高硬度淬硬钢模具高速铣削性能研究.pdf

分类弓T H l 6 硕士学位论文 密级公珏 高硬度淬硬钢模具高速铣削 性能研究 张坤朋 学科专业扭越生造拯墓自动丝 指导教师王邀要数援塑哒主塾握 论文答辩日期 2 0 1 2 - 5 2 6学位授予日期 2 Q1 2 二鱼二2 8 答辩委员会主席匿适玲熬援 论文评阅人 蓬适验塾援釜迅挝叠级工猩蝴 广西大学学位论文原创性和使用授权芦Y 州2 1 60933IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIllllllllllllll 本人声明所呈交的论文，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得广西大 学或其它单位的学位而使用过的材料。与我一同工作的同事对本论文的研 究工作所做的贡献均已在论文f ，作了明确说明。 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归 属广西大学。本人授权广西大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有 权保存并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索和传播，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用授权。 囤不保密。 f 请在以I ? 相应方框内打“”) 沦文作者签名：多长坤嗣 日期：如，z 、矿 指导教师签名：荔即苏青 日期力倡一 作者联系电话：15 0 9 9 9 9 2 8 7 1电了邮箱：i n a s e n s e 1 6 3 c o m 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，并日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, D H Is L 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 、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 1 为研究对象，选用大直径涂层刀具进行高速铣削加丁实验，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 = 1 3 0 0 0 r p m ，L = 1 3 0 r a m ，V 。- 1 2 2 5 m m i n ，V u 3 0 0 0 m m m i n ， a 。= 0 3 t u r n ，a e = O 5 r a m ，顺铣，干切削) 的加丁参数下，优选出球头铣刀高速铣 削淬硬铡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 vf H R C S 0 ) f 1 7 , j 拼接，刀具从大硬度到小硬度，从上全卜，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p ，铣削方向与水平成3 0 。；高速 铣削C r l 2 M o Vf H R C 6 5 ) 与7 C r S i M n M o V ( H R C 5 0 ) f f ：j 拼接，刀具从大硬度到 小硬度，从上罕下，铣削方向与水平成1 5 。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，j 具从大硬度到小硬度，从上全 下，铣削方向与水平成15 。夹角； 2 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U i 配性能，分 析铣削过程中的铣削力、铣削振动、铣削温度、工件加丁表面形貌及表面 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 Vf H R C 6 5 ) 的最优涂层刀具是T i A l N 涂层J 具；在 半精加工工艺阶段，所优选出适合高速铣削淬硬钏模具C r l 2 M o V ( H R C 6 5 ) 的最优涂层刀具是T i A I S i N 涂层刀具； 3 高硬度淬硬制模具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T 参数为：n = 1 0 0 0 0r p m ，V 。= 9 4 2m m i n ， V U 3 0 0 0m m m i n ，a v - 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 RH l 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 一H R C 6 5 ) i nt h em i l l i n ga r e ao fh 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 s l 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 nag 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 e 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 m i l n 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 l h 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 b 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 l 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 ， 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 y a n dt o o lw 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 so p t i m a lc u t t i n gt o o lf 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 l 2 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 hh m d n e s sh a r d e n e d s 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 g p 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 1 0 0 0 0r p m ，V 。