（机械电子工程专业论文）淬硬模具钢高速铣削机理研究.pdf

摘要 摘要 淬硬模具钢的硬度在5 0h r c 以上，常用于制造各种对硬度和耐磨性要求较 高的零件。采用高速铣削方法直接加工淬硬模具钢，不仅可以提高淬硬模具钢零 件的加工精度和表面质量，同时还可大幅度提高加工效率。 针对淬硬模具钢高速铣削过程中锯齿状切屑如何形成并影响切削过程、刀具 磨损严重、刀具选择和加工工艺参数缺乏理论指导等问题，本文综合利用力学、 机械加工理论、高速摄影技术、红外测温技术、材料测试分析技术和信号测试技 术等，对淬硬模具钢高速铣削过程进行全面完整的系统研究。研究了淬硬模具钢 高速铣削过程中连续带状和锯齿状两种切屑形态的形成条件；研究了锯齿状切屑 的各种特征，建立了锯齿状切屑形成的几何模型，提出了锯齿状切屑形成机理； 分析了淬硬模具钢高速铣削过程中切削力、切削振动、工件表面质量和切削温度 的特征，以及锯齿状切屑生成对上述特征的影响；揭示了涂层硬质合金刀具高速 铣削淬硬模具钢的刀具磨损破损机理；提出了淬硬模具钢高速铣削的刀具及其涂 层优选原则和工艺参数优选原则；实现典型淬硬模具零件的高效高精度加工。这 些研究对深入了解淬硬模具钢高速铣削过程，推动高速切削基础理论的发展，提 高淬硬模具钢高速铣削技术的应用水平都具有重要意义。本文主要研究结论如下： 1 淬硬钢高速铣削过程中产生的切屑形状有长度在0 5m m 至2m m 之间的 松散c 型和长度2m m 以上的连续型。连续带状或锯齿状的切屑形态取决于材料 硬度和加工条件；材料硬度越高，切屑形态由连续带状转变为锯齿状的切削速度 越低。锯齿状切屑基体内组织变形程度很小，由于热软化作用基体硬度下降；锯 齿状切屑剪切带内组织沿剪切方向拉长，宽度约为1 51 t m 3 9 m ，并随切削速度 的提高而减小；高速形变后的加工硬化导致剪切带和切屑白层的硬度上升。 2 建立了淬硬模具钢高速铣削锯齿状切屑形成的几何模型，考虑了切屑在宽 度方向上的变形和锯齿状切屑修正系数，较准确地计算出锯齿状切屑形成剪切角 的范围在4 0 。一6 0 。之间，剪切带内的剪应变为1 0 1 1 0 2 ，剪应变率高达1 0 5 s 。1 以 上。切削变形增加时，切屑厚度变形系数减小；横向弯曲减弱，切屑宽度变形系 数减小。 3 提出了淬硬模具钢高速铣削锯齿状切屑的形成机理。当切削速度提高到一 定临界值时，由于温度升高而导致的材料热软化作用大于形变强化作用，切屑形 t 广东工业大学工学博士学位论文 态由连续带状转变为剪切带均匀间隔分布的锯齿状切屑。锯齿状切屑的变形程度 在很大程度上决定了淬硬模具钢的加工难易程度。针对不同硬度的工件材料，通 过优化切削速度、每齿进给量和切削深度等加工条件组合，可以控制切屑形态为 连续带状。 4 提出了一种新的评价锯齿状切屑变形程度的定量化指标。利用锯齿状切屑 横截面积和锯齿状切屑顶角氟综合定量评价锯齿化程度；锯齿状切屑顶角咖减 小，锯齿状切屑横截面积越大，则切屑变形程度越大，锯齿化程度越严重。 5 淬硬模具钢高速铣削的锯齿状切屑生成频率与切削力频率成正比关系，并 随切削速度提高而增大。锯齿状切屑的生成会导致切削力有所下降，但使切削振 动增强；在锯齿状切屑产生的临界速度处，表面粗糙度会产生突然增大。存在最 佳刀具悬伸量可使切削力与切削振动最小，加工质量最好。 6 高速铣削淬硬模具钢时，达到一定的切削速度后，刀具与工件接触区域的 温度将保持在7 0 0o c 左右，不再继续升高；工件的平均温度保持在1 9 0o c - - 2 2 5 0 c 之间。这是可以采用很高的切削速度、较低的每齿进给量和切削深度直接高速铣 削加工淬硬模具钢的重要依据。 7 涂层硬质合金刀具高速铣削淬硬模具钢时的刀具寿命较低；t i s i n 涂层铣 刀的刀具寿命约为t i a l n 涂层铣刀的四倍。刀具磨损是磨粒磨损、扩散磨损和氧 化磨损共同作用的结果。可利用切削力信号频谱分析中齿啮合频率二次谐波处的 振动幅值检测加工过程中的刀具磨损程度。刀具破损形式为涂层剥落、崩刃和刀 尖破损。交变的热应力是发生涂层剥落的重要原因之一。采用小前角、合适的后 角和较大螺旋角的铣刀，可以降低切削力；保证切削过程的平稳，同时刀具磨损 程度小。 8 在上述研究基础上，提出了淬硬模具钢高速铣削的刀具及其涂层优选原则 和工艺参数优选原则。通过两个淬硬模具钢零件的加工实例应用，对上述原则进 行了验证。 关键词：淬硬模具钢；高速铣削；锯齿状切屑；切屑形成；切削力；切削振动； 刀具磨损；工艺优化 i i a b s t r a c t a b s t r a c t h a r d e n e ds t e e l sw i t hh a r d n e s sa b o v e5 0h r ca r ew i d e l yu s e di nt h ep a r t so fh i g h h a r d n e s sa n dr e s i s t a n c e h i g hs p e e dm i l l i n go fh a r d e n e ds t e e l sf o rd i e & m o l dd i r e c t l y , c a nn o to n l yi m p r o v et h ep