（机械电子工程专业论文）淬硬模具型腔高速铣削加工参数优化的试验研究.pdf

帧 爷佛论文 摘要 随着模具r 业的不断发展，模典制造水平的不断提高，淬硬钢模具的高速铣 削加工越来越普及。然而，由于淬碗钢的硬度极高，同时也由于操作人员缺乏相 关加工工艺知识，导致加工过程中极易造成刀具早期磨损和破损，从而直接影响 模具表面质量。 本文首先对高速铣削的特点、加1 ：艺参数、表面形貌特征以及表面质量的 衡量指标( 尤其是表面粗糙度) 进行了较详细的说明，为后续表面质量的检测、 加工参数的优选奠定基础。 然后，在政府科技计划项目和企业的支持下，针对直径6 m m 涂层硬质合金球 头立铣刀加工淬硬钢( h r c 5 5 ) 模具型腔进行研究，在高速铣床( 最高转速 3 0 0 0 0 r m i n ) 上进行了大量铣削试验，用单因素法研究了国产淬硬钢模具材料 ( 4 c r 5 m o s i v l ) 在各种切削参数下对模具型腔表面质量( 主要是表面粗糙度) 的 影响，进行了高速铣削切削用量的优选。 试验结果表明：切削速度y 。、进给速度y ，和轴向切深a 。对模具表面质量的影 响规律不尽相同。其中，在做切削速度的试验中，固定每齿进给量和轴向切深， 结果显示：随着切削速度提高，表面质量变好，但当切削速度增加到一定值以后， 加工表面粗糙度与切削速度变化关系不大；在做进给速度的试验中，固定切削速 度和轴向切深，表面粗糙度值随着v ，的变大而变大，但并不是简单的线性关系； 在做轴向切深的试验中，固定切削速度和进给速度，随着轴向切深从0 0 5 m m 变化 到o 3 0 m m ，试件表面粗糙度值在0 4 0 胛o 6 5 聊范围内变化，变化不大。综合 考虑各种因素，得到优选的加工参数：k = 2 4 0 m m i n 、y ，= 1 7 5 0 m m m i n 、a 。= o 1 5 m m 。 最后，以一个典型手机面壳模具型腔的高速加工为例，详细说明了现代模具 的高速加工过程。通过实测加工参数优化前后的模具质量，进一步验证了优选的 加工参数的正确性。 关键词：淬硬钢；模具型腔；表面粗糙度；高速铣削；加工参数优化 淬硬模具犁腔高速铣削加l 参数优化的试验研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i e m o u l di n d u s t r y ，t h em a n u f a c t u r i n g l e v e li sr a i s e d ，a n dt h eh i g h s p e e dm i l l i n gt ot h eh a r d e n e dm o u l di sp o p u l a r i z e d h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h eh a r d n e s s0 fh a r d e n e ds t e e l ，a n dt h e0 p e r a t o r s l a c k0 f c o h e s p o n d i n gk n o w l e d g ei nm a c h i n i n g ，t h et o o l sa r ew o m o re v e nd a m a g e de a s i l yi n t b em i l l i n gp r o c e s si ne a r l yd a y s ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t yo fs u r f a c ei nt h e m o u l d f i r s t l y ，i no r d e rt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w u pm e a s u r eo fs u r f a c e q u a n t i t y ，a n d0 p t i m i z a t i o no fm a c h i n gp a r a m e t e r ，t h ec h a r a c t e r i s l i c s0 fh i g h s p e e d m i l l i n g ， t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c ep r o f i l e sa n dt h e e v a l u a t i o ns t a n d a r d ( e s p e c i a l l ys u r f a c er o u g h n e s s ) o fs u r f a c eq u a n t i t ya r ed e t a i l e d l y e x p l a i n e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y ，a sas c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u