山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司 山西太原 030031

1 序言

不銹鋼在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，其性能要求越來越高。3Cr13Cu是一種馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分中含碳量高且經(jīng)熱處理后具有很高的硬度，主要用于制造高硬度耐磨彈簧、量具、刀具、醫(yī)療器械及餐具等。馬氏體不銹鋼切削過程中切削力大、切削溫度高且刀具磨損嚴(yán)重，是一種典型的難加工材料。

不銹鋼的切削加工過程中切削力和鋸齒形切屑對(duì)刀具壽命和已加工表面質(zhì)量有很大的影響。對(duì)于易形成鋸齒形切屑的材料，由于熱塑性失穩(wěn)導(dǎo)致的切屑變形集中、切屑呈節(jié)狀和應(yīng)變率強(qiáng)化等因素，速度對(duì)切削力的影響不會(huì)太明顯。高速下切削力隨著切削速度的增加會(huì)因材料的熱軟化而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)金屬切削加工過程中的切削力進(jìn)行預(yù)測(cè)，式中的參數(shù)大小和正負(fù)代表了不同的物理意義。但考慮刀具磨損的切削力經(jīng)驗(yàn)公式很少研究，且刀具磨損時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響同樣很少在文獻(xiàn)中公布。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料為硬度44HRC的馬氏體不銹鋼3Cr13Cu，工件尺寸為50mm×70mm×150mm，熱處理工藝為淬火（950～1000℃保溫后油中冷卻）后經(jīng)430～480℃回火。實(shí)驗(yàn)刀具采用通用方肩面銑刀CoroMill 290（R290-100Q32-12L），銑刀盤的直徑為100 mm，刀片安裝后的切削刃角Kr為90o，刃傾角12o。選用了2種類型的刀片，分別是金屬陶瓷刀具（R290-12T308M-PM 530）和硬質(zhì)合金PVD涂層刀具（R290-12T308M-PM 1030，以下稱為硬質(zhì)合金刀）。工件刀具的裝夾如圖1所示。

加工參數(shù)的具體設(shè)置見表1，加工過程不使用切削液，每個(gè)加工參數(shù)使用一個(gè)新的刃口，并銑削一個(gè)長(zhǎng)度150mm工件后測(cè)量刀具的磨損。采用Kistler 9253B23測(cè)力儀，5070A型電荷放大器及相關(guān)的設(shè)備采集加工過程中的切削力。

圖1 工件刀具裝夾

表1 加工參數(shù)

3 結(jié)果及分析

3.1 切削力分析

如圖2所示為銑削示意，圖中A、B所處位置分別為剛切入工件的區(qū)域和即將切出工件的區(qū)域。對(duì)A、B兩個(gè)區(qū)域的切削力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2種刀具在A、B 2個(gè)區(qū)域的切削力對(duì)比如圖3所示。2種刀具的切削力隨切削速度的變化規(guī)律相似，隨切削速度的增加先增加后減少，最后再增加。金屬陶瓷刀片在切削速度140m/min時(shí)切削力達(dá)到一個(gè)波峰值，在切削速度為230～260m/min時(shí)達(dá)到一個(gè)波谷值。硬質(zhì)合金刀片在切削速度170m/min時(shí)切削力達(dá)到一個(gè)波峰值，在切削速度為230～260m/min時(shí)達(dá)到一個(gè)波谷值。經(jīng)分析，切削速度＜140m/min時(shí)，切削溫度較低，工件材料保持足夠的硬度，切削速度增加使得單位時(shí)間去除的材料增加，導(dǎo)致切削力增加；切削速度為170～260m/min時(shí)，切削速度的增加使得切削溫度增加明顯，軟化工件切削區(qū)材料，導(dǎo)致切削力降低；當(dāng)切削速度＞260m/min時(shí)，金屬陶瓷刀具在高頻斷續(xù)切削過程中，容易產(chǎn)生微裂紋然后擴(kuò)展成崩刃，造成切削力增大。同樣硬質(zhì)合金刀具在高速切削下因切削區(qū)的高溫，容易造成刀具磨損，導(dǎo)致切削力增大。