r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yo fw o r k p i e c e ，b u ta l s oi n c r e a s e t h ee f f i c i e n c yd r a m a t i c a l l y a i m e da th o wt h es a w t o o t hc h i pf o r m e da n da f f e c tt h em i l l i n gp r o c e s s ，t h e s e v e r et o o lw e a r , n oa c a d e m i cg u i d a n c eo nt h et o o ls e l e c t i o na n dc u t t i n gp a r a m e t e r s s e l e c t i o n ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h er e s e a r c ho nt h eh i g hs p e e dm i l l i n go f h a r d e n e d s t e e l sf o rd i e sa n dm o l d s ，u s i n gm e c h a n i c s ，c u t t i n gt h e o r y , h i g hs p e e dp h o t o g r a p h y , i n f r a r e dt e c h n o l o g y ，m a t e r i a lt e s t i n ga n ds i g n a lt e s t i n gt e c h n o l o g i e s t h ec o n d i t i o n s f o rt h ef o r m a t i o no ft w ok i n d so fc h i p ，c o n t i n u o u so rs a w t o o t h ，h a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h ec h a r a c t e r so fs a w - t o o t hc h i ph a v eb e e ns t u d i e d ，a n di t sf o r m a t i o n m o d e la n dm e c h a n i s mh a v eb e e na d v a n c e d t h ec h a r a c t e r so fc u t t i n gf o r c e ，v i b r a t i o n ， s u r f a c er o u g h n e s s ，t e m p e r a t u r ea n dh o wt h es a w t o o t hc h i pa f f e c t st h e mh a v eb e e n a n a l y s i s e d t h em e c h a n i s m so ft o o lw e a ra n dt o o lb r e a k a g eo fh i g hs p e e dm i l l i n go f h a r d e n e ds t e e l sh a v e b e e no p e n e d t h es e l e c t i o np r i n c i p l e so ft o o l sa n dc u t t i n g p a r a m e t e r s h a v e b e e n b r o u g h tf o r w a r d t h e w o r k sa r ei m p o r t a n t e df o rt h e u n d e r s t a n d i n go fh i g hs p e e dm i l l i n gp r o c e s s ，d r i v i n gt h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e d c u t t i n gt h e o r ya n di m p r o v i n gt h ea p p l i c a t i o nl e v e lo fh i g hs p e e dm i l l i n go f h a r d e n e d s t e e l st e c h n o l o g i e s t h em a i ni n v e s t i g a t i o nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 t h e r ea r et w ot y p e so fc h i ps h a p e sd u r i n gh i g hs p e e dm i l l i n go fh a r d e n e d s t e e l s ，s h o r tct y p ea n dl o n gc u r l i n