謝英星 王成勇 鄭李娟 隋建波

廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州，510006

0 引言

在金屬切削過(guò)程中，當(dāng)金屬材料發(fā)生變形或斷裂時(shí)會(huì)發(fā)射出彈性波，刀具后刀面的摩擦，切屑撞擊、折斷，剪切區(qū)塑性變形，以及前刀面第二區(qū)的摩擦等過(guò)程中均有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生[1-3]。模具材料多為高硬度的淬硬鋼，如冷模具鋼(HRC57～68)、塑料模具鋼(HRC30～55)、熱作模具鋼(HRC48～56)等。與傳統(tǒng)電加工方法相比, 采用高速加工技術(shù)銑削高硬度淬硬鋼模具時(shí)效率可提高4～6倍，具有加工精度高、表面無(wú)變質(zhì)層和微裂紋、熱變形小等特點(diǎn)。但當(dāng)零件形狀相對(duì)復(fù)雜和淬硬鋼硬度較高時(shí)，加工過(guò)程中會(huì)存在刀具磨損和破損嚴(yán)重、切削力大且切削溫度高等問(wèn)題，從而導(dǎo)致刀具快速失效，因此在工程實(shí)際中對(duì)刀具綜合性能的要求十分苛刻[4]。涂層刀具因具有良好的綜合性能，是高速加工高硬度淬硬鋼的首選刀具材料[5]。涂層刀具的優(yōu)異切削性能，不僅取決于刀具涂層與被加工工件材質(zhì)間的強(qiáng)匹配性，且與實(shí)際使用涂層刀具時(shí)的復(fù)雜切削加工系統(tǒng)變量高度關(guān)聯(lián)。淬硬鋼高速加工過(guò)程復(fù)雜，對(duì)其監(jiān)測(cè)的手段有多種，采用聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)切削過(guò)程具有安裝簡(jiǎn)便、不影響切削過(guò)程、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[6]。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)金屬加工過(guò)程中的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，BHUIYAN等[7]研究了車(chē)削ASSAB-705(HB270～310)過(guò)程的切屑形態(tài)，他們發(fā)現(xiàn)采集的聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)和與之對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)能對(duì)刀具的切削狀態(tài)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。PAWADE等[8]研究了高速車(chē)削Inconel 718時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)與切屑、工件表面質(zhì)量之間的關(guān)系，其研究結(jié)果表明:聲發(fā)射信號(hào)的異常與切削力波動(dòng)、切屑形態(tài)和表面形貌的改變有關(guān)。PECHENIN等[9]根據(jù)模具鋼切削過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，預(yù)測(cè)了刀具的使用壽命以及刀具在切削過(guò)程中的變化情況。PRAKASH等[10]分析了切削過(guò)程中不同刀具磨損聲發(fā)射信號(hào)對(duì)鋁合金AA1100表面粗糙度、切屑形成機(jī)理和切屑形態(tài)的影響。李光海等[11]對(duì)12MnNiVR鋼材料拉伸過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的幅值、振鈴計(jì)數(shù)、撞擊計(jì)數(shù)和能量等常規(guī)特征參數(shù)進(jìn)行了分析，研究了不同階段典型聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域波形、頻譜、希爾伯特時(shí)頻分布等。HASE等[12]對(duì)車(chē)削過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其試驗(yàn)結(jié)果表明：切屑形狀與聲發(fā)射信號(hào)特征具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。閻棣等[13]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了金屬切削過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響，分析了產(chǎn)生斷續(xù)切屑、連續(xù)切屑及切屑纏繞時(shí)聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域、幅域和頻域的特性差異。

