结构参数对铣刀铣削淬硬模具钢性能的影响
发布时间：2021-03-27
摘要:研究了结构参数(前角、后角、螺旋角)对整体式铣刀切削加工模具钢SKD61时切削力、切削温度、刀具磨损特性和工作寿命的影响。结果表明:前角对切削力的影响程度大于后角;较大的前角有利于切屑的有效排除，降低切削力;较大的后角可降低切削力，但会一定程度降低切削刃的刚度，易引起切削刃的异常颤振和崩刃;在侧铣过程中，螺旋角越小，刀具与工件接触距离越长，刀具散热效果越好，且利于侧铣切屑的排除;刀具最终的失效方式均为前刀面出现大面积月牙洼磨损和崩碎脱落;在试验参数范围内，当刀具前角为7°、后角为10°、螺旋角为30°时，刀具切削性能最好。
关键词:淬硬模具钢;结构参数;铣削力;刀具磨损
1引言
淬硬钢成分中含有多种合金元素，经过淬火等热处理后具备很高的强度和硬度，其洛氏硬度可达40～65HRC，被广泛用于航空、航天、石油、化工等行业[1]。其中，SKD61(4Cr5MoSiV1)是一种广泛使用的热作模具钢，具备优良的机械性能，如硬度高、热疲劳抗性和韧性良好以及优良的耐磨性等，可以在高温高压下正常工作。经过淬硬处理后，SKD61模具钢硬度可达58HRC，是压铸模具最常用的材料。
淬硬钢作为典型的难加工材料，其传热性和塑性差，可加工性较差[2]。在切削加工时主要表现为:切削力大，加工稳定性差;刀具磨损快，且切削温度高，易再次加剧刀具磨损;形成锯齿状切屑时易造成高频振动。上述问题导致刀具极易发生快速磨损和崩刃，同时会影响工件的表面完整性，甚至在加工表面留下加工刀痕、擦伤等缺陷，造成工件局部应力集中，促使表面裂纹萌生，进而降低工件的疲劳寿命[3]。
目前，国内外学者针对淬硬模具钢的切削机理和切削工艺进行了大量的试验研究和有限元分析。J.Q.Wu等[4]对T10淬硬钢进行了单因素试验，铣削试验结果表明，低速铣削和高速铣削T10淬硬钢时所适用的铣削力预测模型并不一致;李刚等[5]基于斜角切削理论提出并建立了Cr12MoV淬硬钢干式铣削时的铣削力预测模型，经过切削试验验证，该模型预测值与实际值较吻合。TsaiM.K.等[6]进行了高速铣削SKD61淬硬钢的刀具磨损试验研究，建立了高速铣刀的寿命预测模型，可以对不同切削条件下的刀具寿命进行准确预测。朱振国等[7]使用PCBN刀具对42CrMo合金钢进行车削试验，对刀具磨损机理进行分析和探讨，得到了切削速度的最佳值。于云[8]用球头铣刀对模具钢进行切削试验，分析其加工及磨损失效机理，结果表明:合理的螺旋角可以增大实际前角，降低加工过程中的冲击，前角和后角会影响切削刃强度和锐度;刀具磨损形式主要为切削刃径向磨损，主要磨损机理为粘结磨损、硬质点磨损和扩散磨损。JanezKopacˇ等[9]用TiAlN涂层硬质合金铣刀进行了DIN-X38CrMoV53(50HRC)模具钢的铣削试验，研究了高速铣削条件下切削刃的磨损形式。林金萍[10]通过热电偶法对淬硬模具钢S136高速铣削中的切削温度变化规律进行了直接测量，结果发现在淬硬钢S136的高速切削时，切削速度对刀-工界面的温度影响最明显。进给速度的影响不如切削速度明显，进而推论对S136进行高速切削可以降低切削过程中工件和刀具的温度，有助于获得更好的加工精度和工件表面特性。现阶段，国内外的研究人员大多围绕淬硬模具钢的切削参数进行试验，对刀具结构参数的研究明显不足，因此有必要研究刀具结构参数对淬硬模具钢铣削加工性能的影响。