gt y p e c h i pm o r p h o l o g yo f c o n t i n u o u so r s a w t o o t hl i e so nt h ew o r k p i e c eh a r d n e s sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r s t h eh i g h e ro ft h e w o r k p i e c eh a r d n e s s ，t h el o w e rc u t t i n gs p e e do f t h ec h i pt r a n s l a t i n gf r o mc o n t i n u o u st o s a w t o o t h t h ed e f o r m a t i o no ft h es a w t o o t h c h i pb o d yi sv e r y l i t t l ea n di t s m i c r o h a r d n e s sd r o p sa sar e s u l to ft h e r m a ls o f t e n i n g t h et i s s u ei nt h es h e a rb a n dh a s b e e np u l l e da n di t sb r e a d t hi so n l ya b o u t1 5p , m 3p mw h i c hw i l lb en a r r o w e rw i t h i i i 广东工业大学工学博士学位论文 t h ei n c r e a s i n go fc u t t i n gs p e e d t h em i c r o - h a r n e s s e so fs h e a rb a n da n dw h i t el a y e r w i l lr i s ea sar e s u l to fs t r a i nh a r d e n i n g 2 m o d e lo ft h es a w - t o o t hc h i pf o r m a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，c o n s i d e r i n gt h e d e f o r m a t i o no nt h ec h i pw i d t ha n dt h ec o e f f i c i e n to fs a w t o o t hc h i p t h es h e a ra n g l e ， s h e a rs t r a i na n ds t r a i nr a t eh a v eb e e nc o m p u t e d s h e a ra n g l ec h a n g e sf o r m4 0 。t o6 0 。 s h e a rs t r a i ni sa b o u t1 0l 1 02a n ds t r a i nr a t ei sa b o v e1 0 5s w h e nt h ec h i p d e f o r m a t i o ni n c r e a s e s ，t h ed e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n to fc h i pt h i c k n e s sg o e sd o w n w h e n t h et r a n s v e r s ec u r l i n gw e a k e n s ，t h ed e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n to fc h i pb r e a d t hd r o p s 3 t h em e c h a n i s mo fs a w t o o t hc h i pf o r m a t i o nd u r i n gh i g hs p e e dm i l l i n go f h a r d e n e d s t e e l sh a sb e e na d v a n c e d w h e nt h ee f f e c to ft h e r m a ls o f t e n i n gd u et ot h e c l i m b i n go ft e m p e r a t u r ee x c e e d st h es t r a i nh a r d e n i n g ，t h es h e a rl o c a l i z a t i o nw i l lb e i n m i n e n ta n dt h ec h i pw i l lt r a n s l a t ef o r mc o n t i n u o u st os a w t o o t h t h ed e f o r m a t i o n d e g r e e sd e c i d et h ed i f f i c u l t yo