b j e c to ft h eg o v e m m e n t ，a n ds u p p o r t e d b yt h ec o m p a n y ，t h es t u d yf o rt h em i l l i n gp r o c e s si nh a r d e n e ds t e e lm o u l dc a v i t y ( h r c 5 5 ) u s i n gc o a t e d c a r b i d ee n d m i l lo f6 m md i a m e t e ri sp r o c e e d e d ，a n dal o to f m i l l i n ge x p e r i m e n t i sc a r r i e do u tu s i n gh i 曲一s p e e d m i l l i n gm a c h i n e ( m a x i m u m r o t a t i n gs p e e du pt o3 0 0 0 0 r p m ) 、i t ht h ea p p r o a c ho f “t h es i n g l ef a c t o r ”，t h e i n f u e n c e so fm a t e r i a l so fh a r d e ns t e e ld i e m o u l d ( 4 c r 5 m o s i v l ) m a d ei nc h i n ai n d i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r so nt h es u r f a c eq u a h t y0 ft h ec a v i t ya r es t u d i e d ，a n dt h e c u t t i n gp a r a m e t e r si nh i 曲s p e e dm i n i n ga r eo p t i m i z e d t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ec u t t i n gs p e e d ，f e e ds p e e da n dc u t t i n gd e p t h i n n u e n c es u r f a c eq u a l i t yo ft h em o u l dd i f f e r e n t l y i ne x p e r i m e n to nc u t t i n gs p e e d ，i f t h ef e e dr a t ep e rt o o t ha n da x i a lc u t t i n gd e p t ha r es e t t l e d ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a ti ft h e t 0 0 lr o t a t e i n gi sh i g h e r t h es u r f a c eq u a n t i t yg r o w sb e t t e r ；h o w e v e r ，a f t e rt h es p e e d i n c r e a s e st oac e n a i nv a l u e ，t h er e l a t i o nb e l w e e nt h es u r f a c er o u g h n e s sa n dv a r i e t yi n c u t t i n gs p e e di sn o ts oc 1 0 s e i ne x p e r i m e n to nf 色e dr a t e ，i ft h ec u t t i n gs p e e da n da x i a l c u t t i n gd e p t hi ss e t t l e d ，t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ev a l u e0 fs u r f a c er o u g h n e s s i n c r e a s e sa 1 0 n gw i t ht h ei n c r e a s i n gv a l u e0 fv r ，b u tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e mi s m o r et h a nl i n e a r i t y i ne x p e r i m e n to na x i a lc u t t i n gd e p t h ，i ft h ec u t t i n gs p e e da n df e e d r a t ei ss e t t l e d ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ev a l u eo ft h es u