

圖2 表面粗糙度隨因素變化趨勢(shì)圖

（1）根據(jù)表4中的極差值R，結(jié)合正交表綜合可比性，通過(guò)直觀分析法可知：本次試驗(yàn)中所選的4個(gè)因素對(duì)加工表面粗糙度影響最大的，依次是：刀尖圓弧半徑—進(jìn)給量—切削速度—背吃刀量。

（2）從圖2中可看出，各因素水平變化時(shí)，加工表面粗糙度Ra 值的變化規(guī)律：當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑從0.2 mm增大到0.8 mm時(shí)，Ra 值呈下降趨勢(shì)；進(jìn)給量從0.08 mm/r增大至0.22 mm/r時(shí)，Ra 值呈上升趨勢(shì)；提高切削速度，能夠使Ra 值減小，這是由于硬態(tài)切削切削冷擠壓凸模時(shí)，隨著切削速度的提高，切削區(qū)溫度上升，使得切屑與前刀面的摩擦系數(shù)減小，切屑變形減小，切削力減小，進(jìn)而使切削平穩(wěn)，加工表面粗糙度值隨之降低。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出各因素水平的較優(yōu)組合為A3B1C1D3，即：切削速度νc=220 m/mim，進(jìn)給量f =0.08 mm/r，背吃刀量αp=0.10 mm，刀尖圓弧半徑rε=0.8 mm時(shí)，已加工表面粗糙度值較小。

（4）從表4中可以看到，第4號(hào)、第8號(hào)試驗(yàn)獲取的Ra 值也較小，為了驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)組合的可靠性，排除隨機(jī)性因素的影響，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。采用A3B1C1D3、A2B1C2D3、A3B2C1D3共3組參數(shù)組合，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，最后的試驗(yàn)結(jié)果表明A3B1C1D3組合即：切削速度νc=220 m/mim，進(jìn)給量f=0.08 mm/r，背吃刀量αp=0.10 mm，刀尖圓弧半徑rε=0.8mm時(shí)，加工表面粗糙度Ra 值穩(wěn)定在0.039～0.41μm之間，說(shuō)明當(dāng)切削用量和刀具幾何參數(shù)符合最優(yōu)組合時(shí)，采用PCBN刀具硬態(tài)切削冷擠壓凸模，其表面粗糙度能夠達(dá)到拋光前的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用PCBN刀具硬態(tài)切削冷擠壓凸模時(shí)，為降低加工表面粗糙度，可以適當(dāng)增加刀尖圓弧半徑，提高切削速度，減小進(jìn)給量和背吃刀量。為防止刀尖圓弧半徑增大引起切削力增大，進(jìn)而導(dǎo)致工藝系統(tǒng)的振動(dòng)，應(yīng)加強(qiáng)工藝系統(tǒng)的剛性。

由于硬態(tài)切削過(guò)程十分復(fù)雜，影響的因素較多，而本試驗(yàn)未考慮因素間交互作用對(duì)加工表面粗糙度的影響，所以硬態(tài)切削冷擠壓凸模的試驗(yàn)研究工作，還有待進(jìn)一步深入，以獲取更可靠的數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)。

[1]劉獻(xiàn)禮，等.硬態(tài)干式切削機(jī)理及技術(shù)研究綜述[J].中國(guó)機(jī)械工程，2002，13（11）：973-976.

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