（机械制造及其自动化专业论文）skd61淬硬模具钢高速铣削加工技术研究.pdf

摘要 高速铣削加工作为一种先进的制造技术，在模具加工将得到越来越广泛地应用。高速铣削 淬硬模具钢具有加工效率高，表面质量好，生产周期短等优点，在不久的将来，会成为模具加 工的主要加工工艺。目前，虽然有很多企业在生产中应用高速切削方式来加工淬硬钢，但对其 切削机理的研究很少，造成淬硬模具钢的高速切削机理研究远远落后于实际应用。本文通过对 淬硬模具钢s k d 6 1 高速铣削研究，探索高速铣削时淬硬模具钢的已加工表面形成原理、变化规 律以及影响因素。 本文根据淬硬模具钢的材料特性，通过大量淬硬模具钢s k d 6 1 的高速铣削加工实验得出： 不同的冷却方式和铣削方式对高速铣削淬硬模具钢的已加工表面质量的影响不同。在精加工时， 淬硬模具钢的高速铣削采用油液冷却和单向铣削的切削方式对加工比较有利，同时本文提出基 于精度的高速铣削思想。通过对淬硬模具钢s k d 6 1 的高速铣削研究，得出高速铣削淬硬模具钢 s k d 6 1 时随着切削速度的增加、进给量减小，已加工表面质量呈上升趋势，这和传统的切削方 式相同；而随着背吃刀量的增加，已加工表面质量发生波动，在本文实验的范围内，这一特点 与传统切削方式不同。在高速铣削时，不同的切削参数组合，得到的已加工表面质量不同，因 此，高速铣削淬硬模具钢s k d 6 1 时，必须选择合理的工艺参数。 优质、高效、低耗、清洁的生产是先进制造工艺技术的基础，本文在进行大量高速铣削淬 硬模具钢s k d 6 1 实验的基础上，应用回归分析的方法建立表面粗糙度预测模型，然后利用 m a t l a b 软件，采用最小二乘法，求出回归系数，得到高速铣削淬硬模具钢s k d 6 1 的表面粗 糙度与切削用量之间关系的数学表达式。高速铣削淬硬模具钢必须既能保证被加工零件的加工 精度，又能提高加工效率，因此，本文提出基于精度的加工效率的思想，并对高速铣削淬硬模 具钢s k d 6 1 的切削参数进行优化，实现在加工前，预测和控制特定条件下的加工表面质量的目 的。 关键词：淬硬模具钢高速铣削表面质量加工效率表面粗糙度预测模型回归分析 a b s t r a c t a sa l la d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , h i g h s p e e dm i l l i n gi sb e i n ga p p l i e dm o r ea n dm o r e e x t e n s i v e l yi nm o l l l dm a n u f a c t u r i n g h i g h - s p e e dm i l l i n go fh a r d e n e dm o u l ds t e e lh a st h ea d v a n t a g e s s u c ha sh i g hp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , h i 曲s u r f a c eq u a l i t y , a n ds h o r tp r o d u c t i o nc y c l e ；i tw i l lb e c o m ea p r i m a r yt e c h n i q u ef o rm o u l dp r o c e s s i n gi nn e a rf u t u r e a tt h ep r e s e n tt i m e ，a l t h o u g ht h e r ea r em a n y c o m p a n i e st h a tp r o c e s sh a r d e n e ds t e e lw i t hh i g h s p e e dc u t t i n gt e c h n i q u ei nm a n u f a c t u r i n g ，t h e yh a v e d o n et i t t l es t u d yo ft h ec u t t i n gm e c h a n i s ma n dp r o c e s s t h i sr e s u l t si ns u c hac o n s e q u e n c et h a t m e c h a n i s t i cr e s e a r c ho fh i g h - s p e e dc u r i n gi ss of a rb e h i n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h r o u g ht h e i n v e s t i g a t i o no fh i g h - s p e e dm i l l i n go fh a r d e n e dm o u l ds t e e ls k