r f a c er o u g h e s s0 fw o r k p i e c e v a r i e sf f o mo 4 弘mt o0 6 5 ma l o n gw i t ht h ea x i a lc u t t i n gd e p t hv a r y i n gf r o m0 0 5 m m t oo 3 m m ，w h i c hi su n c o n s p i c u o u s t a k i n gv a r i o u sf a c t o r si n t oa c c o u n t ，t h eo p t i m a l m 硕十学位论文 c u t t i n gp a r a m e t e r sa r e ：v f = 2 4 0m m i n ，v ，= 1 7 5 0m m ，m i n ，a d = 0 1 5m m f j n a j l ) l a k i n gt h eb j g b s p e e dm a c b j n gp r o c e s so ft h em o u l dc a v i l yo fal y p j c a l m o b i l et e l e p h o n es h e l lf o re x a m p l e ，t h i sp a p e re l a b o r a t e st h eh i g h s p e e dm a c h i n i n g p r o c e s so fm o d e r nm o u l d t h f o u g hm e a s u r i n gt h es u r f a c eq u a l i t yo ft h em o u l db e f o r e a n da f t e rt h ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d ，t h ec o r r e c t n e s so ft h eo p t i m a lp a r a m e t e r si s d r o v e d k e yw o r d s ：h a r d e n e ds t e e l ；m o u l dc a v i t y ；s u r f a c er o u g h n e s s ：h i g h s p e e dm i l l i n g ； m a c h i n i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 澎克新 日期：口砧年r ，月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：游建斩 导师签名：) 虱1 乙 日期：萨口口年，7 月，o 日 日期：二“否年，月，口日 硕十学伊论文 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 “十一五”期间，我国模具工业水平在量和质的方面会有很大提高。模具技 术的发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济的方向发展， 模具产品的技术含量不断提高，模具制造周期不断缩短。 湖南省仅长沙县就有模具企业和生产厂点近1 0 0 家，其中，年产值达5 0 0 万 元以上、技术力量雄厚、有一定规模的企业近1 0 家。2 0 0 4 年，模具产品( 含自 我配套) 产值约8 亿元。近年来模具产业整体呈现快速发展的好势头l 。 以前，模具制造是在退火的状态下进行粗加工和半精加工，然后进行淬火。 淬火处理后，模具不仅硬度大大增加，而且存在着较大的热变形，这将增加后续 工序的加工难度和加工工作量。且前多数模具都采用淬硬钢制造，其硬度高达 4 0 6 2 h r c 。一般情况下，淬硬钢采用磨削和电火花加工，有时还必须进行人工修 磨，这样造成加工精度不稳定，加工效率低，成本高1 2 3 i 。因此，如何解决淬硬模 具钢的加工问题一直为制造业所瞩目。 随着大型化、高精密、高技术含量模具产品的开发，传统的模具制造方法已 经不能满足实际生产要求。如何提高模具的加工效率及模具的表面质量、降低制 造成本是摆在我们面前的一个严峻的问题。高速加工技术的应用是解决这一问题 的最有效的途径。 高速切削加工的主要优点之一就在于提高生产效率的同时，可以实现高质量 加工。文献 4 中介绍了一个注射模加工的实例，高速铣削在淬硬材料上直接加 工型腔仅需5 3 分钟，型腔表面粗糙度值达r 。0 4 胁，几乎不需要手工抛光。 随着我省模具制造业的快速发展，拥有高速切削机床的企业不断增多。然而， 与高速切削机床和刀具技术的快速发展相比，这些企业在高速切削工艺、检测及 应用软件等方面的技术还比较落后，与硬件不能配套，致使不少厂家进口的先进 设备根本没有发挥其应有作用。一方面主轴转速可达数万转的高速机床却一直只 在几千转水平运行，具有高速精加工的条件却只用于粗加工和半精加工，可切削 高硬材料的机床和刀具却只用来切削普通材料；另一方面，因工件材料与刀具、 工艺配套不当( 目前还没有完善的高速加工工艺参数表可供选择) 造成加工成本 高昂甚至质量事故也时有发生。