fh a r d e n e ds t e e l sm a c h i n i n go nac e r t a i ne x t e n t t h e c o m b i n a t i o no fc u t t i n gs p e e d ，f e e dp e rt o o t ha n dd e p t ho fc u tc a nb eo p t i m i z e dt o c o n t r o lt h ec h i pa sc o n t i n u o u s 4 n e wq u a n t i t a t i v ei n d e xh a sb e e na d v a n c e dt oe v a l u a t et h ed e f o r m a t i o nd e g r e e o fs a w - t o o hc h i p t h ea r e ao fs a w t o o t hc h i p 厶a n dt h ea n g l eo fs a w t o o t hc h i p 6 l a r eu s e d w h e n 咖g o e sd o w na n dag o e su p ，t h ed e f o r m a t i o no fs a w - t o o t hc h i p i n c r e a s e sa n dt h es e g m e n t a t i o ni sm o r es e r i o u s 5 d i r e c tr a t i oo fc u t t i n gf o r c ef r e q u e n c ya n ds a w - t o o t hc h i ps e g m e n t a t i o n f r e q u e n c yi so c c u r r e d t h ec u t t i n gf o r c ew i l ld r o pw h e ns a w t o o t hc h i pi sf o r m e d ，b u t t h ev i b r a t i o nw i l lb eb o o s t e du p s u r f a c er o u g h n e s sw i l lg ou pa tc r i t i c a lc u t t i n gs p e e d w h e nt h ec h i pt r a n s l a t e sf o r mc o n t i n u o u st os a w t o o t h t h e r eh a so p t i m a lt o o l o v e r l a n gt ok e e pt h el e a s tc u t t i n gf o r c ea n do p t i m a lq u a l i t y 6 t h et e m p e r a t u r eb e t w e e nt h et o o la n dt h ew o r k p i e c ew i l ls t a ya t7 0 0o c a r o u n d ，e v e ni ft h ec u t t i n gs p e e di n c r e a s e s t h et e m p e r a t u r eo fw o r k p i e c ei sa b o u t 19 0 。c 一2 2 5o c i ti si m p o r t a n tf o rh i g hs p e e dm i l l i n go f h a r d e n e ds t e e l sw i t hh i g h c u t t i n gs p e e d ，l o wf e e dp e rt o o t ha n dd e p t ho fc u t 7 t o o ll i f eo fh i g hs p e e dm i l l i n go fh a r d e n e ds t e e l si sl o w t o o ll i f eo f t i s i n c o a t e di sa b o u tf o u r f o l do ft i a l n - c o a t e d t h em e c h a n i s mo ft o o lw e a rh a s i v a b s t r a c t b e e nr e c o m m e n d e d ，w h i c hi st h ec o o p e r a t i o no fa b r a s i v ew e a r ，d i f f u s i o nw e a ra n d o x i d a t i v ew e a r t o o lw e a rc a nb ei n s p e c t e db yt h ev i b r a t i o no fs e c o n dh u m o r o u so f t o o lp a s s i n gf r e q u e n c yi nt h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo fc u t t i n gf o r c e 。