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高硬度淬硬钢模具高速铣削性能研究 摘要 大型汽车覆盖件模具是汽车生产的关键工艺，其复杂的结构部分大多 采用拼接式淬硬钢加工而成，并且在铣削加工区内的淬硬钢具有多级差比 例的多种高硬度表面( 硬度h r c 5 0 一h r c 6 5 ) 。对于加工这些零件的工艺难 度较大、加工精度高，并且在加工过程中材料的去除量很大，加上材料的 总利用率颇低，使得切削加工在总加工工时中的比例逐渐增加。故而将高 速切削技术应用在加工此类零件上，这对于降低生产加工成本和缩短零件 的交付周期都具有实际的意义。 本文以多种硬度拼接的高硬度淬硬模具钢材料c r l 2 m o v ( h r c 6 5 、 h r c 6 0 、h r c 5 5 、t m c s o ) 、7 c r s i m n m o v ( h r c 6 5 、h r c 6 0 、h r c 5 5 、h r c 5 0 、) 为研究对象，选用大直径涂层刀具进行高速铣削加工实验，分别研究了： 1 不同的铣削参数( 铣削速度、进给速度、轴向切深、径向切深、刀 具悬伸量、刀具切削方向) 下铣削过程中铣削力特征，在( j c 8 0 0 8t i a l n d = 3 0 m m ，z = 2 ，n = l3 0 0 0 r p m ，l = 1 3 0 m m ，v c = 1 2 2 5 m m i n ，v f = 3 0 0 0 m m m i n ， a p = 0 3 m m ，a e = o 5 m m ，顺铣，干切削) 的加工参数下，优选出球头铣刀高速铣 削淬硬钢模具的最佳铣削方向如下：高速铣削c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 与 c r l 2 m o v ( h r c s 0 ) f l 勺拼接，刀具从大硬度到小硬度，从上至下，铣削方向 与水平成15 。夹角；高速铣削c r l 2 m o v ( h r c 6 0 ) 与c r l 2 m o v ( h r c 5 5 ) 的 拼接，刀具从大硬度到小硬度，从上至下，铣削方向与水平成3 0 。；高速 铣削c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 与7 c r s i m n m o v ( h r c s 0 ) 的拼接，刀具从大硬度到 小硬度，从上至下，铣削方向与水平成15 。夹角；高速铣削c r l 2 m o v ( h r c 6 0 ) 与7 c r s i m n m o v ( h r c 5 5 ) 的拼接，刀具从大硬度到小硬度，从上至 下，铣削方向与水平成15 。夹角； 2 不同涂层刀具( t i a l n 、t i n 、t i s i n 、t i c n 、t i a l s i n 、a 1 2 0 3 ) 对 高硬度淬硬钢模具c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 在不同加工工序阶段的匹配性能，分 析铣削过程中的铣削力、铣削振动、铣削温度、工件加工表面形貌及表面 质量与刀具磨损的实验特征，针对在精加工工艺阶段，所优选出适合高速 铣削淬硬钢模具c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 的最优涂层刀具是t i a l n 涂层刀具；在 半精加工工艺阶段，所优选出适合高速铣削淬硬钢模具c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 的最优涂层刀具是t i a l s i n 涂层刀具； 3 高硬度淬硬钢模具c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 的动力学特性，并通过稳定性 l o b e s 图来选择高效、稳定的铣削加工工艺参数。在理论仿真模型和本实验 条件下，基于选用直径为3 0m m 的球头铣刀铣削加工高硬度淬硬钢 c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) ，推荐的铣削加工参数为：n = 1 0 0 0 0r p m ，v 。= 9 4 2m m i n ， v f = 3 0 0 0r a m r a i n ，a p - 4 6m m ，选用此加工工艺参数可以更好地实现高的材 料去除率，降低刀具磨损速度，延长刀具的使用寿命，从而实现高效地铣 削加工。 