= 9 4 2m m i n ，V 1 1 = 3 0 0 0m m m i n ，a p - 4 6 m i l l ，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 s c a nb e t t e ra c h i e v e h i g h m 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 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 目录 摘要l A B S T R A C T 1 I I 符号说明V I I 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景与意义1 1 2 国内外研究的现状4 1 2 1 高速切削技术的概述4 1 2 2 淬硬钢切削刀具材料与刀具涂层材料5 1 2 3 淬硬钢高速铣削的铣削力7 1 2 4 淬硬钢高速铣削铣削温度与铣削热8 1 2 5 淬硬钢高速铣削过程中的振动及稳定性9 1 2 课题来源以及主要的研究内容1 2 1 2l 课题来源1 2 1 2 2 主要的研究内容1 2 1 2 3 研究思路1 3 第二章高速铣削淬硬钢的实验与研究方法1 4 2 1 实验系统1 4 211i 卒硬钢模具利料1 4 212 实验所用刀具15 2 13 机床与实验仪器17 2l4 实验系统原理图2 0 2 2 实验参数2 1 2 3 实验数据的分析方法2 3 2 3l 高硬度j 卒硬钢高速铣削的铣削力2 3 2 32 高硬度淬硬钢高速铣削的铣削振动2 6 233 高硬度淬硬钢高速铣削的铣削温度2 6 2 4 本章小结2 6 第三章高速铣削拼接式淬硬钢模具铣削力的研究2 8 V 3 1 同种模具材料( 大硬度差) 的拼接2 8 3 2 同种模具材料( 小硬度差) 的拼接3 9 33 不同种模具材料( 大硬度差) 的拼接4 1 3 4 不同种模具材料( 小硬度差) 的拼接4 3 3 5 本章小结4 5 第四章高硬度淬硬钢模具高速铣削刀具材料的优选4 6 4 1 针对精加工阶段的最佳刀具优选4 6 4 2 针对半精加 _ 阶段的最佳刀具优选4 9 4 3 优选出的高速铣削高硬度淬硬钢模具刀具5 3 4 4 本章小结5 3 第五章高硬度淬硬钢模具高速铣削稳定性研究5 4 5 1 淬硬钢高速铣削的动力学模型5 4 5 1 1 再生型颤振动力学模型5 4 5 1 2 稳定性l o b e s 图绘制5 5 5 2 高硬度淬硬钢稳定性l o b e s 图仿真5 6 5 2 1 系统模态参数识别的锤击实验5 6 5 2 2 模态参数的计算方法6 0 5 2 3 系统的模态参数6 0 5 2 4 颤振稳定性l o b e s 仿真 6 0 5 2 5 颤振稳定域的验证试验 6 2 5 3 本章小结6 5 结论与展望6 7 6 1 本文的主要结论6 7 62 展望6 8 参考文献6 9 附录I ：振动及幅值谱实验结果7 4 附录I I ：铣削温度数据及图像实验结果7 6 附录：淬硬钢铣削稳定性理论7 8 j 女谢。8 4 攻读硕士期间发表论文及项目8 5 符号说明 广西大掌硕士掌位论文 高硬度淬硬钢模具高速铣削性能研究 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，已成为世界各国 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1 毛T 业集训的子公司企业，主要负责从事大型 汽车内外覆盖件冲压模具( 图1 1 ) 、焊装央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。一直以米，哈汽车模具公司在对汽年大型覆盖件 淬硬钢模具( C r l 2 M o V 和7 c r S i M n M o V ) 以及小同硬度( H R C 5 0 H R C 6 5 ) 的拼接( 图 1 3 ) 加工时，山丁多种不同硬度的高硬度淬硬模只钢拼接处的加_ ；_ = 质量直接影响到工 件的质量，而合理的选择切削参数町以保汪工件的加1 ：质量，同| 忖可以延长刀具使用寿 命。因而，提供高效、高速的加上上艺参数姓得颇为重要；对丁在不同上艺加工过程巾 J 具的选择，往往是通过刀具生产J 向提供的通用数据或凭常规切削经验米选取相应的 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，I ：r ：艺参数。 ! ! 查兰! 主兰竺笙查 苎兰墨兰兰塑堡兰! 兰竺型：兰! ! ! 墨 ( c ) 7 C r S i M n M o V ( d ) C r l 2 M o V 图1 1 不同材料的汽车模具 F i g1 1A u t om o l d so f d i f f e r e n tm a t e r i a l s 图1 2 加工拼接式模具的I 艺流程 F i g1 2m a c h i n i n gp r o c e s so f s p l i c i n gm o l d s 2 二! 墅里竺! 璧竺兰兰三 苎竺垦兰兰塑竺兰苎兰兰型竺! ! ! 墨 一 。一一 图1 3 拼接式的模具 F i g1 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 ( t t 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 ) J , j ，f i ) f 究对象，选用大直径涂 层刀具进行高速铣削加l ：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、 具懋伸量、刀具切削方向) F 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 l S i N 、A 1 2 0 3 ) 划高硬度淬硬钢模具 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麓与刀具磨损的实验特征，进而优选出针对 不叫的加卜I 艺阶段与之相匹配的最佳涂层J 具；( 3 ) 高硬度淬硬俐模典 C r l 2 M o V ( H R C 6 5 ) 的动力学特。队，影响铣削过稃。