目前研究人員尚未對(duì)不同硬度的工件材料和不同刀具涂層在淬硬鋼切削過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比研究。筆者采用4種涂層(TiSiN、TiAlN、AlCrN和CrSiN)的硬質(zhì)合金銑刀高速銑削4種硬度的淬硬鋼材料(P20、S136、SKD11和PM60)，結(jié)合觀察淬硬鋼切屑形態(tài)、電壓-時(shí)間和RMS值等聲發(fā)射信號(hào)，分析了聲發(fā)射信號(hào)與淬硬鋼材料硬度、刀具涂層種類(lèi)和切削工藝參數(shù)等因素之間的關(guān)系，以及聲發(fā)射信號(hào)對(duì)淬硬鋼材料可加工性的反映程度。

1 試驗(yàn)方案及設(shè)備

1.1 工件材料

本研究采用的淬硬鋼材料(由東莞一勝百公司提供)分別為經(jīng)淬火熱處理后的4種不同硬度的模具鋼：P20(HRC48)、S136(HRC55)、SKD11(HRC62)和PM60(HRC68)，其化學(xué)成分和硬度見(jiàn)表1，淬硬鋼材料的機(jī)械物理性能見(jiàn)表2。

表1 淬硬鋼材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和硬度Tab.1 Chemical compositions(mass fraction) and hardness of hardened steels

表2 淬硬鋼材料的機(jī)械物理性能Tab.2 Mechanical and physical properties of hardened steels

1.2 試驗(yàn)刀具

本研究的試驗(yàn)刀具采用直徑均為6 mm的日立整體式硬質(zhì)合金平底尖角銑刀，分別選擇了4種刀具涂層(TiSiN、TiAlN、AlCrN和CrSiN)，試驗(yàn)采用的刀具涂層截面見(jiàn)圖1。

(a)刀具涂層TiSiN

(b)刀具涂層TiAlN

(c)刀具涂層AlCrN

(d)刀具涂層CrSiN圖1 試驗(yàn)用的刀具涂層截面Fig.1 Tools coating sections used in the tests

圖1a所示為T(mén)H納米涂層銑刀涂覆的TiSiN涂層，采用納米結(jié)晶技術(shù)，涂層硬度達(dá)到3 600HV，涂層開(kāi)始氧化溫度為1 100 ℃，耐酸化性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)；圖1b所示為C涂層成分TiAlN，涂層硬度達(dá)到2 800HV，涂層開(kāi)始氧化溫度為800 ℃；圖1c所示為PN涂層成分AlCrN，涂層硬度達(dá)到3 000HV，涂層開(kāi)始氧化溫度為1 000 ℃；圖1d所示為CS涂層成分CrSiN，涂層硬度達(dá)到2 600HV，涂層開(kāi)始氧化溫度為1 200 ℃。上述4種涂層均可滿足高硬度淬硬鋼高速干式切削加工的要求，涂層刀具的性能參數(shù)見(jiàn)表3。

1.3 試驗(yàn)方案

采用自動(dòng)探頭測(cè)試(auto sensor test,AST)前置放大器和基于PCI-Express總線的聲發(fā)射采集卡Express 8(均由美國(guó)物理聲學(xué)公司設(shè)計(jì))測(cè)量淬硬鋼在不同切削工藝條件下高速銑削過(guò)程中生成的聲發(fā)射RMS值和電壓-時(shí)間聲發(fā)射信號(hào)。

表3 刀具涂層性能參數(shù)Tab.3 Tool coating performance parameters

聲發(fā)射RMS值是指在采樣時(shí)間內(nèi)，信號(hào)電平的均方根值，表征聲發(fā)射信號(hào)值的大小，適用于連續(xù)型信號(hào)，主要用于連續(xù)型聲發(fā)射活動(dòng)的評(píng)價(jià)，該RMS值表示方法屬于能量分析法。試驗(yàn)過(guò)程僅使用了一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，采樣頻率設(shè)定為2 MHz，觸發(fā)門(mén)檻值為45 dB，浮動(dòng)門(mén)寬值為6 dB。采用型號(hào)為R15a的聲發(fā)射傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，該傳感器能覆蓋淬硬鋼高速銑削的采用頻率范圍。