t o o lb r e a k a g e i n c l u d e st h ec o a t i n gd e l a m i n a t i n g ，m i c r o c h i p p i n g ，a n db r e a k a g e t h ev a r i a b l e t h e r m a ls t r e s si so n eo ft h ei m p o r t a n tr e a s o n so fc o a t i n gd e l a m i n a t i n g w i t hs m a l l r a k ea n g l e ，r i g h tc l e a r a n c ea n g l ea n dh i g hh e l i xa n g l e ，t h el o w e rc u t t i n gf o r c e ，s t a b l e c u t t i n gp r o c e s sa n dt h el e s st o o lw e a rc a n b eo b t a i n e d 8 p r i n c i p l e so ft o o l & i t sc o a t i n gs e l e c t i o na n dc u t t i n gp a r a m e t e r ss e l e c t i o nh a v e b e e nr e c o m m e n d e db a s e do nt h er e s u l t sa b o v e d t h ep r i n c i p l e sh a v eb e e nv a l i d a t e d b yt h ea p p l i c a t i o nt ot w oh a r d e n e ds t e e l sp a r t s k e yw o r d ：h a r d e n e ds t e e l sf o rd i e sa n dm o l d s ；h i g hs p e e dm i l l i n g ；s a w - t o o t hc h i p ； c h i pf o r m a t i o n ；c u t t i n gf o r c e ；v i b r a t i o n ；t o o lw e a r ；o p t i m i z a t i o n ； v 广东工业大学工学博士学位论文 主要符号表 符号名称( 英文名称)单位 a 。 径向铣削深度( r a d i c a ld e p t ho f c u t ) m m 三 曲 刀 p c 轴向铣削深度( a x i a ld e p t ho f c u t ) 底刃后刀面磨损面积( f l a n k 切屑宽度( w i d t ho fc h i p ) 切削宽度( w i d t ho f c u t ) w e a ra r e ao fm i n o rc u t t i n ge d g e ) 锯齿状切屑生成频率( s a w - t o o t hc h i ps e g m e n t a t i o nf r e q u e n c y ) 铣刀直径( t o o ld i a m e t e r ) 主轴频率( s p i n d l ef r e q u e n c y ) 齿啮合频率( t o o lp a s s i n gf r e q u e n c y ) 每齿进给量( f e e dp e rt o o t h ) 切削合力( t o t a lc u t t i n gf o r c e ) 最大切削力( m a x i m a lc u t t i n gf o r c e ) 进给方向分力( c u t t i n gf o r c ei nf e e dd i r e c t i o n ) 垂直进给方向分力( c u t t i n gf o r c ei nn o r m a ld i r e c t i o n ) 轴向方向分力( c u t t i n gf o r c ei na x i a ld i r e c t i o n ) 锯齿状切屑锯齿化程度( s e g m e n t a t i o no fs a w - t o o t hc h i p ) 切屑厚度( t h i c k n e s so fc h i p ) 切削厚度( t h i c k n e s so fc u t ) 锯齿状切屑剪切变形局部化处的切屑厚度( c h i pt h i c k n e s s w h e r el o c a ls h e a rd e f o r m a t i o n ) m m m m 2 m m m m h z m m h z h z m m z n n n n n m m m m m m 锯齿状切屑最大切屑厚度( m a x i m u mc h i p t h i c k n e s so fm m s a w - t o o t hc h i p ) 刀具悬伸量( t