关键词：高速铣削拼接处铣削力刀具优选稳定性铣削l o b e s 图 s t u d yo fm i l l i n gp e r f o r m a n c ef o r h i g h s p e e d m i l l i n gh a r d e n e ds t e e lm o l do fh i g hh a r d n e s s a b s t r a c t t h el a r g ec o v e rm o l do ft h ec a ri st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ea u t o m o b i l e p r o d u c t i o n ，a n di t sc o m p l e xs t r u c t u r a lp a r t sa r em o s t l ym a d eu s i n gs p l i c i n g h a r d e n e d s t e e l ，w h i c h h a sas u r f a c eo ft h ed i f f e r e n t i a lr a t i oh a r d n e s s ( h a r d n e s s h r c 5 0 - h r c 6 5 ) i nt h em i l l i n ga r e ao f h a r d e n e ds t e e l w h a t sm o r e ， t h ea m o u n to fm a t e r i a lr e m o v e di sl a r g ed u r i n gt h ep r o c e s s i n g ，a n dt h et o t a l u t i l i z a t i o no ft h em a t e r i a li sv e r yl o w ，w h i c hr e s u l ti na g r o w i n gp r o p o r t i o no f t o t a lw o r k i n gh o u r si nt h ep r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，w ea p p l i e dt h eh i g h - s p e e d c u t t i n gt e c h n o l o g yi ns u c hp a r t si no r d e rt oi m p r o v eah i g h e rm a t e r i a lr e m o v a l r a t eo nt h eb l a n k ，i th a st h er e a l i t ys i g n i f i c a n c et os h o r t e nt h ed e l i v e r yc y c l eo f p a r t sa n dr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t i nt h i sp a p e r ，w em a d et h eh i g hh a r d e n e dm o s a i cm o l ds t e e lm a t e r i a l so fa v a r i e t y o fh a r d n e s s c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ，h r c 6 0 ，h r c 5 5 ，h r c 5 0 ) ， 7 c r s i m n m o v ( h r c 6 5 ，h r c 6 0 ，h r c 5 5 ，h r c 5 0 ) a sr e s e a r c ho b j e c t s ，c h o o s i n g l a r g e rb a l lc o a t e dt o o l st om a d eh i g h s p e e dm i l l i n ge x p e r i m e n t 1 t h ed i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r s ( m i l l i n gs p e e d ，f e e ds p e e d ，a x i a lc u t t i n g d e p t h ，r a d i a lc u t t i n gd e p t h ，t o o lo v e r h a n g ，t o o lm i l l i n gd i r e c t i o n ) o nm i l l i n g f o r c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x p e r i m e n ta r es t u d i e d w eh a v em a d ee x p e r i m e n t s o nt h em o l dm a t e r i a l so fd i f f e r e n th a r d n e s sd i f f e r e n c eo ft h es a m eh a r d n e s s ( s m a l lh a r d n e s sa n db i gh a r d n e s s ) ，t h em o l dm a t e r i a l so fd i f f e r e n th a r d n e s s d i f f e r e n c eo ft h ed i f f e r e n th a r d n e s s ( s m a l lh a r d n e s sa n db i gh a r d n e s s ) ，a n dh a v e s u m m a r i z e dt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rt