本文通过铣削淬硬模具钢SKD61切削试验，研究了刀具结构参数(前角、后角、螺旋角)对其切削力、断屑和磨损性能的影响，可有效指导SKD61淬硬模具钢构件高效铣削刀具的设计与开发。
2试验过程
2.1试验刀具、设备及工件
如图1所示，试验刀具均为直径8mm、圆弧半径0.5mm的整体硬质合金铣刀。不同铣刀的结构参数见表1，B铣刀为不等螺旋角立铣刀，切削刃的螺旋角分为35°和38°。三把铣刀均为AlTiN涂层铣刀。
图2是A、B、C三把铣刀测绘得到的距离底刃平面5mm处的截形轮廓。由图可见，A铣刀和B铣刀的槽型结构类似，A铣刀的容屑槽较B铣刀略大且曲线较平缓，而C铣刀的容屑空间则相对更大，更平缓。
采用日本森精机NV5000α1HSC高速加工中心进行铣削试验，试验过程中采用Kistler9257B测力仪型测量不同铣刀的铣削力，铣削过程如图3所示。采用韩国斗山DNM515数控加工中心进行不同铣刀的寿命试验，每次铣削距离为3m，每次加工完成后采用VMS-1510G影像仪测量铣刀后刀面的磨损值，直至后刀面磨损量达到0.3mm后结束铣削。
2.2试验方案
切削力试验和磨损试验采用的切削参数如表4所示。单次切削力试验结束后，收集切屑并保存。
3试验结果与分析
3.1切削力试验
试验测得的切削力如图4所示，主切削力与切削合力大小均为:A>C>B。可以看出:A铣刀在x，y，z三个方向的切削力都最大;B铣刀除了x方向切削力大于C铣刀，其他两个方向的切削力为三把铣刀中最小;C铣刀在x方向切削力最小，y和z方向切削力小于A铣刀。
三把铣刀中A铣刀的前角最小，周刃后角与B铣刀相同(为13°)，说明增大前角可以有效降低切削力。B铣刀的周刃前角与C铣刀都是7°，而其周刃后角为三把铣刀中最大，达到了13°，C铣刀的后角为9°，因此结构方面B铣刀比C铣刀更为锋利，刀刃强度方面C铣刀则更好。B、C铣刀的切削力对比说明，增大后角可以降低切削力。A铣刀前角增大4°，切削合力较B铣刀增大了21.4%;C铣刀后角减小4°，切削合力较B铣刀增大了10.3%，说明刀具前角对切削力数值的影响大于刀具后角。
3.2断屑性能
图5为三把铣刀在主轴转速为2000r/min，ap=10mm，ae=1.2mm，fz=0.03mm时得到的切屑。由图可见，C铣刀产生的切屑颜色整体呈现暗黄色并有个别区域向蓝紫色转变;B铣刀产生的切屑蓝紫色区域变得更多，说明其切削温度高于C铣刀;A铣刀产生的切屑则基本全部转变为蓝紫色，暗黄色区域较少，说明A铣刀的切削温度最高，切削温度由高到低为A>B>C。
虽然三把铣刀的螺旋角、周刃前角和后角都不尽相同，但是螺旋角的差别最大。螺旋角增大，刀具侧铣时切削刃的实际工作长度变短，导致切削热集中在一定范围内，故螺旋角对切削温度造成的影响最大。A铣刀的螺旋角达到了45°，在加大实际工作前角使得切削刃更锋利的情况下，也一定程度影响了切削刃的散热条件，使切削温度升高。B铣刀为不等螺旋角铣刀，其切削刃的螺旋角分别为35°和38°，均介于A铣刀的45°和C铣刀的30°之间，其切削温度也介于二者之间。为了降低切削温度，推荐采用30°左右的螺旋角。