为了推广高速切削加工技术，帮助企业合理应用 高速切削加工设备与技术，很有必要对高速切削加工的工艺性进行研究。 淬硬模具犁睦高速铣削加t 参数优化的试验研究 1 2 国内外研究现状 切削速度、进给速度、切削深度是高速加工的三个重要因素，对模具表面 租糙度值的影响规律不尽相同，甚至产生矛盾。如何合理选择以上三个参数以 兼顾加工效率和模具表面粗糙度是本文研究的主要内容。 国外一些学者对淬硬模具高速加工的可能性进行了研究l ”，并对硬态切削机 理研究现状做了比较系统的总结i 引。德国、荚国、日本等工业发达国家对高速加 工技术的研究和应用处于世界领先地位，特别是德国对高速加工的研究起步较 早，成果较多。早在1 9 8 4 年，德国国家研究技术部( d f g ) 就出资7 0 0 万马克资 助德国d a r m s t a d t 工业大学生产技术和机床研究所( p t ，| ，i n s t i t u t eo f p r o d u c t i o na n de n g i n e e r i n ga n dm a c h i n et o o l s ) 与4 1 家公司进行了为期4 年的合作，全面开展对高速加工切削机理、高速加工工艺、高速加工用机床与 刀具的研究。由于政府的高度重视和大力资助，研究工作取得了丰硕成果。德 国不少公司很快掌握了高速加工技术，并不断支持和推动该项技术的深入研究 与发展。 近年来德国p t w 研究所对模具材料如铝合金、工具钢和铸铁的高速加工刀 具工艺参数优化进行了研究。结果表明：采用超细颗粒硬质合金刀具高速加工 时，表面粗糙度可达到r 。o 4 0 6 胛，进给速度对表面加工质量影响较大，而 切削速度对表面加工质量影响甚微。对表面淬火钢、整体淬火钢和高合金钢等 材料高速切削机理的研究还在进行，更谈不上优化的高速加工参数【7 j 。 西班牙c a t a l o n i a 大学机械工程系的j v i v a n c o s 等对淬硬钢材料 w n r l 2 3 4 4 用三菱公司的中6 咖t i a l n 涂层刀具( 刀具型号v c 2 s b r 0 3 0 0 ) 进行 了试验研究，得出的结论是：淬硬钢的高速加工顺铣方式比逆铣方式可得到更 好的表面质量；径向切削量相比其它加工参数，如轴向切削量、切削速度、每 齿迸给量等对表面粗糙度的影响要大得多。研究结果没有给出具体的优化参数， w n r l 2 3 4 4 材料的切削状况与国产的4 c r 5 m o s i v l 肯定有差别，因此，结论不 一定适合我国的高速加工机床捧j 。 从国外的学者对淬硬钢切削机理的研究来看，主要研究对象是切削过程中 切削力特征、刀具涂层材料的选择、切屑形成机理、刀具磨损、破损机理、刀 具寿命等方面。所得结论对淬硬钢的高速加工提供了理论依据，但大多仅限于 直线切削的试验( 本试验使用的是实际的模具型腔，所以，加工路线更复杂) ， 并且多采用直径8 m m 以上的刀具，而且缺乏对具体切削参数的优化研究。 国内对高速加工淬硬钢的切削机理研究起步较晚，高速硬切削8 0 年代开始 研究并在生产中逐步应用，9 0 年代以来普遍引起关注，目前还处于探索阶段， 淬硬钢铣削加工工艺的研究较少。 2 硕十学位论文 广东工业大学王成勇教授等使用中小型刀具对淬硬钢的高速铣削加工进行 了研究，针对使用涂层刀具加工淬硬钢时出现的具体问题，结合实验研究分析 了切削刀具、加工工艺参数和走刀方式等对加工过程的影响，提出了一些实际 加工中应注意的问题、改善加工条件和提高加工质量的方法【9 i 。但试件为经整体 淬火后的4 5 号钢，加工方式为直线铣槽干切削，所以，实验结果不一定适合模 具型腔高速加工的场合。 同济大学机械工程学院的林建平教授等针对淬硬条件下的模具常用钢 s k d 6 l 的高速铣削进行了研究，结果表明：油液冷却所得到加工表面质量比气体 冷却的好；模具淬硬钢高速铣削加工既可以保证加工表面的质量，又可以获得 较高的生产效率；铣削速度越高，表面质量越好。但研究结论是针对日本进口 材料s k d 6 1 得出的，不一定适合国产4 c r 5 m o s i v l 模具钢，而且，结论也没有明 确总结出优化的加工参数i 1 。l 。 北京理工大学王锐等使用涂层刀片( y b 4 1 5 ) 对低合金高强度钢c r n i m o ( 硬 度为3 6 4 0 h r c ) 进行高速干式铣削试验，结果表明：切削深度a 。值的变化对加 工表面粗糙度影响不大，随着f ：的减小，工件表面粗糙度降低，同时随着切削 速度的增加工件表面粗糙度有减小的趋势，f ：对表面粗糙度影响尤为明显。通过 合理地选择切削深度a 。，进给量f ：、切削速度”以及磨钝标准，可以将工件的 表面粗糙度稳定控制在r 。0 8 0 o 3 2 胛范围内【1 1 】。该结论对淬硬钢模具的加工 存在一定的局限性：一方面，模具型腔的加工普遍使用的是球头立铣刀；另一方 面，淬硬钢的硬度一般都在h r c 5 0 以上。 