h et y p i c a lm o s a i ch a r d e n e dm o l d s t e e l ； 2 t h em a t c hp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tc o a t e dt o o l s ( t i a i n ，t i n ，t i s i n ， t i c n ，t i a i s i n ，a 1 2 0 3 ) a n dd i f f e r e n tp r o c e s s i n gp h a s e si nt h em i l l i n gp r o c e s s ， i ! i t h em i l l i n gf o r c e ，m i l l i n gv i b r a t i o n ，m i l l i n gt e m p e r a t u r e ，w o r k p i e c es u r f a c e t o p o g r a p h y ，s u r f a c eq u a l i t ya n dt o o l w e a rc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d w e o p t i m i z e dt i a l nc o a t e dt o o l a s o p t i m a lc u t t i n gt o o l f o rh i g h - s p e e dc u t t i n g h a r d e n e ds t e e lm o l do fc r l2 m o v ( h r c 6 5 ) i nt h ef i n i s h i n gp h a s e ；w h i l ei nt h e s e m i f i n i s h i n gp h a s e ，f o rh i g hs p e e dc u t t i n gh a r d e n e ds t e e lm o l dc r l2 m o v ( h r c 6 5 ) ，t h eo p t i m a lc o a t e dt o o li st i a l s i nt o o l ； 3 t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h h a r d n e s sh a r d e n e ds t e e lm o l d c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) ，s t a b i l i t yf a c t o ri nt h em i l l i n gp r o c e s s ，t h es i m u l a t i o no f s t a b i l i t yl o b e sd i a g r a ma r es t u d i e d i nt h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nm o d e la n dt h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，b a s e do nt h eh i g hh a r d n e s s ，w er e c o m m e n d e dc u t t i n g p a r a m e t e r sf o rt h es e l e c t i o no fd = 3 0m mb a l lt o o lm a c h i n i n gh a r d e n e ds t e e l c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) ：n 2 10 0 0 0r p m ，v c = 9 4 2m m i n ，v f = 3 0 0 0m r n m i n ，a p = 4 6 m m ，t h eo p t i o n a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sc a nb e t t e ra c h i e v eh i g hm a t e r i a l r e m o v a lr a t ea n dr e d u c et h et o o lw e a rr a t e ，e x t e n dt o o ll i f e ，i no r d e rt oa c h i e v e e f j f i c i e n tc u t t i n g k e y w o r d s ：h i g h s p e e dm i l l i n g ；m o s a i cm i l l i n gf o r c e ；c u t t i n gt o o l s o p t i m i z a t i o n ；s t a b i l i t ym i l l i n g ；l o b e sd i a g r a m i v 符号说明 v v i l l 耖( i o 。) 