p 颤振稳定性的圳素，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 图的仿真来选择岛效、稳定的加T T 艺参数。 r - 西大学硕士学位论文 高硬度淬硬钢模具高速铣削一l 生能研究 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 高速切削技术的概述 二卜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 d m a c h i n i n g ，H S M ) 技术或 高速切削( h 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，高速切削加工没订标准的定义，而只是一个相对概念1 2 , 3 I 。 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， 材料的去除率又相埘较低的场合，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问，但有很高的材料去 除率，见图1 4 。 商性能拥J ，蕾遥加J ： 冈葫； 特觚 实现 途径 斑瑁 举例 在! 翟型”，篓亲辈喜、 高的表面质量低的切削力 去除量( 减少工序) ”1 ”“巾 非常高的 切削速度 绢合_ 力且 大进给、大切深或高特殊、争用 刀具刃口优化、新型刀最高的主 一 的切削线遵度 的刀具具材料及涂层轴转速 t 1 1 D n - r ：飞机整体结 大尺寸轻金描合横具的粗抓i 糕密机械 铸铁铣削构件的加j 二 金构件加工精加上加工 图1 4 高性能加工与高速加工对比1 4 I F i g1 4T i l ec o m p a r i s o no fl l i g hp e lf o r m a n c ep r o c e s s i n ga n dh i g h s p e e dp lo c e s s i n g l 4 l 存高速切削过程中，刀具磨损、已加T T 件表面质量和加T 精度要求、切自力、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一眺的影响( 如图1 5 ) 。 对于r 岛速切削技术的优势在于：提岛加上效率、减小加1 - 时问、降低加T 成本、提高加 工质量( 如图1 6 ) 。 二! ! 兰竺竺兰竺兰三I _ ! 兰墨兰兰塑堡墨皇兰兰型竺! ! 竺墨 一 。- 一一一 图1 5 影响高速切削的重要因素q F i g1 - 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 【s I 7 提高加工质量 爱高的表面质量 2 可实现低变形( 翘曲) 加工 3 。可实现无攘动稳定性船工 g 更溉的切削力， 减少加工时问 1 更高妁切割速度 2 更高的进绘率 3 较大的材料去除率 4 更低的空运转耗时 降低加工成本、 1 缩短单体的生产聪闻 2 缩短单俘的规床生产时润 3 进步发挥刀其的矬篷 4 可实现干切削或准干切雕 图1 6 高速切削技术的优势I 1 F i gl 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 1 2 2 淬硬钢切削刀具材料与刀具涂层材料 切削刀具的性能由川具材料、结构及其几何参数所决定，其中，刀具材料对月具的 使用寿命、加工质量及加T 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j 具内热应力以较高频率地发“iJ 土J 划性变化，从而加 剧刀具的磨损速度”。所以，在高速切削过程中，i 但要求刀具的材料要 有普通刀具 广西大掌硕士学位论文高硬度淬硬钢模具高速铣月U 性 研究 材料最基本的 ；u 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问题的最佳解决方案”。1 。 涂层刀具是指在具有高韧性以及高强度的基体 涂抹一层或多层抗磨损、抗高温的 材料。1 。涂层刀具常用的涂层材料常t 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 I 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ET 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，尤其当用二r 高速切削性z 日, 。L 1 t 艮好； 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 是继人工合成会刚石之后 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“6 ”。 氮碳 铝 曩 氯碳 氯碳 品 ( b ) T j C N 。品 ( c ) T i A l N 图1 7 不同涂层构成原理m I F i g1 7T i l 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 剐 赫铁毫 一露钒鬻 赫钛童 广西大学硕士学位论支高硬度淬硬钢模- R - 高速铣肖U l 生胄皂研究 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一，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”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同有频 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。”选用T i A I 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 E ( 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 况下的流动应力模趔，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。存试验中所选用的切削参数：每齿进给量f z = 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 l , - 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”采用球头铣刀 铣削C r l 2 M o V ( H R C 6 2 一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cr 1 2 M o V ( H R C 6 2 一H R C 6 4 ) 淬硬钢时，其轴向力远高于径向力；铣削力与_ 件表面 租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_ ，_ ：J 改变程度较小，在轴向切深超O 2 m m 之后，随着轴向切深的不断增加，铣 削力及表面料糙度值都在迅速增加。 