o o lo v e r l a n g ) 切屑长度( 1 e n g t ho fc h i p ) 主轴转速( s p i n d l er o t a t es p e e d ) 锯齿状切屑节距( d i s t a n c eo fs a w t o o t hc h i ps e g m e n t a t i o n ) v i m m m m r m i n m m 吻如b叩d而厶五f r乃足g幻幻 主要符号表 铣刀半径( t o o lr a d i u s ) 表面粗糙度( s u r f a c er o u g h n e s s ) 切削速度( c u t t i n gs p e e d ) 进给速度( f e e dr a t e ) 锯齿状切屑流出速度( s p e e do fs a w t o o t hc h i p ) 后刀面磨损带宽度( w i d t ho f f l a n kw e a rl a n d ) 铣刀齿数( n u m b e ro ft o o lt e e t h ) 刀具后角( c l e a r a n c ea n g l e ) 刀具螺旋角( h e l i xa n g l e ) 刀具前角( r a k ea n g l e ) 剪应变( s h e a rs t r a i n ) 剪应变率( s h e a rs t r a i nr a t e ) m m p m m r a i n m m m i n m m i n m m 锯齿状切屑剪切带宽度( s h e a rb a n dw i d t ho fs a w t o o t hc h i p ) p , m 切屑厚度变形系数( c h i pt h i c k n e s sd e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n t s ) 切屑宽度变形系数( c h i pw i d t hd e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n t s ) 剪切角( s h e a ra n g l e ) 锯齿状切屑项角( a n g l eo f s a w t o o t hc h i p ) 锯齿状切屑横截面积( a r e ao fs a w - t o o t hc h i p ) v i i o o m m 2 足 几 v v 船 z 口 p y 矿 6 考f 少 吼 广东工业大学工学博士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈论文是我个人在导师 的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文不包含其他人已发表或撰写过的研究成果，不包含本人或 其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 彦魄 论文作者签字： 卫盔 指导教师签字：现彩 少f 年占月1 1 日 1 1 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 淬硬钢是指经过淬火并回火后硬度达到5 0h r c 以上的钢，包括模具钢、轴 承钢、高速钢等。淬硬钢常用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的零件，如模 具、轴承、齿轮、工具等。淬硬钢材料的硬度高，大于5 0h r c 以上，耐磨性好， 塑性差；强度可达2 1 0 0m p a 以上；导热性能差，导热系数仅为7 1 2w ( m k ) ， 约为4 5 钢的1 7 。淬硬钢材料的硬度和强度取决于组织中马氏体的含碳量【1 2 1 。 淬硬钢材料的切削加工具有以下特点：( 1 ) 单位切削力大，且切削过程的平 稳性较差；( 2 ) 由于材料导热系数小，工件散热速度慢，切削温度高，最高可超 过9 0 0 ，刀具磨损严重，而组织中回火后呈弥散分布的细小碳化物加剧了刀具 的磨损；( 3 ) 由于切削变形不均匀，在一定速度条件下，淬硬钢切削时易产生锯齿 型切屑，锯齿状切屑的产生会造成切削力的循环变换和高频振动，其中工件硬度 和切削速度是影响切屑形态的主要因素i l 巧j 。 高速铣削具有加工精度高、表面粗糙度低、大大缩短加工时间和可直接加工 淬硬钢等优点，为模具、汽车、航空等制造业的生产带来巨大的变革【6 。8 】。在模具 制造过程中，传统的模具加工工艺依次为毛坯退火、粗加工、半精加工、淬火和 回火、电极加工、电火花加工特殊部位、精加工和手工抛光。铣削加工必须在模 具淬火之前进行，淬火后只能进行电火花和磨削加工，热处理产生的变形也必须 由电火花或手工进行修复，因此制约了模具生产效率的提高。 采用高速铣削方法加工淬硬模具，除深且窄的槽、清角等区域须采用电加工 外，其余绝大部分材料的去除都可以通过高速铣削直接完成，这样毛坯一次装夹 后可完成全部切削加工，节省了电加工和磨削加工的时间，大大缩短了零件的加 工过程和制造周期，提高加工效率4 - 6 倍，并使制造费用降低5 0 1 9 】。