交叉的传递函数 无量纲 厂西大掌硕士学位葭艺赶 高硬度淬硬钢韵具高速铣肖性能研究 1 1 课题研究的背景与意义 第一章绪论 大型汽车覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工代表汽车模具制造水平，己成为世界各国 汽车模具制造业重点研究和发展的关键技术之一。大型汽车覆盖件模具是汽车生产的关 键工艺，由于其加工质量和精度要求高，凸、凹模和刃口部分结构复杂，自由型面上存 在大量沟槽、转角、凸起、凹陷，制造难度大，多采用整体式和拼接式淬硬钢铣削加工 而成，其加工区域存在多级差比例的多种高硬度表面( h r c 5 0 h r c 6 5 ) 。对于加工这 些零件的工艺难度较大、加工精度高，并且在加工过程中材料的去除量很大，加上材料 的总利用率颇低，使得切削加工在总加工工时中的比例逐渐增加。故而将高速切削技术 应用在加工此类零件上，这对于降低生产加工成本和缩短零件的交付周期都具有实际的 意义。此外，影响零件加工质量的关键因素是切削加工的变形，同时由于高速切削技术 可以降低切削力，减少零件的加工变形，其比较适合加工此类零件。目前，我国大型精 密高档汽车覆盖件淬硬钢模具主要依赖进口，高硬度淬硬钢模具高速铣削振动和刀具使 用寿命不足等问题严重制约着汽车模具的使用寿命、成形精度和生产效率的提高。 哈飞汽车模具制造有限责任公司是哈飞工业集团的子公司企业，主要负责从事大型 汽车内外覆盖件冲压模具( 图1 - 1 ) 、焊装夹具和检具的的设计与制造，并被众多世界 知名客商评选为最出色的供货商之一。一直以来，哈汽车模具公司在对汽车大型覆盖件 淬硬钢模具( c r l 2 m o v 和7 c r s i m n m o v ) 以及不同硬度( h r c 5 0 一h r c 6 5 ) 的拼接( 图 1 3 ) 加工时，由于多种不同硬度的高硬度淬硬模具钢拼接处的加工质量直接影响到工 件的质量，而合理的选择切削参数可以保证工件的加工质量，同时可以延长刀具使用寿 命。因而，提供高效、高速的加工工艺参数显得颇为重要；对于在不同工艺加工过程中 刀具的选择，往往是通过刀具生产厂商提供的通用数据或凭常规切削经验来选取相应的 切削刀具，缺乏基础的理论指导，难以找到与不同工艺阶段相匹配的高效切削刀具；在 加工高硬度淬硬模具钢时，由于切削过程的稳定性直接影响到高效、高速的加工，迫切 需要提供高的材料去除率的稳定性加工工艺参数。 广西大学硕士学位论文 高硬度淬硬钢模具高速铣削性能研究 ( a ) h t 3 0 0 ( c ) 7 c r s i m n m o v ( b ) t 1 0 a 图1 1 不同材料的汽车模具 ( d ) c r l 2 m o v f i g 1 1a u t om o l d so fd i f f e r e n tm a t e r i a l s 加工配合嚣 二互 捞援 支之 “、一、 j 冷4 磊辔铽蟹| 7 、1 y 一、，。 z 、 图1 2 加工拼接式模具的工艺流程 精加工 f i g i 一2m a c h i n i n gp r o c e s so fs p l i c i n gm o l d s 2 y - - 西大学硕士学位论文 高硬度淬硬钢糟 具孺f 速铣削性囊皂研究 图1 3 拼接式的模具 f i g 1 - 3t h es p l i c i n gm o l d s 本文以多种硬度拼接的高硬度淬硬模具钢材料c r l 2 m o v ( h r c 6 5 、h r c 6 0 、h r c 5 5 、 h r c 5 0 ) 、7 c r s i m n m o v ( h r c 6 5 、h r c 6 0 、h r c 5 5 、h r c 5 0 ) 为研究对象，选用大直径涂 层刀具进行高速铣削加工实验，分别研究了：( 1 ) 不同的铣削参数( 铣削速度、进给 速度、轴向切深、径向切深、刀具悬伸量、刀具切削方向) 下铣削过程中铣削力特征； ( 2 ) 不同涂层刀具( t i a l n 、t i n 、t i s i n 、t i c n 、t i a i s i n 、a 1 2 0 3 ) 对高硬度淬硬钢模具 c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 在不同加工工序阶段的匹配性能，分析铣削过程中的铣削力、铣削振 动、铣削温度、工件加工表面形貌及表面质量与刀具磨损的实验特征，进而优选出针对 不同的加工工艺阶段与之相匹配的最佳涂层刀具；( 3 ) 高硬度淬硬钢模具 c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 的动力学特性，影响铣削过程中颤振稳定性的因素，以及稳定性l o b e s 图的建模仿真方法，通过稳定性l o b e s 图的仿真来选择高效、稳定的加工工艺参数。 3 广西大学硕士学位论文高硬度淬硬钢榍惧高速铣削性能研究 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 高速切削技术的概述 二十世纪三十年代德国物理学家c a r ls a l o m o n l l l 第一次公布其高速切削理论，在文 中提出了一种高速切削的概念。