在加工過(guò)程中，聲發(fā)射傳感器通過(guò)聲耦合劑粘在淬硬鋼材料的側(cè)面，并用黑色膠帶進(jìn)行固定，以防止振動(dòng)脫落，其安裝示意圖見(jiàn)圖2。為獲得不同切削工藝參數(shù)條件下的淬硬鋼切屑樣本和聲發(fā)射信號(hào)，設(shè)計(jì)了高速銑削單因素試驗(yàn)，涂層刀具切削試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4。

圖2 聲發(fā)射傳感器安裝示意圖Fig.2 The installation schematic diagram of acoustic emission sensor

表4 涂層刀具切削試驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Coated tools cutting testing parameters

注：當(dāng)變化某一特定參數(shù)時(shí)，其他參數(shù)取加粗的數(shù)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 切屑形態(tài)與聲發(fā)射信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

淬硬鋼切削過(guò)程存在多種聲發(fā)射源，通常包括連續(xù)型和突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)，其切削主要變形是剪切區(qū)的塑性滑移變形，而滑移變形的主要過(guò)程是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。淬硬鋼高速銑削過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)主要有如下來(lái)源[12]：①第一變形區(qū)材料的剪切變形；②第二變形區(qū)切屑的二次變形，以及與前刀面的摩擦；③第三變形區(qū)的工件與后刀面的摩擦；④切屑的折斷及纏繞等，如圖3所示。其中，剪切變形和摩擦屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，鋸齒形切屑的產(chǎn)生以及連續(xù)型和鋸齒形切屑的折斷則屬于突發(fā)型的聲發(fā)射信號(hào)[14]。

圖3 淬硬鋼高速銑削聲發(fā)射信號(hào)源Fig.3 Acoustic emission signal source of high speed milling hardened steel

圖4為鋸齒形切屑沿著切屑生成方向截面的金相放大圖，試驗(yàn)條件設(shè)置如下：淬硬鋼材料為S136(HRC55), 刀具涂層為T(mén)iSiN,刀具直徑為6 mm, 切削速度v=250 m/min, 每齒進(jìn)給量fz=0.04 mm, 軸向切削深度ap=0.3 mm, 徑向切削深度ae=3 mm。由圖4可以看出，鋸齒形切屑可分為2個(gè)不同的變形區(qū)：①受力擠壓隆起的梯形或鋸齒形的切屑基體，②基體之間起分割作用的剪切帶。為方便對(duì)比分析，針對(duì)淬硬鋼切削加工生成鋸齒的形狀特征，對(duì)鋸齒形切屑進(jìn)行幾何定義：H為鋸齒形切屑的齒厚垂直高度、L為切屑基體厚度，Pc為鋸齒的節(jié)距(水平距離)。

圖4 鋸齒形切屑的形態(tài)[4]Fig.4 The morphology of sawtooth chip

采用TiSiN涂層銑刀在不同切削速度條件下(其他參數(shù)為fz=0.03 mm,ap=0.3 mm,ae=3 mm)，高速銑削淬硬鋼S136(HRC55)的切屑形態(tài)見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出，淬硬鋼S136在切削速度為50 m/min時(shí)，切屑形態(tài)為連續(xù)帶狀；當(dāng)切削速度在100～150 m/min范圍內(nèi)時(shí)，切屑開(kāi)始出現(xiàn)輕微的鋸齒現(xiàn)象，切屑的頂部形狀為波浪形；當(dāng)切削速度為200 m/min時(shí)，切屑呈現(xiàn)出規(guī)則的鋸齒，變形高度集中的剪切帶在腐蝕后呈現(xiàn)均勻的間隔分布；隨著切削速度的持續(xù)增大(即切削速度大于200 m/min)，鋸齒頂部夾角表現(xiàn)出越來(lái)越小的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著切削速度的增大，增強(qiáng)了切屑與刀具之間第一變形區(qū)的剪切和擠壓作用，加劇了金屬滑移現(xiàn)象[4]。當(dāng)切削速度為250 m/min時(shí)，鋸齒形態(tài)從三角形轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪吻行?，并形成了由剪切帶均勻間隔的鋸齒形切屑；當(dāng)切削速度為300 m/min時(shí)，切屑的鋸齒化現(xiàn)象更加明顯，切屑基體平均厚度逐漸減小。