此外，高 速铣削加工产生的热变形小，加工精度高，加工表面无铣痕和微裂纹，表面粗糙 度可达到r a 0 6 “m ，保证了模具的加工精度和表面质量。因此采用高速铣削技术， 不仅可以提高淬硬模具的加工精度和表面质量，同时还可大幅度提高加工效率， 使淬硬模具钢的制造过程变得简单而高效，为我国制造业的发展带来巨大的推动 作用【l o 1 1 1 。 广东工业大学工学博士学位论文 在高速加工淬硬模具钢时，由于材料硬度高、切削加工性差等特点，切削力 和切削功率显著增加，切削温度升高，刀具磨损很快，产生的锯齿状切屑还可能 造成高频振动，因此在淬硬模具钢的实际高速加工生产中采用的切削速度仍偏低， 高速加工机床的加工效率尚未能得到显著提高。 此外，不同类型的淬硬模具钢加工特性不同，模具零件结构设计的复杂程度 也不同，必须根据加工表面类型选择加工路径，按照加工精度和表面质量的要求 建立相应的工艺原则和编程策略，合理安t 4 j j n 工参数。由于缺乏相应的理论指导， 在生产中还依赖于编程人员的现场经验，这也是制约淬硬模具钢高速铣削技术应 用的关键问题之一。 目前国内外对淬硬模具钢高速铣削过程中的切屑形成、切削振动、切削温度 等理论问题还没有全面深入开展，无法指导其生产实践，制约了淬硬模具钢高速 铣削技术的推广。虽然在淬硬钢高速车削方面已获得很多研究成果，但铣削是断 续切削过程，采用多螺旋刃回转的铣刀，铣削力的大小和方向在铣削过程中不断 变化，淬硬钢高速车削的研究结果还不能解释高速铣削过程的切屑形成等问题。 因此，如何从淬硬模具钢高速铣削的基础理论研究出发，深入了解淬硬模具 钢高速铣削的切屑形成过程和切屑形态，及其对切削过程中切削力、切削温度等 物理特征的影响，为合理选择刀具和工艺参数提供依据，实现高效高精度的淬硬 模具钢加工，是淬硬模具钢高速铣削加工急需解决的重要应用基础研究问题。 针对淬硬模具钢高速铣削过程中锯齿状切屑如何形成并影响切削过程、刀具 磨损严重、刀具选择和加工工艺参数缺乏理论指导等问题，本文综合利用力学、 机械加工理论、高速摄影技术、红外测温技术、材料测试分析技术和信号测试技 术等，对淬硬模具钢高速铣削过程进行全面完整的系统研究。研究了淬硬模具钢 高速铣削过程中连续带状和锯齿状两种切屑形态的形成条件；研究了锯齿状切屑 的各种特征，建立了锯齿状切屑形成的几何模型，提出了锯齿状切屑形成机理； 分析了淬硬模具钢高速铣削过程中切削力、切削振动、工件表面质量和切削温度 的特征，以及锯齿状切屑生成对上述特征的影响；揭示了涂层硬质合金刀具高速 铣削淬硬模具钢的刀具磨损破损机理；提出了淬硬模具钢高速铣削的刀具及其涂 层优选原则和工艺参数优选原则；实现典型淬硬模具零件的高效高精度加工。这 些研究对深入了解淬硬模具钢高速铣削过程，推动高速切削基础理论的发展，提 高淬硬模具钢高速铣削技术的应用水平都具有重要意义。 2 第章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 淬硬模具钢高速铣削的切屑形成 现有研究结果表明：锯齿状切屑是淬硬钢、钛合金、镍基合金等高硬度材料 切削时常常产生的切屑类型。锯齿状切屑的产生会造成切削力的周期性循环变换 和高频振动，影响刀具寿命，使刀具过早失效12 1 。 1 2 1 1 淬硬钢锯齿状切屑的形成机理锯齿状切屑的形成机理是淬硬钢高 速铣削研究的首要问题，现有研究多针对车削或正交切削获得的锯齿型切屑开展 的，目前存在绝热剪切和周期脆性断裂两种理论体系【1 3 】。 ( 1 ) 绝热剪切理论绝热剪切理论认为锯齿状切屑的形成是由于高应变 率条件下，当切削区域内塑性应变导致的加工硬化和绝热温升导致的热软化两者 之间的平衡被破坏，引起热塑性失稳沿刀尖向自由表面扩展，从而导致绝热条件 下剪切变形高度局部化的绝热剪切发生。当切削速度达到某一临界值，切屑内部 局部应力突变造成的绝热剪切是锯齿状切屑形成的根本原因1 1 3 - 1 7 1 。 r f r e c h t 最早采用绝热剪切理论解释硬切削条件下锯齿状切屑的产生，考虑 了剪切应力t 、剪切应变和温度0 ，提出绝热剪切失稳的判据： o 塑卜塑塑1 1( 1 1 ) a e la 9 冼 、。 其中：a t a e 表示材料应力应变关系，a i a o 为单位温升引起的材料强度变化， 而a o l o e 为不同的温升变化。比值在。到1 之间时，由于温升引起的材料强度下降 速度大于应变强化引起的材料强度增大速度而发生绝热剪切；比值为1 时，绝热 剪切开始；比值大于l 时，材料则处于应变强化状态。 h o uz h e n b i n 等通过对a i s i4 3 4 0 ( 相当于4 0 c r n i 2 m o ，3 5h r c ) 和钛合金 t i 6 a 1 4 v 不同切削速度下切屑形态和温度分布的比较，将剪切局部化过程划分 为三个阶段：初级阶段时形成切屑i 段，主剪切带形成，如图1 1 ( a ) ；中级阶段 时由于刀具移动，切屑i i 变形，剪切带旋转并向前运动，如图1 1 ( b ) ；最后阶段 切屑i 段沿主剪切面断裂，切屑i i 的剪切变形开始形成，如图1 一l ( c ) 。提出了剪 切失稳判据，即在热软化和应变强化共同作用下，当剪切带内工件材料强度o 小 于工件原始材料强度。时，剪切带内热软化作用占主导作用而发生了剪切局部化。 