王敏毅，黃 穎，韓正威，林有希

(1.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，福州 350108;2. 福建師范大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院，福州350007;3.福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350108)

0 引言

自硬型或預(yù)硬型模具鋼由于在供貨時就達(dá)到了用戶需要的組織結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，可直接加工成模具而不需要再進(jìn)行熱處理，避免了熱處理操作所造成的變形等缺陷而得到了廣泛的應(yīng)用。P20 預(yù)硬型模具鋼就是其中典型的代表［1-2］，目前對P20 鋼的研究主要集中在材料的改性、熱處理工藝方面，并獲得了比較成熟的技術(shù)和工藝;但對于高速切削模具鋼的研究，一般集中在冷作模具鋼和熱作模具鋼等高硬度鋼的高速切削研究［3-6］;對于硬度通常在HRC30-42、使用最廣泛的P20模具鋼，與之有關(guān)的高速切削研究比較少，也缺乏針對性、系統(tǒng)性的闡述。本文以高速銑削P20 鋼的基礎(chǔ)性研究為出發(fā)點，研究多種涂層刀具高速銑削P20 鋼時工藝參數(shù)和刀具磨損對工件表面粗糙度的影響，以期為高速、高效、干切削P20 模具鋼提供工藝參數(shù)和理論支持，并為刀具設(shè)計和選擇提供減摩和抗磨實驗依據(jù)，具有重要的實際應(yīng)用價值。

1 實驗方法

1.1 試樣的制備

實驗材料采用預(yù)硬化硬度為HRC28～32 的P20預(yù)硬型模具鋼，材料的尺寸為:160 ×120 ×40(mm)，其化學(xué)成分如表1 所示、常溫下的機械和物理性能如表2 所示。

表1 P20 模具鋼的主要化學(xué)成分(wt%)

表2 P20 機械和物理性能

1.2 實驗刀具的選擇

1.2.1 刀桿的選擇

實驗刀桿選用舍棄式直角銑刀桿SKE-2030，表3為刀桿主要參數(shù)，圖1 為刀桿及刀片裝夾示意圖。

表3 刀桿主要參數(shù)

圖1 刀桿及刀片裝夾示意圖

1.2.2 刀片的選擇

本實驗選擇了三種具有代表性的TiN、TiAlN、TiN/Al2O3/TiCN 涂層刀具進(jìn)行高速銑削實驗。實驗刀片選用三菱(Mitsubishi)公司數(shù)控刀片，型號為TPMN160308。刀片的幾何角度和材質(zhì)分別如表4、表5 所示，其中TiAlN 涂層中膜層成分的原子分?jǐn)?shù)約穩(wěn)定為:Ti27%、Al24%、N49%。

表4 刀片的幾何角度

表5 刀片的材質(zhì)

1.3 實驗主要儀器與設(shè)備

1.3.1 加工設(shè)備

加工設(shè)備為XH715D 型立式加工中心。主軸最高轉(zhuǎn)速為8000r/min，工作臺X向/Y向/Z向行程為880/600/510mm。

1.3.2 主要檢測儀器

S-3000N/H 型掃描電子顯微鏡。15～30 萬倍分辨率，高真空3.5nm，低真空5.0nm。用于觀測和分析切屑和刀具磨損的微觀形貌。

M2 型便攜式粗糙度測量儀，用于P20 模具鋼表面粗糙度測量。

1.4 切削參數(shù)的選擇

采用單因素法進(jìn)行切削實驗［7-8］，為了使實驗研究更加系統(tǒng)性和對比性，采用不同材質(zhì)刀具(TiN、TiAlN、TiN/Al2O3/TiCN 涂層刀具)進(jìn)行切削加工，切削速度ν采用從低速(80m/min)到高速(600m/min)涵蓋了不同范圍。重點是在高速切削范圍內(nèi)的研究，其余的切削參數(shù)如表6 所示。

表6 實驗切削參數(shù)

1.5 刀具磨損的檢測

在進(jìn)行切削實驗的同時，按照每個固定間隔時間(1min)段對各中刀具的磨損量進(jìn)行測量，同時收集切屑并對切屑表面進(jìn)行SEM 微觀分析，對比不同刀具磨損階段的切屑微觀形貌，研究刀具磨損對工件表面粗糙度的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 切削速度對表面粗糙度的影響

圖2 為每齒進(jìn)給量f=0.1mm/tooth、切削深度ap=0.3mm 的條件下，P20 模具鋼已加工表面粗糙度Ra值隨切削速度ν 的變化曲線。

從a、b、c 三條曲線整體趨勢上可以看出，隨著ν的提高，加工表面粗糙度值逐漸降低。尤其在低速向中等速度轉(zhuǎn)變的過程中，Ra值隨ν 的增加而顯著下降。這主要是因為加工塑性材料時，低速下容易形成積屑瘤從而使加工表面的質(zhì)量較差;而從較低切削速度向高速切削過渡的階段會遠(yuǎn)離這個速度區(qū)域，表面粗糙度值因此而降低，隨著ν 的進(jìn)一步增加，Ra值并沒有明顯的上升或者下降趨勢，而是在一個較低的范圍內(nèi)波動，此時切削速度ν 對表面粗糙度Ra的影響程度較?。?-11］。