TiSiN涂層銑刀在不同切削速度條件下(其他參數(shù)為fz=0.03 mm,ap=0.3 mm,ae=3 mm)，高速銑削淬硬鋼S136(HRC55)的切屑形態(tài)的參數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)表5。從表5中可以看出，當(dāng)切削速度在50～250 m/min范圍內(nèi)時(shí)，平均鋸齒節(jié)距Pc的變化不大，但當(dāng)切削速度為300 m/min時(shí)，平均鋸齒節(jié)距Pc達(dá)到了最大值72.70 μm，這是因?yàn)楫?dāng)切削速度增大至300 m/min時(shí)，切屑基體平均厚度L顯著減小，使得平均鋸齒節(jié)距Pc增大；齒厚平均垂直高度H隨著切削速度的增大而增大；在切削速度為200 m/min時(shí)，切屑基體平均厚度L達(dá)到最大值62.02 μm，隨后持續(xù)減小。這是因?yàn)殡S著切削速度的增大，淬硬鋼材料會(huì)發(fā)生較大的剪切滑移變形，切屑鋸齒之間的分離趨勢(shì)更加明顯，切屑變形程度加劇。由此可知，增大切削加工速度有助于鋸齒形切屑的斷裂分離。

切削速度的不同，使得TiSiN涂層刀具高速銑削淬硬鋼S136形成的切屑形態(tài)不同。隨著切削速度增大到200 m/min，淬硬鋼的切屑形態(tài)從連續(xù)帶狀向鋸齒形切屑轉(zhuǎn)變。圖6a、圖6b所示分別為產(chǎn)生不同切屑形態(tài)時(shí)，得到的對(duì)應(yīng)電壓-時(shí)間聲發(fā)射信號(hào)，因機(jī)床加工過(guò)程中的進(jìn)給速度極快，故本文只框選出切削過(guò)程中從1.0～1.5 ms時(shí)間段內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)。從圖6a中可以看出，當(dāng)v=50 m/min時(shí)，高速銑削淬硬鋼產(chǎn)生帶狀切屑(圖5a)，淬硬鋼材料主要發(fā)生塑性變形，聲發(fā)射信號(hào)的波形比較平緩均勻，波峰和波谷的幅值相差不大，其最大幅值為1 V；從圖6b中可以看出，當(dāng)v=250 m/min時(shí)，淬硬鋼切屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形切屑(圖5i)，且出現(xiàn)了明顯的突發(fā)性信號(hào)，其最大幅值為7 V，兩峰值之間的間距變小，波峰和波谷的幅值相差變大，且信號(hào)幅度分布較尖銳，這是因?yàn)榇阌蹭撲忼X形切屑形成過(guò)程中出現(xiàn)了周期性擠壓破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)能量快速變化，鋸齒形切屑產(chǎn)生時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)值遠(yuǎn)大于帶狀切屑產(chǎn)生時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)值。不同形態(tài)切屑的切屑形成過(guò)程存在差異，因而聲發(fā)射信號(hào)波形圖的峰值也不同。由此可知，在淬硬鋼高速加工過(guò)程中，分析采集的聲發(fā)射信號(hào)可作為監(jiān)測(cè)切屑形態(tài)轉(zhuǎn)變的一種方法。

(a)切屑形貌(v=50 m/min) (b)切屑截面(v=50 m/min) (c)切屑形貌(v=100 m/min) (d)切屑截面(v=100 m/min)

(e)切屑形貌(v=150 m/min) (f)切屑截面(v=150 m/min) (g)切屑形貌(v=200 m/min) (h)切屑截面(v=200 m/min)