如何将高速加工( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ，h s m ) 技术或 高速切削( 1 1 i g hs p e e dc u t t i n g ，h s c ) 技术更好地应用于制造业，长期以来一直被人们关 注与探讨。到目前为止，高速切削加工没有标准的定义，而只是一个相对概念1 2 , 3 1 。 当前，切削加工技术正在向着高速切削( 一般指高转速切削) 和高性能切削( h i g h p e r f o r m a n c ec u t t i n g ，h p c ) ，这两个具有不同特征的方向发展，其中，h p c 又特指高去 除率加工( h i g hv e l o c i t ym a c h i n i n g ，h v m ) 。高速切削主要用于切削速度非常高，但是， 材料的去除率又相对较低的场合，这样要求必须在高转速切削机床上才能实现；高去除 率加工高性能切削的切削速度介于常规切削速度和高切削速度之间，但有很高的材料去 除率，见图1 4 。 高性施加工商速加i ： 图1 4 高性能加工与高速加工对比4 1 f i g 1 4t h ec o m p a r i s o no fh i g hp e r f o n n a n c ep r o c e s s i n ga n dh i g h s p e e dp r o c e s s i n g 【4 l 在高速切削过程中，刀具磨损、己加工工件表面质量和加工精度要求、切削力、材 料去除率和切削热等诸多因素对切削条件的优化选择有着决定性的影响( 如图1 5 ) 。 对于高速切削技术的优势在于：提高d n - t 效率、减4 , d n ：- 时问、降低加工成本、提高加 工质量( 如图1 6 ) 。 广西大学硕士掌位论文 高硬度淬硬钢韵；具高速铣削性冀皂研究 图1 5 影响高速切削的重要因素1 5 1 f i g 1 - 5t h ei m p o r t a n tf a c t o r st oa f f e c th i g hs p e e dc u t t i n g 5 i 图1 6 高速切削技术的优势1 6 j f i g 1 6t h ea d v a n t a g eo fh i g hs p e e dc u t t i n g 【6 | 1 2 2 淬硬钢切削刀具材料与刀具涂层材料 切削刀具的性能由刀具材料、结构及其几何参数所决定，其中，刀具材料对刀具的 使用寿命、加工质量及加工效率的影响最为显著。而在高速铣削过程中，由于切削厚度 的变化而引起地断续切屑，会使得刀具内热应力以较高频率地发生周期性变化，从而加 剧刀具的磨损速度口1 。所以，在高速切削过程中，不但要求刀具的材料要具有普通刀具 5 - - 西大学硕士学位论文高硬度淬硬钢模具高速铣肖u 性冀邑研究 材料最基本的切削性能，而且还特别地强调刀具材料具有较好地力学性能、抗热冲击性 能、高可靠性以及高耐热性，而涂层刀具恰恰是应对这一问题的最佳解决方案哺1 0 。 涂层刀具是指在具有高韧性以及高强度的基体上涂抹一层或多层抗磨损、抗高温的 材料n 卜1 5 1 。涂层刀具常用的涂层材料常主要包括有：t i n ( 图1 7 ( a ) ) 、a 1 2 0 3 、t i c 、 t i c n ( 图1 7 ( b ) ) 、t i a l n ( 图1 7 ( c ) ) 、金刚石或类金刚石( d l c ) 涂层、c b n 等。在性能上t i n 涂层可以减小月牙洼磨损；a 1 2 0 3 具有很好的高温化学稳定性；t i c 涂层具有抵抗后刀面磨损；t i a i n 具有低导热性的特点，尤其当用于高速切削性能很好； 金刚石或类金刚石( d l c ) 涂层是新型刀具材料之一，它具有高硬度、低摩擦系数、低 脆性、高的承载能力；立方氮化硼c b n 是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬材 料，它具有超高强度、高耐磨性、低摩擦系数、低热膨胀系数n 6 ，1 。 黧 ( a )t i n 氮碳 钊 震 。品 ( c ) ，i 、i a l n 图1 7 不同涂层构成原理1 1 8 i f i g 1 7t h ec o m p o s i t i o np r i n c i p l eo ft i a i nc o a t i n g i l 8 l 础褥铁霉 撼饫震 节黧 广西大学硕士学位论文高硬度淬硬钢杩溟高速铣肖性能研究 1 2 3 淬硬钢高速铣削的铣削力 铣削力是描述切削过程重要的物理参数之，它的大小直接影响到切削热的产生， 从而进一步影响刀具的磨损、破损、崩刃、刀具的使用寿命以及工件的表面加工质量。 阎兵n 建立了考虑刀杆柔性的球头铣刀铣削振动模型，探讨了交变轴向力对刀杆固有频 率的影响。考虑刀具动态变形和工件表面波纹对切削厚度的再生反馈，建立了球头刀铣 削动力学模型。庞俊忠乜町选用t i a l n 涂层球形立铣刀对p 2 0 ( h r c 4 1 、h r c 3 3 ) 以及4 5 号钢( h r c 5 2 、h r c 4 8 、h r c 4 2 ) 进行铣削试验的研究，在基于剪切角理论与材料形变状 况下的流动应力模型，分析材料性能、工件的硬度以及切削速度对切削过程中切削力的 影响。在试验中所选用的切削参数：每齿进给量铲o 1 m m ，切削速度为v 。= 1 5 6 8 1 6 m m i n ，切削宽度为a w = l m m ，轴向切削深度为a p = 3 m m 。