E l b e s t a w i ”2 等人选刖直径( 1 ) - 1 2 m m 的，j 具D H A - 淬硬模具钢 A I S IH 13 ( H R C 4 5 和H R C 5 5 ) ，研究表明：伽高速切削情况下，t J ! j _ 力的j F 均变化幅度减 少：切削过程叶 切削力减小的其本质与会属材料的变形、切屑与刀具、J 具与已加_ _ L = 农 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， 形成稳定地训i I j j 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b Y , , - 先j J 高速铣削 淬硬钢模具A I S IH 1 3 ( H R C 5 2 ) ，研究表明：轴甸铣削分力高于其他铣削分力，随着刀具 的小断磨损，轴向铣削分力的增人速度显著加快。 本课题组巾秦哲“”采用( 1 ) 6 m m 的T I S i N 、I i A l N ，铣削淬馒钢S 1 3 6 ( H R C 5 1 ) a V L I S K D I1 f H R C 6 5 ) ，发现：工件的硬度越高，切削力就越火；7 J 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_ l J | | ；随着轴向切深的增大，切削力旱增人趋势；每 广西大学硕士学位论文 高硬度淬硬钢模具高速铣削性j t 研究 齿进给量的增加，切削力也成比例增加。余东海2 ”采用巾- 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 I S i N T i C r A I S i N T i A l 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T 所研究的重要内容，高速铣削温度的分布状况和变化规 律足分析高速铣削过程的主要依据之，其对实际应用具有重要的指导意义。 华南理工人学的乐有树“”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。得到的结论足：在H 1 3 钢的岛速铣削中，月一件工界 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J 面定点的温度随着 切削速度的增人向增人；T 件铣削后的表而粗糙度值随符切削速度的增大而减小，达剑 定速度后又增人；工件端两的最r 岛温度随着切削速度0 9 L 曾人而增大；在低速段T 件端 面的最高温度随进给速度的增大而增大，在| 西速段随进给速度的增火而减小，工件端面 最高温度处的温度梯度很人。李龙涛“”1 用热源法对川，屑摩擦热源的温度场和剪切热源 进行了理论计算，建立r 端铣加工区的温度场传热模型，研究表明：川一屑摩擦热源会 产生刀具切屑温度场分布方程，而剪切热源会形成I ：件一切屑温度场方程；并将在二者 耦合卜的刀具七U 剧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 度场分布模璎。陆爱华”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划象。研 究表明：切削速度对铣削温度的影响最显著，其次是径向 刃深，最小是每齿进给量。范 伟。“首先基于红外测温原理，建立了川典监控系统，并对刀具临控系统的红外测温误差 进行了研究；然后通过建市铣刀的i 维模型并确定铣7 J 湍度场的边界条件，分析了铣刀 R 广西大学硕士掌位论文 高硬度淬硬钢模具高速铣A U 性j 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 。 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f z 其次，径向切宽a 。则为最小。李圆圆“2 1 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。定距离的地方。焦锋等人”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”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“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 。= 2 2 5l r d m i n 条件 时，J 具一工件之问的界面温度则保持在7 0 0 。C ，而上件表面与工件内部平均温度则维持 在1 5 0 。C 2 0 0o e ；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 。 唐德义“用寸) 6 m m 的T i S i N 涂层川具铣削S K D l l f H R C 6 2 ) 模具钢，结论显示：刀具一工 件问的界面温度维持r 1 ；5 7 0 。C 左右，工件的平均温度在保持在1 9 0 。C 2 2 5 。C 之间，当切 削结束后，刀具离丌工件时，切削刀具的最高温度则保持在3 6 0 。C A 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 铣削稳定性足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，在经过较短时问后振动就消失，铣削系统自动恢 复到它原来的平衡状态过程。不稳定铣削足加工系统在受到干扰后，其所产牛的振动程 度愈来愈人或不衰减的铣削过程。 对十切削加 _ 中的切削振动的类型一般情况卜可划分为以下几类。“ 9 F - 西大掌硕士学位论文高硬度淬硬钢模- N - 高速铣肖- I 生胄邑研究 ( a 1 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； ( b ) 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一刀 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，专这 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，