本文主要研究生产中普遍使用的中6 m mt i a l c n 涂层硬质合金铣刀对国产 4 c r 5 m o s i v l 淬硬模具钢加工时的高速铣削过程，分析该刀具高速切削淬硬钢时 切削速度、进给速度和切削深度对工件表面粗糙度的影响规律，从而提出该铣 刀高速切削淬硬钢的合理切削条件，总结出优化的切削参数。本项目对降低加 工成本，提高加工效率，改善模具质量有重要理论意义和经济价值。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 该课题来源于2 0 0 6 年湖南省教育厅科学研究项目：高速铣削淬硬模具型腔 优化加工参数的试验研究。( 项目编号：0 6 d 0 4 7 ) 本项耳与深圳贝莱斯塑胶模具厂合作，研究面向生产实际，研究成果可以 直接得到验证，并为实际生产服务。 3 淬硬模具刑睦高速铣削加t 参数优化的试验研究 1 3 2 主要研究内容 针对淬硬模具型腔高速加工的问题，查阅了大量的国内外文献，在此基础上 进行了深入研究，提出了高速加工淬硬模具型腔优选的加工参数。 本论文共分为五部分，各章节具体安排如下： 第一章，介绍本课题的研究意义，综述相关领域的研究情况，列出本文主要 的研究内容。 第二章，总结高速加工淬硬模具相比传统加工方式具备的优势和存在的缺陷， 介绍高速加工的主要工艺参数，同时描述高速铣削加工表面形貌特征。 根据目前大多数企业使用高速加工机床的实际情况，提出高速加工机床没能 充分发挥效能的一个主要原因是操作工人完全凭经验设置加工参数，从而带来很 大的人为误差。因此，对加工参数进行优化很有必要。 第三章，以高速加工一个典型的注塑模具( 旋钮注塑模具) 型腔为例，材料 是生产中普遍使用的国产4 c r 5 m o s i v l 模具钢，刀具使用巾6 m mt i a l c n 涂层硬 质合金铣刀，通过大量试验研究高速铣削时三个主要切削参数( 切削速度、进给 速度及轴向切深) 对淬硬模具表面粗糙度的影响规律，总结出三个切削参数对淬 硬模具表面粗糙度的一般影响规律，兼顾模具表面质量及生产效率总结出中6 m m t i a l c n 涂层硬质合金铣刀高速加工淬硬模具钢型腔的最佳切削条件，最后总结出 优选的高速切削工艺参数。 第四章，介绍一个淬硬钢模具( 手机面壳注塑模具) 型腔的高速加工实例， 分析该模具型腔的结构特点，详细说明该模具高速加工程序的编制方法，应用第 三章的研究结论设置加工参数加工该模具，最后对模具的表面质量进行检测，与 加工参数优化前的模具质量进行对比。 最后一部分是对全文的工作进行总结，概括说明所取得的研究成果，对今后 的工作作出说明。 1 4 本章小结 1 介绍了本课题产生的背景和研究的意义； 2 介绍了国内外高速加工淬硬钢模具的研究情况，指出我国大多数模具生产 企业没能充分发挥高速机床效率的一个重要原因是：技术人员主要凭经验设置加 工参数，没有一个合适的选择标准； 3 阐明了本课题的来源和主要研究内容。 一4 一 硕十学伶论文 第2 章高速铣削概述 2 1 高速铣削的优势及缺陷 高速铣削应用于模具制造，主要有以下几方面的特点： i 用小切削量、高切嗣速度代替传统的大切削量、低切削速度，而且粗、精 加工可一次完成，极大地改善了工件的加工精度和精密性。 切削力大而不平稳 小进给量，较厚的切深 图2 1 传统切削方式 切削力小而平稳 切宽大 瘿 烽爿： i 疑 大进给量。较浅的切深 图2 2 高速切削方式 在传统加工中采用的是大切削量、低切削速度的切削加工形式，切削冲击大， 并产生大量的切削热，使刀具和工件产生一定程度上受压变形和热变形，降低了 生产率和加工精度，图2 1 所示为传统切削方式。 在高速铣削加工中，采用小切削量、高切削速度的切削加工形式，大大改善 了刀刃部位的切削条件，图2 2 所示为高速切渐方式。 高速铣削能改善工件的加工精度和精密性，主要因为： ( 1 ) 用高速加工容易产生和剪断切屑，切屑厚度减小时，切屑温度上升，但切 屑更为碎小，从而刀具负载变小i 佗l ； ( 2 ) 切削速度的提高，刀具工件间的摩擦减少，大量的切削热量被高速离 去的切屑带走，因而切削破坏层变薄，残余应力小，模具和刀具的热变形都很小， 模具表面没有变质及微裂纹【1 3 l ； ( 3 ) 从动力学的角度来看，在高速切削加工过程中，切削力比常规切削时还小。 。5 淬硬模具咿肺高速铣削加t 参数优化的试验研究 这是因为高速切削时，在刀具前刀面与切屑之间的接触面上，产生了一层极薄的 液体，从而增加了材料塑性流动的速度l 。4 】。而切削力正是切削过程中产生振动的 主要激励源。转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工 件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感。因此，高速切削加工可大大降低加 工表面粗糙度1 5 l 。 2 对硬质材料直接加工代替电火花加工。 应用现代先进的刀具材料，不仅可以高速切削轻金属如铝合金、镁合金，还 可以经济地切削难加工材料如淬硬钢、模具钢，加工材料的硬度可高达6 3 h r c 。 对淬硬钢模具直接进行精加工，省去了电极材料、电极加工编程和加工，不 但缩短了制造周期，而且所达到的表面粗糙度比电火花加工还好，模具表面质量 达r 。