结果表明：高速铣削淬硬 钢产生锯齿形切屑，切削速度和工件硬度对切削力有显著影响。吴卫国瞳采用球头铣刀 铣削c r l 2 m o v ( h r c 6 2 h r c 6 4 ) 模具钢的实验，把切削用量对切削力和工件表面粗糙度 的影响规律作为研究对象，并分析了引起这中结果的原因，研究结果表明：当球头铣刀 铣削c r l 2 m o v ( h r c 6 2 h r c 6 4 ) 淬硬钢时，其轴向力远高于径向力；铣削力与工件表面 粗糙度随着进给速度的增加而增大，当进给速度超过1 5 0 m m m i n 时，表面粗糙度值的 增加程度显著加快；当切削速度增加时，铣削力和工件表面粗糙度呈下降走势，但其下 降走势低于普通切削的变化；在轴向切深较小时，表面粗糙度及铣削力随着轴向切削深 度的增加而改变程度较小，在轴向切深超0 2 m m 之后，随着轴向切深的不断增加，铣 削力及表面粗糙度值都在迅速增加。 e l b e s t a w i 乜2 1 等人选用直径巾= 1 2 m m 的刀具加工淬硬模具钢 a i s ih 1 3 ( h r c 4 5 和h r c 5 5 ) ，研究表明：在高速切削情况下，切削力的平均变化幅度减 少；切削过程中切削力减小的其本质与金属材料的变形、切屑与刀具、刀具与已加工表 面问的摩擦状况相关，当进给速度和轴向切深超过特定值时，切削力的变化程度较小， 形成稳定地切削过程。j p u r b a n s k i1 2 3 1 1 使用中= 1 2m m 的整体式球头涂层铣刀高速铣削 淬硬钢模具a i s ih 1 3 ( h r c 5 2 ) ，研究表明：轴向铣削分力高于其他铣削分力，随着刀具 的不断磨损，轴向铣削分力的增大速度显著加快。 本课题组中秦哲乜们采用巾6 m m 的t i s i n 、t i a l n ，铣削淬硬钢s 1 3 6 ( h r c 5 1 ) 和 s k d ll ( h r c 6 5 ) ，发现：工件的硬度越高，切削力就越大：刀具直径越大，切削力也越 高；切削力随着切削速度的增加而增加；随着轴向切深的增大，切削力呈增大趋势；每 广西大昔页士学位截x 高硬度淬硬钢模具高速铣削性能研究 齿进给量的增加，切削力也成比例增加。余东海船副采用q b = 6 m m 的六种不同涂层刀具切 削p 2 0 ( h r c 5 0 ) 模具钢，得出切削力大小： t i a l s i n t i c r a i s i n t i a i n t i c r s i n t i c r a l n t i a i n t i s i n t i n 。 1 2 4 淬硬钢高速铣削铣削温度与铣削热 铣削热与铣削热是高速加工所研究的重要内容，高速铣削温度的分布状况和变化规 律是分析高速铣削过程的主要依据之一，其对实际应用具有重要的指导意义。 华南理工大学的乐有树啪3 研究了涂层刀具高速铣削热作模具钢h 1 3 钢的切削温度、 刀具后刀面温度、表面质量问题。得到的结论是：在h 1 3 钢的高速铣削中，刀件工界 面温度随着切削速度、背吃刀量、进给速度的增大而增大；刀具后刀面定点的温度随着 切削速度的增大而增大；工件铣削后的表面粗糙度值随着切削速度的增大而减小，达到 一定速度后又增大；工件端面的最高温度随着切削速度的增大而增大；在低速段工件端 面的最高温度随进给速度的增大而增大，在高速段随进给速度的增大而减小，工件端面 最高温度处的温度梯度很大。李龙涛瞻刚用热源法对刀一屑摩擦热源的温度场和剪切热源 进行了理论计算，建立了端铣加工区的温度场传热模型，研究表明：刀屑摩擦热源会 产生刀具切屑温度场分布方程，而剪切热源会形成工件一切屑温度场方程；并将在二者 耦合下的刀具切屑的温度场分布方程引入到端铣加工过程中，进而得到了端铣切削温 度场分布模型。陆爱华0 l 以高速铣削镍基合金g h 4 1 6 9 时的切削温度作为研究对象。研 究表明：切削速度对铣削温度的影响最显著，其次是径向切深，最小是每齿进给量。范 伟口首先基于红外测温原理，建立了刀具监控系统，并对刀具监控系统的红外测温误差 进行了研究；然后通过建立铣刀的三维模型并确定铣刀温度场的边界条件，分析了铣刀 r 广西大掌硕士掌位论文高硬度淬硬钢鹤惧高速铣肖d 档溅研究 前刀面在稳定铣削状态下的温度分布情况；最后用试验研究表明刀具表面温度变化能够 反映切削区温度的变化，试验表明：表面切削速度v 。、每齿进给给量、径向切宽a w 的增大都会使刀具的表面切削温度增高；其中切削速度v 。对表面切削温度的影响最大， 进给量其次，径向切宽a w 则为最小。李圆圆口羽使用基于商业的有限元分析软件 a b a q u s 的j o h n s o n c o o k 材料模型模拟了高速切削a i s i 一1 0 4 5 ( h r c 3 5 ) 淬硬钢时的切屑 形态和切削力以及温度场的分布情况，研究表明：对高速切削过程中温度场分布的情况， 刀具上温度最高的位置不在刀尖处而是在距刀尖一定距离的地方。焦锋等人口3 1 在有限元 软件m s c m a r c 中，针对p c b n 刀具超声硬切削和普通硬切削的特点，建立了4 5 号淬 硬钢( h r c 5 2 h r c 5 5 ) 二维正交热力耦合模型，对这两种状态下的切削温度进行分析比 较，研究发现：超声振动状态下的切削温度明显低于普通状态，并且切削温度随切削深 度及切削速度的增加而升高。