d 6 1 ，t h i ss t u d yi s t oa d d r e s st h e f o r m a t i o nm e c h a n i s m , c h a n g i n gp a t t e r n ，a n da f f e c t i n gf a c t o mo fp r o c e s s e ds u r f a c eo fh a r d e n e dm o u l d s t e e ld u r i n gh i g h s p e e dm i l l i n g b a s e do nt h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c so fh a r d e n e dm o u l ds t e e l ，t h r o u g hal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t so nh i g h s p e e dm i l l i n go fh a r d e n e dm o u l ds t e e ls k d 6 1 ，i ti sc o n c l u d e dt h a td i f f e r e n t c o o l i n ga n dr n i h i n gm e t h o d sh a v ed i f f e r e n te f f e c t so nt h ep r o c e s s e ds u r f a c eq u a l i t yo fh a r d e n e dm o u l d s t e e lb yh i g h s p e e dm i l l i n g d u r i n gt h ef i n ep r o c e s s i n g , i ti sb e t t e rt oa p p l yo i lc o o l i n ga n du n i l a t e r a l m i h i n gf o ra c h i e v i n gh i g hp r o c e s s i n gp r e c i s i o n ，t h e r e f o r ei ti sr r - p o , e dt h a th i g h - s p e e dm i l l i n gi st h e a p p r o a c hf o rah i g hp r e c i s i o ni np r o c e s s i n gh a r d e n e dm o u l ds t e e l t h r o u g ht h es t u d yo fh i g h s p e e d m i l l i n go fh a r d e n e dm o u l ds t e e ls k d 6 1 ，i th a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o c e s s e ds u r f a c eq u a l i t yo f s k d 6 1g o e su pw h e nt h ec u t t i n gs p e e di n c r e a s e sa n dt h ef e e dd e c r e a s e s t h i st r e n dc o i n c i d e sw i t ht h e r e s u l t sf r o mt r a d i t i o n a lc u t t i n gm e t h o d s h o w e v e r , t h ep r o c e s s e ds u r f a c eq u a l i t ya l s og o e su pw h e nt h e m i l l i n gd e p t hi n c r e a s e s t h i sd i f f e r sf l o mt h et r a d i t i o n a lc u t t i n gm e t h o d s d u r i n gh i g h s p e e dm i l l i n g , d i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fc u r i n gp a r a m e t e r sr e s u l t si nd i f f e r e n tp r o c e s s e ds u r f a c eq u a l i t y i ti st h u s e v i d e n tt h a tf o rag o o dr e s u l t , p r o p e rc u t t i n gp a r a m e t e r sh a v et ob ec o nw h e nt