如圖3所示，切削一個(gè)工件長(zhǎng)度后，在切削速度＜140m/min區(qū)域，切削力增加相對(duì)較少；切削速度為140m/min時(shí)，金屬陶瓷刀片3個(gè)分力平均增加幅度為22%，硬質(zhì)合金刀片3個(gè)分力平均增加幅度為27.5%；切削速度＞140m/min后，切削力增加明顯，且增大的幅度越來越大；切削速度為290m/min時(shí)，金屬陶瓷刀片3個(gè)分力平均增加幅度為138.7%，硬質(zhì)合金刀片3個(gè)分力平均增加幅度為72.3%。

圖2 銑削示意

圖3 A、B兩區(qū)域的切削力對(duì)比

2種刀具不同區(qū)域的切削力對(duì)比，如圖4所示。由圖4a可知，切削速度在140～230m/min時(shí)，2種刀具在A區(qū)域切削時(shí)硬質(zhì)合金刀具的切削力較大。由圖4b可知，在B區(qū)域切削時(shí)，金屬陶瓷刀具的切削力較大。原因是切削速度在140～230m/min時(shí)，切削溫度對(duì)硬質(zhì)合金刀具影響更大，使得其磨損更大，導(dǎo)致切削力較大。而在斷續(xù)切削加工時(shí)切削相同距離后，金屬陶瓷刀具的崩刃或磨損更加嚴(yán)重，使得切削力較大。

圖4 2種刀具不同區(qū)域的切削力對(duì)比

3.2 切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)分析

在不考慮刀具磨損的情況下，切削力的經(jīng)驗(yàn)公式見式（1），考慮刀具后刀面平均磨損時(shí)，切削力的經(jīng)驗(yàn)公式見式（2）。

式中，F(xiàn)切削力（N）；a是修正系數(shù)；b是常數(shù)；c是常數(shù)；d是常數(shù)；v是切削速度（m/min）；ap是切削深度（mm）；f是進(jìn)給量（mm/z）。

式中，F(xiàn)切削力（N）；a是修正系數(shù)；b是常數(shù)；c是常數(shù)；d是常數(shù)；e是常數(shù)；v是切削速度；ap是切削深度（mm）；f是進(jìn)給量（mm/z）；VB是刀具后刀面磨損量（mm）。

采用線性回歸的方法，獲得2種刀具的A、B區(qū)域和考慮VB即刀具磨損的切削力計(jì)算公式，金屬陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)見表2和表3。根據(jù)參數(shù)項(xiàng)的變化分析各因素對(duì)切削力的影響，金屬陶瓷刀具切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)的變化如圖5所示。由圖5a可知Fy的常數(shù)a最大，且刀具磨損較大時(shí)，常數(shù)a也越大?？紤]刀具磨損后，公式中的常數(shù)a與B區(qū)域中的相似。

硬質(zhì)合金刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)如圖6所示，由圖6可知，B區(qū)域和考慮刀具磨損的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)，趨勢(shì)非常相似，且Fx和Fy的b、c和d的數(shù)值變化都較小，但常數(shù)a的數(shù)值減少明顯。由圖5和圖6可知，刀具未磨損時(shí)，隨著切削速度的增加切削力整體的趨勢(shì)是減少；刀具磨損后，切削速度增加導(dǎo)致切削力增加。

綜上所述，刀具磨損初期，切削速度增加使切削力從整體上減少；刀具磨損后，切削速度增加使切削力從整體上增加。因此，在切削速度較高時(shí)，切削一定距離后，刀具磨損急劇增加。

表2 金屬陶瓷刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)

表3 硬質(zhì)合金刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)

圖5 金屬陶瓷刀具切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)的變化

圖6 硬質(zhì)合金刀具的切削力經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)

4 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析可知，在切削一個(gè)工件長(zhǎng)度150mm后，金屬陶瓷刀具的切削力較大，原因是斷續(xù)切削加工時(shí)，相同切削距離下金屬陶瓷刀具的磨損更加嚴(yán)重。刀具磨損初期，切削速度增加使切削力從整體上減少；刀具磨損后，切削速度增加使切削力從整體上增加。從切削力的角度判定，2種刀具適合在切削速度230m/min左右使用，金屬陶瓷刀具不適合在高速斷續(xù)切削中使用。