张士军等人4 1 在涂层刀具的热传导分析中，提出基于扩散 层的热传导分析模型，综合运用m a x w l l e u c k e n l 模型计算方法、s e r i e sm o d e l 模型计算 方法及多层材料的等效热导率计算方法，得出：涂层和扩散层的等效热导率计算公式， 并计算涂层刀具的扩散层的等效热导率。 本课题组中秦哲乜4 1 选用t i s i n 涂层刀具铣削淬硬模具钢s 1 3 6 ( h r c 5 1 ) ，研究表明： 当切削速度的增加，切削温度也逐渐增大并趋于稳定，当切削速度v c = 2 2 5m r a i n 条件 时，刀具工件之间的界面温度则保持在7 0 0 ，而工件表面与工件内部平均温度则维持 在1 5 0 2 0 0 ；当切削速度继续增加时，刀具一工件接触区的温度将继续维持在7 0 0 。 唐德文乜6 1 用中6 m m 的t i s i n 涂层刀具铣削s k d l1 ( h r c 6 2 ) 模具钢，结论显示：刀具工 件间的界面温度维持在5 7 0 左右，工件的平均温度在保持在1 9 0 。c 2 2 5 之间，当切 削结束后，刀具离开工件时，切削刀具的最高温度则保持在3 6 0 左右，这些实验温度 数据为淬硬模具钢高速铣削提供了现实的参考依据。 1 - 2 5 淬硬钢高速铣削过程中的振动及稳定性 铣削稳定性是指机床或数控加工中心抵抗铣削过程中铣削振动的能力，其是用来评 价加工系统的动态特性的关键指标。稳定性切削是指在铣削工过程，当机床铣削系统受 到某种随机因素的影响而引起的振动，在经过较短时间后振动就消失，铣削系统自动恢 复到它原来的平衡状态过程。不稳定铣削是加工系统在受到干扰后，其所产生的振动程 度愈来愈大或不衰减的铣削过程。 对于切削加工中的切削振动的类型一般情况下可划分为以下几类阳5 。删： 9 高硬度淬硬钢模具高速铣肖u 性能研究 ( a ) 随机振动：是指在整个加工过程中，由于随机因素的作用使切削系统产生很较 低幅的振动，这样的切削振动贯穿在整个切削过程中，但其影响作用很少； ) 强迫振动：是指由外部激励振源所引起的振动，如机床的直流电动机为机床- 刀 具系统提给的周期力，切削过程断续切削等不连续的切削引起的振动，振动频率就是激 振频率： ( c ) 自由振动：是指切削系统在受到外部某种扰动作用下而产生的振动现象，当这 种扰动过后，系统由于其本身的阻尼而很快的衰减下来，这种振动对系统影响不是很大， 自由振动就是系统的固有频率： ( d ) 自激振动：是指切削系统在无外周期力的作用下，由于切削系统本身的特性所 产生的振动，是由于前次刀齿振动位移与本次刀齿振动位移存在相位差导致切削厚度不 均而导致的切削振动； ( e ) 混合振动：是既有强迫振动又包括自激振动，是这两种振动作用的综合结果。 在以上几种切削振动中，对切削稳定性影响比较大的是自激振动( 即再生型颤振) 4j 4 2 按物理因素将划分，颤振类型可划为：摩擦型颤振、再生型颤振及振型耦合型颤振。 再生型颤振是指由机床刀具工件整个加工系统，在切削加工过程中，在刀具一工件之间所 发生的一种较强的振动，这样的振动对阻碍生产效率的提高，影响了已加工表面精度， 增加了加工成本，降低机床的加工精度，对其进行研究室很有必要的h 引。 a l t i n a s h 4 1 基于再生型颤振理论，对于钻削加工，分析了刀具一工件系统的传递函数特 性，并提出了一种适合钻削加工的动力学模型，研究了切削力的变化对于加工系统稳定 性的影响，最终得到了高速稳定铣削时的轴向极限切深。n h h a n n a 和s a t o b i a s 等人 h 5 叫7 3 将机床系统等效成单自由度的系统，在此基础上建立了非线性颤振稳定性模型，获 得了稳定性叶瓣图，其从理论上解释了非线性颤振和线性颤振之间的相互关系。m i n w a n h 8 1 对铣削过程中的刀刃振动跳出工件表面的动态切削厚度的非线性方程进行了研 究，研究表明：振动位移与瞬时切削厚度呈非线性的关系。m a d v a i e s h 朝等人对断续切 削加工过程中的稳定性进行了研究，其假设切削深度和切削力存在线性关系，得到了基 于不同时间间隔的所对应的切削力表达式，结论表明：断续切削的稳定性明显优于连续切 削的稳定性。t l u s t y 和p o l a c e k 畸叫把车削过程中的模态耦合效应与再生颤振效应当做引起 颤振的主要因素，对系统内在的藕合动力学与刀具在切削加工过程中的关系进行了研 究，其结论是以稳定性叶瓣图的形式来表示的。t h e v e n o t 阵门对加工薄壁零件的三维稳定 1 0 f - 西大掌硕士学位论文 高硬度淬硬钢 荬具高速铣肖性胄皂研究 性进行了研究，并建立了轴向切深、主轴转速以及切削位置对铣削颤振影响的稳定性 l o b e s 图。t a m a si n s p e r g e r 畸习对于在车削过程中的进给速度和h o p f 分岔的关系进行了研 究，研究发现：以较大的进给速度切削时，在某些速度范围内出现了超临界分岔；小进 给速度时，车削过程出现了亚临界分岔；s e o n j a ek i m a 畸3 1 在铣削过程中的动态切削力模 型上，将所获得的切削力进行了频谱分析，结果发现：数控铣床在铣削过程中存在颤振 现象。a d a ma c a r d i 瞰1 提出了用切屑流出速度和切削力的相位差来作为预测颤振发生前 的识别因素。