h eh a r d e n e dm o u l ds t e e l s k d 6 1i sb e i n gm i l l e da th i ：g hs p e e d h i g hq u a l i t y , h i g he f f i c i e n c y , l o wc o s t , a n dc l e a nm a n u f a c t u r i n ga r et h ee s s e n t i a le l e m e n t si n a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e s b a s e do nal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t so nh i g h - s p e e dm i l l i n go f h a r d e n e dm o u l ds t e e ls k d 6 1 ，t h i ss t u d yh a sb u i l tam o d e lt op r e d i c tt h es u r f a c er o u g h n e s sb y r e g r e s s i o na n a l y s i s w i t hm a t l a bs o f t w a r e ，t h er e l a t i o nf o r m u l ab e t w e e ns u r f a c er o u g h n e s sa n d c u t t i n gp a r a m e t e r s w a so b t a i n e db a s e do nt h er e g r e s s i o nc o e f f i c i e n tu s i n gt h el e a s ts q u a r ee r r o r m e t h o d ，a n dt h u so p t i m i z a t i o no fc u t t i n gp a r a m e t e r sw a se s t a b l i s h e d t h i sa l l o w st h ep r e d i c t i o na n d c o n t r o lo fc e r t a i nc o n d i t i o n su n d e r w h i c ht h ed e s k e dq u a l i t yo fp r o c e s s e ds u r f a c ew i l lb ea c h i e v e d e v e nb e f o r et h ep r o e e s s i n g t h eh i g h s p e e d m i l l i n go fh a r d e n e dm o u l d s t e e ln o to n l yh a st oe n s u r et h e p r o c e s s i n gp r e c i s i o nb u ta l s ot oi m p r o v et h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y t h i sc u r r e n ts t u d yp r o p o s e st h a t h i g hp r o c e s s i n ge f f i c i e n c yh a st ob eb u i l to nh i g hp r o c e s s i n gp r e c i s i o n t h i sr e q u i r e so p t i m i z a t i o no f v a t t i n gp a r a m e t e r sf o rh i g h s p e e dm i l l i n go fh a r d e n e dm o u l ds t e e ls k d 6 1 t h e r e f o r et h es t u d y p r o v i d e s 翘e f f i c i e n ta n de f f e c t i v em e t h o dt op r o p e r l ys e l e c ta n dd e t e r m i n ec u t t i n gp a r a m e t e r sf o r h i g h - s p e e dm i l l i n go fh a r d e n e ds t e e l k e yw o r d s ：h a r d e n e dm o u l ds t e e l ；h i g h s p e e dm i l l i n g ；s u r f a c eq u a l i t y ；p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y ；p r e d i c t t h es u r f a c er o u g h n e s s ；r e g r e s s i o na n a l y s i s 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 模具制造及其高速切削技术 今天，中国制造业的产值占国民生产总值的三分之一以上：工业增加值占全国工业的五 分之四；上交税金占国家财政收入的三分之一，出口额占全国外贸出口总额的9 0 ，就业人 员约8 0 4 3 万，制造业是国家的重要经济命脉之一h 1 。