(i)切屑形貌(v=250 m/min) (j)切屑截面(v=250 m/min) (k)切屑形貌(v=300 m/min) (l)切屑截面(v=300 m/min)圖5 切削速度對(duì)切屑形態(tài)的影響Fig.5 The influence of cutting speed on the chip morphology

表5 不同切削速度條件下切屑形態(tài)基本尺寸測(cè)量結(jié)果Tab.5 The result of measured chip morphology under different cutting speeds

(a)帶狀切屑(v=50 m/min)

(b)鋸齒形切屑 (v=250 m/min)圖6 不同切屑形態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)電壓-時(shí)間曲線Fig.6 Acoustic emission signals of voltage-time curves with different chip morphologies

采用4種不同涂層(TiSiN、TiAlN、AlCrN和CrSiN)的硬質(zhì)合金銑刀在試驗(yàn)條件下(v=250 m/min,fz=0.03 mm,ap=0.3 mm,ae=3 mm)，高速銑削淬硬鋼S136(HRC55)的切屑形態(tài)見(jiàn)圖7。由圖7可知，涂層成分的差異會(huì)導(dǎo)致切屑整體變形卷曲程度的不同，微觀形貌也各有差異。從微觀上觀察，TiSiN、TiAlN和AlCrN涂層銑刀產(chǎn)生的切屑呈現(xiàn)梯形鋸齒狀；CrSiN涂層銑刀則產(chǎn)生圓弧頂狀的鋸齒形切屑。

(a)切屑形貌(TiSiN涂層) (b)切屑截面(TiSiN涂層) (c)切屑形貌(TiAlN涂層) (d)切屑截面(TiAlN涂層)

(e)切屑形貌(AlCrN涂層) (f)切屑截面(AlCrN涂層) (g)切屑形貌(CrSiN涂層) (h)切屑截面(CrSiN涂層)圖7 不同刀具涂層對(duì)切屑形態(tài)的影響Fig.7 The influence ofdifferent cutting tool coating on chip morphology

4種不同涂層(TiSiN、TiAlN、AlCrN和CrSiN)的硬質(zhì)合金銑刀在試驗(yàn)條件(v=250 m/min,fz=0.03 mm,ap=0.3 mm,ae=3 mm)下，高速銑削淬硬鋼S136(HRC55)的切屑形態(tài)的參數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)表6。由表6可以看出，4種涂層的平均鋸齒節(jié)距Pc和齒厚平均垂直高度H的變化趨勢(shì)相同，從大到小依次為:TiSiN、TiAlN、AlCrN、CrSiN；而切屑基體平均厚度L從大到小依次為：CrSiN、AlCrN、TiSiN、TiAlN，TiAlN涂層使鋸齒形切屑的剪切帶長(zhǎng)度最小，該涂層在使鋸齒形切屑折斷方面具有優(yōu)勢(shì)；而CrSiN涂層使鋸齒形切屑的剪切帶長(zhǎng)度最大；TiSiN和AlCrN涂層的切屑基體平均厚度的尺寸相差不大。

表6 不同刀具涂層切屑形態(tài)基本尺寸測(cè)量結(jié)果Tab.6 The results of measured chip morphology under different cutting tool coatings

2.2 工件硬度對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

圖8 工件硬度對(duì)聲發(fā)射RMS值的影響Fig.8 The influence of workpiece hardness on acoustic emission RMS