y s t a m g 畸印将自适应推理的神经网络方法对应用在钻削过程中，并以此方 法来识别钻削加工中的颤振现象。 周晓勤嘞1 分别对再生型颤振、滞后型颤振和振型耦合型颤振的识别参数进行了研 究，提出了利用人工神经网络方法来诊断切削颤振的类别。上海交通大学的李沪曾7 1 通过进行平面切削的振动试验，研究了强迫振动随着切削深度、切削速度以及进给率的 变化影响规律，并基于此实验条件下，仿真出极限稳定的切削深度。唐英畸8 5 们等人用实 验的方法对高速钻削微小孔进行了研究，结果表明：在一定的钻削速度范围内，钻削轴 向力和钻削扭矩随着主轴转速的增加而递减，这表明其具有发生摩擦型颤振条件的可能 性。黄仁贵咖1 等人对镗削削及车加工过程中的颤振情况进行了分析，并将作用在刚度主 轴方向上的投影谐振相位差来作为诊断振型耦合型颤振的识别参数，结果表明：1 l r 位于 一、三象限时，表明加工系统会出现振型耦合型颤振。宋清华等人提出了一种一种简 洁方便实用的切削稳定性判别方法：先由系统固有频率及分频和倍频，计算对应的刀齿 通过频率，得到对应的主轴转速，然后再根据共振理论，计算共振对应的稳定切削的上 下转速范围，再通过切削实验得到稳态下的轴向切深。吴化勇呻别研究了高速切削过程的 振动机理，分析了再生性振动，强迫再生性振动和共振的机理，对切削振动建立了动力 学模型，并用切削实验进行了验证。宋志鹏等人哺朝】对高速切削过程中振动的形成及控制 切削振动的方法进行了研究，并探讨了高速加工过程中振动形成的机制，提出了控制高 速加工的策略及改进途径。姜杉呻钔建立了动态切削力振动模型，获得了铣刀机构参数对 高速切削稳定性影响规律，从高速切削振动能量分布变化的规律，提出了齿数和刀齿分 布对铣刀减振的作用机理，并提出了高速面铣刀的减振方法。林洁琼随副等人对车床主轴 刚度的方位进行了切削稳定性的研究，并考虑了再生效应与振型耦合效应的综合作用。 广西大学硕士学位论文 高硬度淬硬钢稽“善捕睫铣削性螬邑研究 1 2 课题来源以及主要的研究内容 1 2 1 课题来源 国家8 6 3 计划“高速、精密切削与磨削技术”子课题“高强度淬硬钢大型零件高效 切削技术及应用”的研究( 项目编号：2 0 0 9 a a 0 4 4 3 0 2 ) 。 1 + 2 2 主要的研究内容 本文以多种硬度拼接的高硬度淬硬模具钢材料为研究对象，选用大直径涂层刀具进 行高速铣削加工实验，分别研究了不同的铣削参数( 切削速度、进给速度、轴向切深、 径向切深、刀具悬伸量、刀具切削方向) 下铣削过程中铣削力特征；不同涂层刀具在不 同加工工序阶段与之相匹配性能；高硬度淬硬钢模具c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 的动力学特性， 影响铣削过程中颤振稳定性的因素，通过稳定性l o b e s 图的仿真来选择高效、稳定的加 工工艺参数； ( 1 ) 高速铣削高硬度拼接式淬硬钢铣削力的研究 本实验采用单因素实验，以多种硬度拼接的高硬度淬硬模具钢材料 c r l 2 m o v ( h r c 6 5 1h r c 6 0 、h r c 5 5 、h r c s 0 ) ，7 c r s i m n m o v ( h r c 6 5 ，h r c 6 0 1h r c 5 5 、 h r c 5 0 ) 为研究对象，综合分析大直径球头铣刀高速铣削高硬度拼接淬硬钢时，铣削参 数( 切削速度、进给速度、轴向切深、径向切深) 、刀具安装条件( 刀具悬伸量) 、刀 具走刀方式等影响因素对拼接处铣削力的影响情况； ( 2 ) 高硬度淬硬钢高速铣削刀具的优选 在精加工和半精加工阶段，选用不同涂层刀具( t i a i n 、t i n 、t i s i n 、t i c n 、t i a l s i n 、 a 1 2 0 3 ) 对高硬度淬硬钢模具c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 在不同加工工序阶段的匹配性能进行研 究，分析铣削过程中的铣削力、铣削振动、铣削温度、工件加工表面形貌及表面质量与 刀具磨损的实验特征，进而优选出针对不同的加工工艺阶段与之相匹配的最佳涂层刀 具； ( 3 ) 高硬度钢高速铣削振动稳定性的研究 研究高硬度淬硬钢模具c r l 2 m o v ( h r c 6 5 ) 的动力学特性，影响铣削过程中颤振稳定 性的因素，以及稳定性l o b e s 图的建模仿真方法，并通过稳定性l o b e s 图的仿真来选择高 效、稳定的加工工艺参数。 广西大掌硕士学位论文 高硬度淬硬钢模具高速铣肖性能研究 1 2 3 研究思路 本课题研究思路如图1 - 8 所示 高硬度淬硬钢模具高速铣削性能研究 拼接式高硬度 淬硬钢模具 工艺参数优化 铣削参数优化与 走刀路径优化 单因素试验优选 与实验数据处理 铣削力试验 同种模具 材料拼接 大硬度差 模具 材料拼接 不同种模 材料拼接 非拼接式高硬 度淬硬钢模具 不同工艺相匹配 的铣肖0 刀具优选 单因素试验优选 与实验数据处理 铣削力试验 铣肖9 温度试验 铣削振动试验 工件表面形貌 表厩粗糙度 刀具磨损试验 小硬度差 模具 材料拼接 大硬度差 模具 材料拼接 小硬度差 模具 材料拼接 图1 8 研究思路图 f i g 1 8t h ed i a g r a mo fr e s e a r c hr o u