3.3切削刀具磨损试验
图6为三种铣刀切削长度达到12m时的后刀面磨损。由图可见，三把铣刀均已出现比较明显的磨损，其中A铣刀磨损最平均，形成了光亮的磨损带，与未参与切削部分形成了明显的对比，在磨损带与未参与切削部分交界处出现了少量工件材料沉积，此时后刀面磨损量为0.156mm;B铣刀总体来说磨损较均匀，出现了光亮磨损带，但在磨损带上出现多条密集的细沟槽，同时其切削刃上还出现了细小的崩口。这种现象是因为切削的工件材料硬度较高，且存在一些微小的硬质点，硬质点在切削过程中起到耕犁作用，对刀具表面造成划伤，出现沟纹，使切削刃局部强度降低，甚至产生破碎。另外，B铣刀同样存在工件材料粘结沉积的情况，此时B铣刀的磨损值为0.194mm，C铣刀的磨损小于A铣刀和B铣刀，无明显的工件材料粘结沉积现象，刀刃上出现小的崩口，此时其磨损值为0.106mm。
三把铣刀的失效原因并非后刀面的正常磨损达到临界值，而是切削刃的前刀面出现了大小不等的月牙洼磨损、材料崩碎和脱落(见图7)。A铣刀出现了面积较大且较浅的前刀面月牙洼磨损和刀具材料崩碎;B铣刀前刀面出现了磨损和崩碎，但其最明显的失效是刀尖处前刀面的大片崩碎和脱落;C铣刀与A铣刀失效情况类似，但崩碎较深。这也是切削硬材料时铣刀常见的失效方式之一。磨损是逐渐发展的过程，破损则是突发现象。在切削加工一段时间后，由于机械冲击和热冲击的频繁作用，刀体会出现肉眼难以察觉的各向裂纹。随着切削的继续进行，裂纹会持续进行合并和扩展，最终引起切削刃的突发性碎裂或者断裂。
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三把铣刀的最终磨损曲线如图8所示。三把铣刀的磨损趋势类似，失效形式也类似。在图8的三条折线中，除最后一个点表示前刀面的崩碎和月牙洼磨损值外，其余数据点均表示切削刃上的后刀面磨损值。在该标准下，三把铣刀寿命顺序为C>A>B。参考图2中三把铣刀截形可知，C铣刀的容屑槽更大更平缓，比A、B铣刀拥有更好的排屑效果，所以一定程度上可以降低磨损。如果要获得比较理想的切削力和延缓刀具的磨损，可以选择增加刀具前角，调整后角以保证容屑槽容量更大。
4结语
本文主要研究了刀具不同结构参数对铣刀侧铣切削性能的影响，主要结论如下:
(1)随着刀具前角和后角的增大，刀具切削力呈逐渐减小的趋势;对切削力的影响为前角大于后角。当前角为7°、后角为13°时，刀具的切削力最小。
(2)铣削温度对螺旋角的变化最敏感，螺旋角增大会导致切削热集中，严重影响刀具寿命，螺旋角为30°时可得到最低的切削温度。
(3)所选刀具最终的失效方式均为前刀面出现大面积月牙洼磨损和崩碎脱落，且均发生了不同程度的粘结磨损和磨粒磨损。
(4)较大的前角可利于切屑的有效排除，降低切削力;较大的后角可降低切削力，但会一定程度降低切削刃的刚度，易引起切削刃的异常颤振和崩刃;在侧铣过程中，螺旋角越小，刀具与工件接触距离越长，刀具散热效果越好，且利于侧铣切屑的排除。
(5)综合考虑各参数的影响规律，在试验参数范围内，当刀具前角为7°、后角为10°、螺旋角为30°时，刀具切削性能最好。——论文作者：郭皓邦1，张航2，李钰1，雷学林2