同样，制造业还是高新技术产业化的 载体和实现现代化的重要基石，是国家安全的重要保障。在各国生产力的构成中，制造技术 的作用一般可占到5 5 - 6 5 。一个国家制造业的实力将直接地反映其国家生产力的水平和综 合国力，也将直接地关系着该国在国际市场上的竞争力和国际事务中的威望。因而，世界上 许多国家都非常重视其制造业的技术发展，大力研究开发新技术，推广应用先进制造技术， 以提高其制造业的整体实力和竞争力，推动国家经济持续、快速、健康地发展。制造业中， 特别是装备制造业的整体能力和水平将直接影响一个国家的经济实力、国防实力、综合国力 以及在全球经济中的竞争力。装备制造业是资本品的制造业，是制造业的基础与核心。装备 制造业的技术水平不仅决定了相关产业的质量、效益和竞争力的高低，而且成为传统产业实 现产业升级的基础和根本手段。因而提升装备制造业的制造能力是提升整体制造能力的前提， 为此，世界各国纷纷开展先进制造技术的研究稻开发，加强自己的装备制造能力，争取技术 优势，提高国家的综合实力协3 “1 。 1 1 1 模具制造技术 作为装备制造业之一的模具制造，在很大程度上影响了许多新产品的开发和制造，是制 造业中用量大、影响面广的工具产品。在现代工业生产中，有6 0 9 0 1 业产品需要采用 模具进行加工，模具制造已成为国民经济的重要基础行业。根据资料统计，在2 1 世纪中， 零件产品粗加工的75 、精加工的5 0 是由模具加工完成的，模具加工技术已成为衡量一个 国家机械制造水平的重要标志之一璐心1 。世晃上许多科技发达的国家都十分注重模具技术的 研发，大力发展模具工业，采用先进制造技术和设备，提高模具的制造水平，以满足模具的 制造精度高、使用寿命长、生产周期短和加工成本低的要求埔川。 模具制造技术是一门涉及多学科的交叉性科学。在现代化的生产中，模具型腔的制造技 术将直接影响产品的质量、生产率和加工成本，因此，模具型腔在制造时，除了要设计合理 外，还要有高质量的模具制造技术来保证。目前，现代化的模具型腔加工工艺主要有：成形 法、累加法和去除法【4 2 】。模具制造工艺方法的选择主要取决模具型腔形状的复杂程度和模 具材料的化学与力学性能。 当模具采用特种钢、有色金属材料时，可采用成形法来制造各种模具型腔。成形法制模 有：铸造法制模和挤压法制模两种池1 。铸造法制模可分为：砂型铸造、陶瓷铸造、压力铸造 同济大学硕士学位论文 及实型铸造，选择哪一种制模方法则由模具的尺寸、精度、质量和复制性所决定。挤压法制 模有：、冷挤压法、超塑性挤压法。热压印法是将模块加热到锻造温度后，用预先准备好的 模芯压入模块二挤压出型槽的方法。冷挤压法制模是一种不需去除材料而进行模具型腔加工 的工艺，一般用于制造重量轻的小模具。但冷挤压法受到挤压模头和模具材料力学性能的限 制。超塑性挤压法是利用材料在超塑性状态下，以成形冲头将型腔挤压成形的方法。成形法 制模后，还需对模具进行精加工，一般采用切削加工的方式。 累加法有：金属喷涂、电铸法、快速原型法h 嬲。金属喷涂是在高温及低温下进行金属喷 涂，可用于小型实验性模具，用这种方法处理的模具具有表面质量好、尺寸精度高、生产时 间短、费用低等优点，目前仅用于小型实验型模具；电铸法也称电解沉积，是利用在模型上 电解沉积金属的方法得到所需的型腔嵌件。电铸法的优点是它可准确地复制表面及尺寸精 度，并可用一个模型做成几个相同地型腔，其缺点是较费时间；快速原型法是一种崭新的制 造技术。它将零件的c a d ) 模型按一定方式离散，而后采用物理或化学手段将其形成零件的 整体形状。具体的方法是，依据零件的三维c a t ) 模型，经过格式转换后，对其分层切片， 得到各层截面的轮廓形状，然后用激光束选择性地固化一层层地液态光敏树脂，或切割一层 层的纸或金属箔片，或烧结一层层的粉沫材料，以及用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂 或热熔材料，形成各截面的轮廓形状，再逐步叠加成三维立体零件。其优点是设计和制造周 期短，可方便地用于注射模【4 2 】。 常用的去除法有：机械加工、电加工和化学腐蚀加工。在模具制造中约有9 0 的模具由 机械加工即切削加工的方法来完成。常用的切削加工方法有：车、铣、刨、磨等方法，它有 传统切削和高速切削两种，都可用于模具的加工。