a i s i4 3 4 0 和t i 6 a 1 4 v 出现剪切失稳的临界切削速度分别为1 3 0 和9m m i n m 16 1 。 广东工业大学工学博士学位论文 图l l 剪切局部化的不同阶段【1 5 - 1 6 j f i g 1 1s c h e m a t i co ft h ed i f - f e r e n ts t a g e so fs h e a rl o c a l i z a t i o n 1 5 - 1 6 】 m a d a v i s 在c b n 刀具车削淬硬轴承钢( a i s i5 2 1 0 0 ，相当于g c r l 5 ，6 2h r c ) 的实验基础上，提出了直角自由切削条件下锯齿状切屑形成模型，如图1 2 所示。 切削刃在b 点时沿b d 方向发生绝热剪切，从b7 点向右运动时，沿a c 发生材料 破坏形成第二剪切区，与第一剪切区b d 相交，l f ，= 万2 + a 2 时剪切区发生突变， 并形成一个新的锯齿状切屑。锯齿状切屑开始形成时处于热传导、热对流和热产 生速率三者的动态平衡状态，当切削速度达到某一临界值时，动态平衡被破坏而 产生了均匀间隔的锯齿状切屑，锯齿间距随切削速度、切削厚度和刀具前角的提 高而增加【1 2 】。他还模拟了不同切削速度条件下切削刃附近剪应力和温度的变化， 发现切削速度提高时，剪应力和温度变化幅度增大，且锯齿状切屑的间距增大【l 7 1 。 b a 工件 图1 2 锯齿状切屑的切削模型【1 2 】 f i g 1 2c u t t i n gm o d e lo fs e g m e n t e dc h i pf o r m a t i o n 【1 2 】 g p o u l a c h o n 根据r f r e c h t 剪切失稳判据，提出剪切失稳对流动应力的增大 最敏感，其次是材料热性能的下降，而温度变化0 0 0 e 对流动应力的作用显著，并 通过淬硬轴承钢( a i s i5 2 10 0 ，相当于g c r l5 ，6 3h r c ) 正交切削切屑形貌的显 微观察，发现应变强化和热软化平衡时的切屑硬度为4 0 0h v t l 8 】。 4 第一章绪论 国内对淬硬钢锯齿状切屑形成机理的研究也都是在绝热剪切理论基础上开展 的。刘培德和王敏杰对金属切削过程中的热塑性剪切失稳进行了研究，建立了剪 切失稳后的锯齿状切屑模型，如图1 3 所示，通过对正交切削过程中热塑性剪切 失稳的分析，提出绝热剪切的临界切削条件由剪应变、剪应变率和变形温度组成， 当变形温度一定时，临界剪应变与临界剪应变率呈反比；当变形温度越高时，剪 切失稳所需的临界剪应变或剪应变率越大，并通过正交切削实验建立了2 5 c r m n s i 调质钢剪切失稳的临界切削条件【1 9 。2 0 】。 图l 一3 锯齿状切屑的绝热剪切模型2 0 】 f i g 1 3s h e a rl o c a l i z a t i o nm o d e lo fs e g m e n t e dc h i pf o r m a t i o n 2 0 】 阎秋生研究了陶瓷刀具车削淬硬轴承钢( g c r l5 ，6 1 6 5h r c ) 时锯齿状切屑 的切削变形过程，对切屑形成过程进行了动态观察，提出随切削速度提高，切削 变形速度增大，切屑与刀具前刀面间的第二变形区受阻，难以剪切变形将切屑排 出，使切屑由带状转化为锯齿状。切屑截面存在三个不同金相组织的区域，且切 屑底部还存在很薄的脆变层，与切屑基体之间有明显分界，受冲击后与切屑基体 分离。剪切裂纹的形成是由于第二变形区变形受阻而在前刀面上形成切屑滞留， 待切除材料由于温度升高呈现脆性而产生裂纹【4 】。 文东辉对p c b n 刀具车削淬硬轴承钢( g c r l5 ) 进行了研究，观察了不同工 件硬度和切削速度条件下切屑形态的变化，发现工件硬度3 0h r c 时，切削速度 达到2 5 0m r a i n 时也难以形成锯齿状切屑，而工件硬度6 2h r c 时，在较低的切 削速度条件下也形成了锯齿状切屑。切削过程中的瞬时高温使切屑底层组织发生 相变出现了白层，切屑底层的显微硬度最高达到8 4 0h v ，高于工件材料的原始硬 度7 6 0h v 。并根据切削力信号小波分析得到的高频信号中是否出现突发型信号， 进行剪切失稳的识别【5 】。 5 广东工业大学工学博士学位论文 ( 2 ) 周期脆性断裂理论周期脆性断裂理论认为锯齿状切屑形成的根本 原因是周期脆性断裂，由于从切屑自由表面向切削刃扩展的周期性整体断裂形成 了锯齿状切屑。m c s h a w 通过淬硬钢( a i s i8 6 2 0 ，相当于2 0 c r n i m o a ，6 2h r c - ) 车削切屑形成分析，提出如图1 4 所示的切削模型，将切屑分为脆性断裂的整体 断裂区和裂纹不连续的微裂纹区，刀具向左运动时，刚形成的锯齿状切屑单元沿 剪切面向外滑移，微裂纹区向前刀面扩展且逐渐发生弯曲，最终平行于前刀面【2 1 1 。 图1 4m c s h a w 的锯齿状切屑切削模型【2 l 】 f i g 1 - 4s e g m e n t e dc h i pf o r m a t i o nc u t t i n gm o d e lf