圖8所示為T(mén)iSiN涂層銑刀高速銑削4種不同硬度的淬硬鋼(P20、S136、SKD11和PM60)時(shí)，在不同切削速度條件下(其他參數(shù)為fz=0.03 mm,ap=0.3 mm,ae=3 mm)對(duì)聲發(fā)射RMS值的影響。從圖8中可以看出，隨著淬硬鋼材料硬度的增大，聲發(fā)射RMS值逐漸增大，這是因?yàn)楣ぜ牧嫌捕戎档脑龃?，使得材料的剪切?qiáng)度增大，第一變形區(qū)的剪切變形愈劇烈，切屑與前刀面之間的摩擦也增大，這兩大聲發(fā)射信號(hào)源活動(dòng)更加激烈，從而導(dǎo)致聲發(fā)射RMS值的增大。同時(shí)，當(dāng)切削速度處于50～200 m/min區(qū)間時(shí)，4種淬硬鋼材料的聲發(fā)射RMS值相差明顯，這是因?yàn)橛捕鹊偷拇阌蹭撛诖饲邢魉俣葏^(qū)間產(chǎn)生連續(xù)型切屑，而硬度值高的淬硬鋼可能正處于接近于產(chǎn)生鋸齒形切屑的臨界位置或者已經(jīng)產(chǎn)生了鋸齒形切屑[13-14]；當(dāng)切削速度處于200～300 m/min區(qū)間時(shí)，4種淬硬鋼材料的聲發(fā)射RMS值差異減小，這是因?yàn)樵诖饲邢魉俣葏^(qū)間，4種淬硬鋼材料已經(jīng)形成了穩(wěn)定的鋸齒形切屑，鋸齒形切屑的形成將使第一變形區(qū)的淬硬鋼材料產(chǎn)生周期性的彈性應(yīng)變，循環(huán)穩(wěn)定產(chǎn)生的鋸齒將導(dǎo)致淬硬鋼材料局部剪切失穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)生斷裂并釋放出彈性應(yīng)變能；當(dāng)切削速度為300 m/min時(shí)，淬硬鋼P(yáng)M60、SKD11和S136在此切削速度下產(chǎn)生了三角形的鋸齒形切屑，且3種材料的聲發(fā)射RMS值趨于相同，而淬硬鋼P(yáng)20的切屑以梯形切屑為主，這是因?yàn)楫?dāng)淬硬鋼材料硬度高于HRC50時(shí)，淬硬鋼材料斷裂受金屬軟化效應(yīng)的影響，且鋸齒形切屑的產(chǎn)生緩解了因硬度值不同而導(dǎo)致的聲發(fā)射信號(hào)的差異。

圖9為T(mén)iSiN涂層銑刀在試驗(yàn)條件下(v=250 m/min,fz=0.03 mm,ap=0.3 mm,ae=3 mm)，切削四種不同硬度的淬硬鋼(P20、S136、SKD11和PM60)的聲發(fā)射信號(hào)(電壓-時(shí)間曲線)對(duì)比圖。從圖9中可以看出，隨著淬硬鋼工件硬度值的增大，聲發(fā)射信號(hào)電壓-時(shí)間幅值的平均值增大，4種不同硬度的淬硬鋼(P20、S136、SKD11和PM60)對(duì)應(yīng)幅值的平均值分別為3 V、4 V、6 V和7 V，該結(jié)果與產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值變化趨勢(shì)一致。由此可知，隨著淬硬鋼材料硬度的逐漸增大，采集的聲發(fā)射信號(hào)呈逐漸增大的趨勢(shì)。

2.3 切削參數(shù)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

圖10所示為4種不同涂層(TiSiN、TiAlN、AlCrN和CrSiN)的硬質(zhì)合金銑刀高速銑削淬硬鋼S136(HRC55)時(shí)，分別在不同切削速度(圖10a)、不同每齒進(jìn)給量(圖10b)、不同軸向銑削深度(圖10c)和不同徑向銑削深度(圖10d)的切削條件下對(duì)聲發(fā)射RMS值的影響。

(a)淬硬鋼P(yáng)20(HRC48)

(b)淬硬鋼S136(HRC55)

(c)淬硬鋼SKD11(HRC62)

(d) 淬硬鋼P(yáng)M60(HRC68)圖9 不同硬度淬硬鋼的聲發(fā)射信號(hào)電壓-時(shí)間曲線Fig.9 Acoustic emission signals of voltage-time curves when milling different hardness hardened steels