0 4 胛，这也是高速铣削得到模具生产企业普遍关注的重要原因引。 采用高速切削加工方法代替费钱费时的电火花加工，目前在国外已经发展成 为一种趋势【1 6 l 。 3 减少了刀具的准备时间，工序集约化，极大地提高了加工效率。 高速加工中通常选用的刀具数量种类较少，因而，减少了刀具的准备时间， 刀具费用、加工成本将进一步降低。 图2 3 所示的是高速切削方式与传统切削方式在工序上的不同。从图中可以 看出，使用高速加工新工艺省去了传统数控加工工艺中电极加工和模具研磨的时 间，节省了加工时间，提高了产品的加工效率。研究证明：对于一般复杂程度的 模具，加工时间可减少3 0 甚至更多i ”】。 ( 4 ) a ) 传统加工 口口 b b ) 高速加工 图2 3 两种加工工艺流程对比 文献 7 中介绍了在扳手锻压模中，型腔全部由高速切削完成，材料硬度高达 h r c 5 4 ，加工时间为8 8 分钟，按照以前工艺，从生产电极，再电火花加工到最后抛 光大约需要1 7 小时。在另一个注射模加工例子中，用高速切削在淬硬材料上直接加 6 - 硕十学伊论文 工型腔仅需5 3 分钟，型腔表面粗糙度值达r 。0 4 胂，几乎不需要手工抛光，而原有的 工艺仅电极制造就需要8 小时，即使采用高速切削也需3 0 分钟，再电火花成型加工， 所花时间远高于高速铣削。 4 高昂的加工费用及复杂的加工工艺是限制高速铣削应用的最大障碍。 一台具有高速加工功能的数控机床的价格比一台普通数控机床大约高出 3 0 1 0 0 ，而其效率却是后者的3 倍【惦l 。 由于目前还没有完善的高速加工工艺参数表可供选择，工件材料与刀具、工 艺配套不当，使不少企业进口的先进设备没有发挥其应有作用而造成浪费1 1 9 l 。 高速铣削加工因其上述突出的特点，现广泛应用于模具制造业。用此方法不 仅可加工薄壁轻型构件或电火花加工用电极，而且在加工刚性较差的工件情况下， 由于高速加工减小了切削力，也能取得满意的加工效果。 但是，随着高速切削加工技术的不断发展和普及、高速加工机床成本的降低， 高速切削加工无疑是一个发展方向。 2 2 高速铣削加工工艺参数 高速铣削加工过程中的工艺参数与普通铣削加工的工艺参数没有本质的区 别。下面简要说明高速铣削过程中的几个主要工艺参数： 1 主轴转速n ( r m i n ) 数控铣床的主运动为刀具的旋转运动，沿数控铣床主轴轴线z 的方向，数控铣 削加工的刀具直径通常也不是一个定值( 如球头铣刀等) 【2 0 1 。因此，数控加工过程 中，切削速度v ，随工件或刀具直径的变化而变化。为了便于对数控切削加工过程 中机床主轴的控制，数控加工以机床主轴转速n 来描述刀具相对于工件的主运动。 主轴转速n 与切削速度”有如下关系式： 。兰兰! 竺 石d 式中，d 刀具有效直径( m m ) 2 进给速度v ，( m m m i n ) 数控机床以每分钟进给距离的形式来指定刀具的切削进给速度。数控切削加 工过程中，进给速度v ，的方向随刀具的切削运动轨迹方向的变化而变化，因此， 数控切削加工的进给速度v ，是一个矢量，是各坐标的合成运动速度。如图2 4 所 不。 通常，数控编程给定进给速度v ，的绝对值，是一个恒定值，即刀具相对于工 件的切削进给速度的数值恒定，则各运动坐标的分速度一般来说是变化的。 进给速度v ，的绝对值与进给量f 满足如下关系式： 7 一 淬硬模具刑腔高速铣削加t 参数优化的试验研究 v ，窜肛， ( m m m i n ) 式中，f 进给量( m m r ) n 主轴转速( r m i n ) 数控铣削加工时，v ，与铣刀每齿迸给量f ：有如下关系式： v f = n x | 互，l ，x z( m m m i n ) 式中，z 铣刀齿数 f ：铣刀每齿进给量( m m z ) 图2 4 数控加工刀具的进给运动 3 轴向切深a 。( 姗) 数控铣削加工的背吃刀量a a 是指平行于铣刀轴线方向度量的被切削层尺寸。 4 数控铣削加工的铣削宽度a 。( m m ) 数控铣削加工的铣削宽度a 。是指垂直于铣刀轴线和进给运动方向度量的被切 削层尺寸。数控铣削的铣削宽度a 。的大小与铣刀直径和刀具运动轨迹的步距s 有 关【2 1 1 。 2 3 高速铣削加工表面形貌特征 2 3 1 铣削过程的简化模型 在金属高速切削过程中，由于刀具切削力的作用，工件的待切削层转变为切 屑，同时形成工件的已加工表面。这个切削过程，可用已被普遍接受的简化模型 来描述，如图2 5 所示。 假定刀具的切削刃绝对锋利，即切削刃圆角半径p = o ，并且后刀面不与工 件接触。在刀尖前方的工件金属中表示出了塑性变形区和塑性变形线。塑性变形 的条件是出现最大剪切力。线段o p 为塑性变形的起始边界，线段p m k 为塑性变形 8 一 硕十学位论文 的外侧边界，线段0 k 为塑性变形的终结边界。在这三条边界以内，就是塑性变形 区，也就是待切削层转变成切屑的区域。在线段0 p 以下，工件母体部分，就是弹 性变形区。 图2 5 切削过程简化模型( p = 0 ) 图2 6 切削过程简化模型( p 0 ) 实际上，刀具的切削刃不可能磨得绝对锋利，即切削刃圆角半径p 0 ，p 的 存在，使切削过程复杂得多。