圖2 切削速度對表面粗糙度的影響

2.2 進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

圖3 為切削速度ν =320m/min、切削深度ap=0.3mm 的條件下，P20 鋼已加工表面粗糙度Ra值隨每齒進(jìn)給量f的變化曲線。從圖中的曲線可以看出，各種刀具加工的進(jìn)給量存在一個臨界值，當(dāng)進(jìn)給量小于此臨界值時，加工的材料表面Ra值與f之間并不是完全的單調(diào)關(guān)系。特別是取較小的進(jìn)給量f= 0.05 mm/tooth時，Ra值的波動幅度很大。這一方面原因可能當(dāng)每齒進(jìn)給量f取值過小，切削厚度太薄，由于存在切削刃鈍圓半徑，使得表面粗糙度Ra值變大［9］;另一方面，減小進(jìn)給量f可以降低殘留面積的高度，此時材料的塑性變形會占主導(dǎo)地位，因此Ra值反而會有所上升［12］。當(dāng)進(jìn)給量f大于臨界值時，Ra值隨f的增加幾乎呈線性關(guān)系而急劇增加。

2.3 切削深度對表面粗糙度的影響

圖4 顯示了表面粗糙度Ra值隨切削深度ap的變化曲線。圖中各曲線均呈現(xiàn)“兩頭大”的形狀。說明當(dāng)切削深度太大或太小時，工件表面粗糙度都會有較大的變化。主要原因有兩個方面:ap取較小值時，主要是刀尖部位進(jìn)行切削，由于切削刃處圓弧半徑的存在，使得切削過程是在擠壓作用下進(jìn)行材料的切除，不容易切下切屑，同時引起了加工表面附加的塑性變形，已加工表面會產(chǎn)生隆起、側(cè)流等現(xiàn)象，使Ra值增大;而當(dāng)ap取較大值時，產(chǎn)生的切削熱、切削力會劇烈增加，并引起設(shè)備的振動，從而使表面粗糙度Ra值上升［12-13］。因此，必須結(jié)合刀具的切削速度、進(jìn)給量選擇適當(dāng)?shù)那邢魃疃纫岳谔岣咔邢餍屎凸ぜ谋砻尜|(zhì)量，在本實驗中選用切削深度ap=0.25～0.35mm 較為合適。

在以上對P20 鋼的針對性研究中可以發(fā)現(xiàn):在中、高速度下，對表面粗糙度影響最大的是進(jìn)給量f，切削速度ν 的影響相對f要小，而切削深度ap的影響不明顯，這與目前大多數(shù)研究結(jié)論相一致［14-15］。

圖3 進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

圖4 切削深度對表面粗糙度的影響

2.4 刀具磨損對表面粗糙度的影響

刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用，這個限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。在實際的測量中，經(jīng)常拆下刀具測量VB值是不現(xiàn)實的，應(yīng)該根據(jù)切削過程中被加工零件的精度和加工系統(tǒng)的聲音、振動等狀況進(jìn)行判斷和測試。本實驗是以精加工狀態(tài)下工件的表面粗糙度為主要研究對象，所以根據(jù)ISO8688-2 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用表面粗糙度Ra≥1.0μm 為限的較小刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)［16］。

圖5 為切削速度ν =320m/min、切削深度ap=0.3mm、每齒進(jìn)給量f=0.1mm/tooth 條件下刀具后刀面磨損量VB對表面粗糙度Ra值影響的變化曲線。從中可見涂層刀具的Ra隨VB值的增加而在一定范圍內(nèi)波動。在刀具磨損初期，由于其表面存在毛刺和微凸起部分［17］，造成表面粗糙度隨著VB值的增加而提高;在正常磨損階段，Ra隨VB值的變化幅度很小;而在刀具后期磨損階段，由于刀具的劇烈摩擦磨損，Ra急劇上升，當(dāng)?shù)毒叩腣B值大于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時，Ra值均超過了1.6μm，說明此時刀具已經(jīng)失效。

圖5 刀具磨損對表面粗糙度的影響

為進(jìn)一步觀察刀具的磨損對工件表面質(zhì)量的影響，通過掃描電子顯微鏡仔細(xì)觀察了不同磨損階段下切屑底面的SEM 微觀形貌，從圖6 的觀測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，磨損初期和磨損后期的切屑底面并不光滑且出現(xiàn)較多磨痕，磨損初期切屑底部的磨痕相對磨損后期的要小得多。這說明在這兩個階段磨損情況比較嚴(yán)重而且刀具后期的磨損要比初期劇烈的多，而在磨損中期切屑底面的SEM 微觀形貌較初期和后期要光滑得多。這驗證了切削過程中有三個磨損階段的存在，也直觀形象地解釋了Ra值隨VB 值的變化規(guī)律。

圖6 不同磨損階段下切屑底面微觀形貌

3 結(jié)論

(1)用涂層刀具高速切削P20 模具鋼，在低速向中等速度轉(zhuǎn)變的過程中，工件表面粗糙度隨著切削速度的增加而顯著下降。在單因素實驗條件下，以300-500m/min 最為合適。

(2)在高速切削加工時，必須結(jié)合刀具的切削速度、進(jìn)給量選擇適當(dāng)?shù)那邢魃疃纫岳谔岣咔邢餍屎凸ぜ谋砻尜|(zhì)量，在本實驗中選用切削深度ap=0.25～0.35mm 較為合適。

(3)高速切削P20 鋼時，刀具的進(jìn)給量存在一個臨界值，當(dāng)進(jìn)給量f大于此臨界值時，表面粗糙度會隨著進(jìn)給量的增加而急劇上升。

(4)在中、高速度切削P20 鋼時，對表面粗糙度影響最大的是進(jìn)給量f，其次是進(jìn)給速度ν，刀具的切削深度ap的影響最小。

(5)涂層刀具在正常磨損范圍內(nèi)，工件表面的粗糙度Ra隨著刀具磨損量VB值的變化幅度很小。

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