(a)切削速度v的影響(fz=0.03 mm，ap=0.3 mm,ae=3 mm)

(b)每齒進(jìn)給量fz的影響(v=250 m/min,ap=0.3mm,ae=3 mm)

(c)軸向銑削深度ap的影響(v=250 m/min,fz=0.03 mm,ae=3 mm)

(d)徑向銑削深度ae的影響(v=250 m/min,fz=0.03 mm,ap=0.3 mm)圖10 切削參數(shù)對(duì)聲發(fā)射RMS值的影響Fig.10 The influence of cutting parameters on the acoustic emission RMS

根據(jù)金屬切削原理，隨著切削速度的增大，工件材料的剪切應(yīng)力增大，因而聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度增大。從圖10a中可以看出，當(dāng)切削速度處于50～100 m/min區(qū)間時(shí)，4種涂層刀具切削淬硬鋼S136時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值相差不大，且處于平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)切削速度處于100～200 m/min區(qū)間時(shí)，4種涂層刀具切削淬硬鋼S136時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值的增大速率快，基本與切削速度的增大成正比關(guān)系，且4種涂層刀具的聲發(fā)射RMS值增大速率從大到小依次為：TiSiN、CrSiN、TiAlN、AlCrN。TiSiN和AlCrN涂層在切削速度為250 m/min時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)，隨后聲發(fā)射RMS值的增大速率放緩。由圖5和表5可知，當(dāng)切削速度為250 m/min時(shí)，TiSiN涂層刀具切削淬硬鋼S136開(kāi)始產(chǎn)生穩(wěn)定的鋸齒形切屑，切屑基體平均厚度的大小發(fā)生變化。切屑形態(tài)從連續(xù)帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形的過(guò)程引起了聲發(fā)射信號(hào)的變化，而鋸齒形切屑的產(chǎn)生導(dǎo)致淬硬鋼材料發(fā)生折斷和集中剪切變形，并產(chǎn)生很強(qiáng)的聲發(fā)射信號(hào)，這與金屬材料斷裂的一般結(jié)論相符合。由圖7和表6可知，TiSiN和AlCrN涂層在切削速度為250 m/min時(shí)，兩者的切屑基體平均厚度的大小接近，分別為47.89 μm和48.28 μm，切屑基體厚度L的大小決定了淬硬鋼材料的斷裂程度，且隨著切削速度的進(jìn)一步增大，切削區(qū)域的溫度將升高，淬硬鋼材料會(huì)發(fā)生金屬軟化效應(yīng)，使得切削力減小，從而導(dǎo)致鋸齒形切屑的斷裂分離趨勢(shì)減緩[15]。TiAlN和CrSiN涂層在切削速度為200 m/min時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)，隨后聲發(fā)射RMS值的增大速率減小，這是因?yàn)殡S著切削速度的增大，涂層刀具與淬硬鋼工件之間的相互擠壓作用增強(qiáng)，由表3可知，TiAlN和CrSiN涂層的硬度值接近，分別為2 800HV和2 600HV，小于TiSiN和AlCrN涂層的硬度值3 600HV和3 000HV，涂層硬度值偏小將減弱對(duì)鋸齒形切屑的斷裂分離作用，從而使得聲發(fā)射拐點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的切削速度值偏小。此外，CrSiN涂層添加了Si元素，使涂層更加細(xì)微化，具有潤(rùn)滑性能，可進(jìn)一步減小摩擦因數(shù)。