图2 6 所示，是p o 时的切削简化模型。 这时，切削刃圆角上的某点o ( 注意，不是圆角上的最低点n ) ，成为待切削 层的分界点。点o 以上的待切削层金属，将沿前刀面摩擦、变形、流出而成为切 屑。点o 以下的待切削层金属( 厚度为u ) 将分为两股。一股金属( 厚度为m ) ， 由于工件母体的弹性退让，得以向下绕过切削刃圆角，在经过最低点n 以后，再 由于母体的弹性恢复而向上弹回( 回弹量为m ) ，并沿后刀面摩擦、变形、流出而 成为已加工表面。这股金属相对于刀具作纵向的塑性流动，简称为纵向塑流( 当 然在工件上也还要形成变形变质层h ) 。另一股金属( 厚度为e ) ，则将相对于刀具 9 淬硬模具型脖高速铣削加t 参数优化的试验研究 作侧向的塑性流动，简称为侧向塑流f ：引。 2 3 2 加工表面的形成过程 已加工表面形成过程可以通过图2 6 来说明：当切屑层的金属进入第1 变形区 后，便发生塑性变形，使晶粒伸长。当切削刃前方的金属继续运动并逐渐接近切 削刃时，它的晶粒拉得更长成为纤维状，最后包围切削刃，如图2 6 所示。o 点以 上的那部分沿前刀面流出，成为切屑的底层。o 点以下部分，将绕过切削刃沿后刀 面挤出。 由于刃口圆弧p 的存在，在整个切削厚度中，o 点以下厚度为m 的那一层金属 无法切除，而是被刃口圆弧挤压在工件表面上，接着和后刀面相接触，然后表面 层金属开始弹性恢复，它使得切削表面与后刀面之间又产生一段附加接触。由于 剧烈的挤压和摩擦，使这层金属产生很大的塑性变形。这样一来，经过第1 变形 区已经纤维化的金属晶粒，在进入第1 i i 变形区后，将进一步变形，金属晶粒越拉 越长，越来越细，最后被拉断，成为已加工表面的表层。 所以，在切削过程中，工件的已加工表面也将产生变形，金属晶粒伸长，成 为纤维状，此即第变形区。已加工表面的变形，除了与第1 变形区的变形有关 以外，主要与切削刃实际的几何形状有关。 2 4 本章小结 1 介绍了高速铣削相比传统加工方式具备的优势和存在的缺陷，指出高速铣 削突出的优点在于可以直接加工淬硬钢模具； 2 介绍了高速加工的几个主要工艺参数，包括主轴转速、切削速度、进给速 度和轴向切深等； 3 建立了高速铣削过程的简化模型； 4 较详细地描述了高速铣削加工表面的形貌特征。 一1 0 硕十学位论文 第3 章高速铣削淬硬钢加工参数优化的试验研究 本章在精度较高的高速加工机床上，通过大量的切削试验，研究直径巾6 m m 球头立铣刀在不同切削条件下铣削加工淬硬模具钢时的切削过程及表面加工质量 等，确定不同切削条件下各切削参数的合理选择原则，为实际模具型腔的高速加 工提供最优的加工参数。 3 1 试验用4 c r 5 m o s iv 1 材料淬硬模具型腔 3 1 14 c r 5 m o siv 1 材料 4 c r 5 m o s i v l 钢是我国仿制的热作模具钢，它相当于美国的h 1 3 ，日本的s k d 6 l 和瑞士的a s s a b 一8 4 0 2 等。还有一些国家也有与其相类似的钢号。该钢是一个在许 多国家都得到广泛应用的通用性热作模具钢1 2 3 j 。 4 c r 5 m o s i v l 钢中的主要合金元素是c r 、m o 、v 。铬是碳化物形成元素。铬的 碳化物有良好的耐磨性并可提高模具工作时的高温强度，提高钢的淬透性，因此 该钢既可以油淬，也可以空淬。钼的碳化物也具有良好的耐磨性，和相同含量百 分数的钨相比，钼的耐高温软化能力比钨要高倍。钼和铬一样可改善钢的淬透 性，还可以防止钢的回火脆性。该钢中加入硅是由于硅和铬能在模腔表面形成一 层由c r 。0 。和s i o ：组成的致密氧化膜而使模腔具有良好的耐氧化腐蚀能力，这有 利于提高模具型腔表层的耐疲劳性能。硅还能提高抗回火性，从而推迟第一类回 火脆性。钒比铬、钼和碳更容易形成碳化物。因此，钒的碳化物极少熔于钢的固 熔体中，钒的碳化物硬度和热硬性大大优于铬的碳化物而具有极好的耐热磨损性 能。4 c r 5 m o s i v l 钢主要化学成分如表3 1 所示i ”。 从热作模具钢的主要合金元素的作用可以看出，该钢具有良好的热强度，韧 性和耐磨性以及良好的冷热疲劳性能。 表3 14 c r 5 m o s i v l 钢主要化学成分 临界温度 成分 cc rs im nm o v a c ia 3t 虮 0 3 24 7 5o 8 00 2 01 1 0o 8 0 含量 8 5 09 1 01 0 0 03 3 5 ( ) 0 ，4 55 5 0 1 2 0 o 6 01 7 51 2 0 注：根据g b t 1 2 9 9 一1 9 8 5 。 4 c r 5 m o s i v l 钢材料的淬火硬度与淬火加热温度有很大的关系，如图3 1 所示 一1 1 淬硬模具刑睦高速铣削加t 参数优化的试验研究 1 2 5 1 。试验结果表明：材料淬火温度低，硬度就低。当淬火温度在1 0 2 5 1 0 7 0 时， 最高硬度可达h r c 6 0 以上。本试验用4 c r 5 m o s i v l 钢材料在1 0 2 5 1 0 7 0 时淬火， 再经5 6 0 和5 8 0 两次回火处理，最后实测硬度为h r c 5 5 。 “ 曙 莛钾 器秘 铂 h 鼻史量度， 图3 1 淬火温度与硬度的关系 3 1 24 c r 5 m o sjv 1 材料的特点 4 c r 5 m o s i v l 钢具备以下的特性： ( 1 ) 优良的耐氧化腐蚀性能，高温氧化速度慢； ( 2 ) 优良的耐磨性； ( 3 ) 高的冲击韧性和抗冷热疲劳性，不易产生热疲劳裂纹，而且抗粘结力强； ( 4 ) 优良的淬透性。空淬时产生的氧化铁皮倾向小，并且淬火时尺寸稳定性好 1 2 6 。 综合以上特点，使得该钢种具有卓越的物理力学性能。由于其优良的耐腐蚀 性和耐磨性，在塑料模具制造中广泛采用，主要原因是： ( 1 ) 较低的维修费用。模具经过长期使用后，型腔表面仍然维持原来的光滑状 态。模具在潮湿的环境下操作或存放时、不需要特别的保护。 ( 2 ) 较低的生产成本。由于模具冷却水道不受腐蚀的影响( 不象普通模具钢) ， 热传导特性、冷却效率在模具生命期中均保持稳定，确保了模具恒久不变的成形 时间 2 ”。 低维修费用和高寿命模具的使用，使企业能达到最佳的经济效益。用 4 c r 5 m o s i v l 模具钢制作的模具，其生产的塑件尺寸精度高、外观质量好。因此非 常适合制造形状复杂的模具，如手机注塑模具等。 3 1 34 c r 5 m o s i v l 材料淬硬模具型腔的制备 本次试验用工件为一电风扇旋钮的前模模具型腔。该旋钮形状比较简单，尺 寸大小约为3 7 5 m m 3 7 5 m m 5 m m ，材料为a b s ，收缩率为5 。其正面和背面的 结构示意图如图3 2 所示。 1 2 硕十学伊论文 a ) 试件正面结构b ) 试件背面结构 图3 2 试件结构示意图 凹模镶件使用国产4 c r 5 m o s i v l 钢，经整体淬火处理，最终硬度达h r c 5 5 。为 不影响塑件表面质量，采用侧浇口进胶、一模两件的大水口模胚。凹模镶件的结 构示意图如图3 3 所示( 浇口及流道未画出) 。 图3 3 试件凹模结构( 一模两件) 3 1 4 试验用淬硬模具型腔的结构及其高速加工的特点 1 模具型腔的结构特点 注塑模具型腔是指合模后由模具零件构成的形成注塑零件所有表面的封闭空 腔，它是模具能否成形出合格零件的关键。图3 4 是该试件凹模的剖视图( 图中 只画出了一个产品) 。 该试验用模具型腔的主要特点是： ( 1 ) 凹坑直径达3 8 舳，而最大深度尺寸不到5 m m ，因此曲面较平坦( 图3 4 所示) ； ( 2 ) 侧面r 4 圆弧与底面r 5 6 圆弧相连接部分表面质量难以保证，是加工的难 点： 1 3 淬硬模具犁片事高速铣削加t 参数优化的试验研究 ( 3 ) 型腔材料硬度非常高，达h r c 5 5 。 图3 4 试件凹模割视图 2 模具型腔高速加工的特点 淬硬钢材料的伸长率小、塑性低，易于形成高光洁加工表面，有利于以切代 磨。但其硬度高，切削性能差。与非淬火态钢相比，切削力增加3 0 1 0 0 ， 切削功率增加1 5 2 倍，而且切削变形加剧，切削温度升高【：引。为顺利完成试 验模具型腔的高速加工，使其满足实际生产要求，主要考虑了以下几点： ( 1 ) 刀具直径的选择 为避免刀具与工件发生“干涉”( 实际上是过切) ，加工中常用小直径的球头 铣刀1 2 9 l 。 凹模的加工是在规则的凹模毛坯料上加工出模具的型腔，由于在工件上形成 的是凹腔，刀具不可能如凸模加工一样从工件的外部切入，选择的刀具直径大小 与模腔的曲率半径的大小有相应的关系。 具体使用的刀具直径要根据实际型腔曲面的曲率半径决定，该试件的加工过 程中使用巾6 咖的球头立铣刀作为精加工刀具。 ( 2 ) 刀具轴线倾角的影响 用球头刀进行加工，当加工曲砸的曲率半径小于球头刀的曲率时，球头刀与 该曲面的接触方式为点接触，而且接触点是唯一的f 3 0 。当刀具轴线垂直于加工表 面时，刀具的中心处切削速度为零，且有效的容屑空间非常小，易导致刀刃破碎 影响工件加工质量并使加工成本增加。本试件侧面圆弧与底面圆弧曲率半径相差 比较大，两处圆弧相接部分的表面质量会受到很大的影响。 ( 3 ) 模具型腔的加工步骤 模具型腔的加工是很复杂的，主要包括以下三个步骤： 1 ) 粗加工阶段。用直径大的刀具来切除模具毛坯上的金属材料。所用刀具既 可以是大直径的平头铣刀，也可以是大直径的球头铣刀。 2 ) 半精加工阶段。用直径较大的平头刀或球头刀清除粗加工留下的余量。如 果在粗加工阶段，使用的是平头铣刀，则不免在模具型腔的表面留下很多台阶( 每 次轴向进给量越大，留下的台阶越明显) ，这就需要在半精加工阶段，用直径较大 的球头刀来消除这些台阶。 一1 4 。 硕十学伊论文 3 ) 精加工阶段。用小直径的平头刀或球头刀完成模具型腔的最终加工，得到 所需要的模具型腔尺寸，所用加工刀具的最小直径取决于构成模具型腔的曲面曲 率半径。 3 2 试验用高速加工机床 j t g k 一6 0 0 高速数控铣床是广东佳铁自动化有限公司于2 0 0 1 年9 月推出的主 力产品，主要针对中小型产品的模具制造。其外形结构如图3 5 所示。 图3 5 ，r g k