從圖10b中可以看出，隨著每齒進(jìn)給量的增大，4種涂層刀具切削淬硬鋼S136時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值呈小幅增大趨勢(shì)，這是因?yàn)槊魁X進(jìn)給量的增大，使得切削面積增大，切屑發(fā)生彈性、塑性變形加劇，刀具與工件之間的摩擦增大，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值增大。TiSiN、CrSiN和AlCrN涂層產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值相差不大，但TiAlN涂層產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值則偏小。由圖7和表6可知，當(dāng)每齒進(jìn)給量為0.03 mm時(shí)，TiAlN涂層生成的鋸齒形切屑基體平均厚度為33.86 μm，遠(yuǎn)小于其他3種涂層生成的鋸齒形切屑基體平均厚度，鋸齒形切屑基體厚度L決定了鋸齒剪切帶的長(zhǎng)度，TiAlN涂層使得鋸齒形切屑易于分離折斷，從而導(dǎo)致鋸齒形切屑在斷裂過(guò)程中的聲發(fā)射RMS值偏小[13]；此外，Al元素的加入可在TiAlN涂層表面形成致密、完整的Al2O3保護(hù)膜，阻礙O原子向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，從而可提高TiAlN涂層的抗氧化性[16]。刀具涂層的完整性可有效減小刀具與工件之間的摩擦，進(jìn)而減小切削力、降低淬硬鋼材料的斷裂程度。

從圖10c中可以看出，TiSiN涂層產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值基本呈直線變化，而TiAlN、AlCrN和CrSiN涂層產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值則小幅波動(dòng)、緩慢增大，且均在軸向銑削深度ap=0.3 mm時(shí)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，但最終整體趨勢(shì)是緩慢增大。這是因?yàn)橐环矫骐S著軸向銑削深度的增大，使得切削厚度增大(即塑性變形區(qū)材料的體積增大)，進(jìn)而引起彈性、塑性變形總量以及刀具與工件之間摩擦的增大；另一方面隨著軸向切削深度的增大，淬硬鋼材料的切削變形率降低，使得塑性變形區(qū)淬硬鋼材料整體變形減小，所以引起聲發(fā)射RMS值發(fā)生如上變化。

從圖10d中可以看出，徑向銑削深度值的大小對(duì)CrSiN涂層刀具產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值的影響不明顯；TiSiN涂層刀具產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值在徑向銑削深度ae=3 mm時(shí)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，之后隨著徑向銑削深度的增大, 其聲發(fā)射RMS值顯著減??；TiAlN和AlCrN 涂層刀具產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值則隨著徑向銑削深度的增大呈緩慢增大趨勢(shì)，且與AlCrN涂層刀具相比，TiAlN涂層刀具產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值的增大速率較快。相對(duì)于上述3種切削參數(shù)的變化，徑向銑削深度的改變對(duì)聲發(fā)射RMS值的影響最不明顯。

3 結(jié)論

(1)聲發(fā)射信號(hào)可用來(lái)評(píng)價(jià)高硬度淬硬鋼材料硬度的變化。隨著淬硬鋼材料硬度的增大，聲發(fā)射RMS值增大。淬硬鋼在鋸齒形切屑形成過(guò)程中出現(xiàn)了周期性擠壓破裂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)能量快速變化，其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)電壓值遠(yuǎn)大于帶狀切屑生成時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)電壓值。當(dāng)淬硬鋼材料硬度高于HRC50時(shí)，淬硬鋼材料斷裂受金屬軟化效應(yīng)的影響，且鋸齒形切屑的產(chǎn)生將緩解因淬硬鋼硬度值的不同而導(dǎo)致的聲發(fā)射信號(hào)的差異。

(2)TiSiN、CrSiN和AlCrN涂層刀具產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值差異不大，但TiAlN涂層產(chǎn)生的聲發(fā)射RMS值則偏小，Al元素的加入提高了TiAlN涂層的抗氧化性和涂層的完整性，產(chǎn)生的鋸齒形切屑剪切帶長(zhǎng)度最小，從而使得鋸齒形切屑易于分離折斷。

(3)在同一種切削參數(shù)條件下，可根據(jù)淬硬鋼切屑變形特征的變化來(lái)間接評(píng)價(jià)涂層刀具的切削性能，且可根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)波形圖峰值的大小，較好地反映鋸齒形切屑的生成狀態(tài)，進(jìn)而可以用來(lái)監(jiān)控淬硬鋼加工過(guò)程的穩(wěn)定性。