模具的机械加工主要是加工出模具型腔的 表面形状，一般采用数控铣床或加工中心，大部分时间花在精加工上。由于铣削留有刀痕， 还必须花大量的时间进行手工修磨；电加工是一种年轻的加工工艺，它包括电火花、线切割 和电解加工。电加工属于放电烧蚀的微屑加工，生产效率低。电火花是一种复制成形加工工 艺，是一定介质通过工具电极和工件电极之间脉冲放电时电腐蚀作用，对工件进行加工的一 种加工方法。电火花加工时必须具备加工该零件的电极，且电火花加工的质量受到电极磨损 和脉冲能量大小的影响；线切割是利用线电极像带锯，沿任何曲线切入金属零件进行加工。 线切割加工对于大型模具上具有深而窄的槽、各类曲面的零件的加工有较大的优越性，还可 用于加工各种高熔点、高硬度、高强度、高纯度、高韧性材料。电解加工是基于电解作用原 理，对导体或半导体工件材料加以溶解，形成所需的模具表面的过程。一般所有的金属材料 不论其硬度、强度、韧性等力学性能如何都能进行电解加工。化学腐蚀加工的加工原理是基 于金属在酸、碱、盐溶液中的可溶性，经腐蚀剂的蚀刻得到所需模具表面，其加工质量不仅 取决于工件材料及前道工序的表面质量，还取决于腐蚀溶剂，只有材料的组成及结构均一， 才能使工件材料均匀去除h 2 1 。目前，化学腐蚀加工投入大，质量不稳定。 在模具制造中，无论是采用何种方式制模，所制造的模具都必须具有一定的精度和质量。 2 同济大学硕士学位论文 一方面。由于模具的表面质量将直接影响到所制产品的质量、寿命和外观，因此，模具制造 中需花大量时间进行精加工；另一方面，随着产品更新换代速度加快，模具制造将成为新产 品开发的关键。1 9 9 0 年，模具交货期般为2 4 月，到今天缩短至6 9 月，甚至更短括心1 。 这将对模具制造提出挑战，要求模具制造的速度更快、质量更好。因此，人们都在探索如何 能快速、高质量的制造出所设计的模具。 1 1 2 高速切削技术 在机械制造业中，高效、优质始终是人们追求的目标之一。随着社会科学技术的日新月 异，人们对产品的个性化需求不断增加，产品的市场响应速度也越来越快，多品种、单件小 批生产的产品在机械加工中有着巨大的发展前景，这就要求机械加工尽可能的实现高速化和 高效率化，这样以高速切削加工为代表的切削加工新工艺正在迅速地发展。 高速切削是以高的切削速度、高的进给速度和高的加工精度为主要特征的切削加工新工 艺，其切削机理是源于德国切削专家萨洛蒙( c a r ls o l o m o n ) 博士于1 9 3 1 年提出的设想： 切削温度随切削速度的提高而上升，但上升到一个临界值后，切削速度的提高会使切削温度 和刀具磨损下降，并指出该临界值与工件材料的种类有关，见图1 嘲。且对于每一种材料， 都存在一个由于切削温度超过刀具所能承受的温度而不能切削的区域。他的设想给了以后的 研究者一个重要的启示：既当切削速度提高到或超过不可切削区域之后进入高速切削，切削 机理将有可能发生变化，并有可能进行高速切削加工嗽弧缘札2 h 锄。 自2 0 世纪6 0 年代初以来，人们就开始进行高速切削的试验和高速切削机理的研究，直 至2 0 世纪7 0 年代，美国诞生了第一台高速切削机床，使得高速切削的设想能够得以实现。 然而，高速切削技术应用于生产实践是在2 0 世纪8 0 年代初期。美国的飞机制造业为了缩短 加工时间和小型特殊零件的薄壁加工而提出了快速铣削加工的要求。在2 0 世纪8 0 年代中期， 机床制造商开始将高速切削技术应用于机械制造中阳一u 。 高速切削技术是一项系统性工程，它涉及到机床、刀具、工艺和工件材料等技术。 首先，要实现高速切削加工，机床主轴必须具有很高的转速，它是实现高速切削加工的 基础。但是，当机床高速旋转时，主轴和轴承之间将产生很大的摩擦，引起切削区域热量急 剧增加，从而限制了机床主轴转速的增加，为了减少摩擦，必须提高主轴和轴承的性能。目 前，应用于高速机床的高速轴承主要有动液轴承、静液轴承、磁悬浮轴承等。其中，磁悬浮 轴承是利用电子技术使轴承悬浮于空气之中，减小摩擦，使机床主轴得以高速旋转，特别适 合于高速切削加工。除此之外，新型的高速机床采用从主轴中间直接注入冷却液的冷却方式 来降低切削区域的热量，取得了很好的冷却效果，为机床主轴的高速旋转提供了良好工艺基 础。高速机床、高速主轴和高速机床其它配套技术的日益完善，为高速切削技术的实际应用 提供了必要的条件。 其次，刀具的材料和结构也是高速切削技术中一个非常重要的关键技术。为适应高速切 削技术的发展，出现了很多新型的刀具材料，较为突出的有聚晶金刚石( f o l y c r y s t a l l i n e 3 同济大学硕士学位论文 d i a m o n d ，p c d ) 、聚晶立方氮化硼( p o l y c r y s t a l l i n ec u b i c b o r o nn i t r i d c ，p c b n ) 和硬质合 金涂层( 删) 等。其中p c d 用于加工有色金属和非金属材料，可以得到很高的加工精度、 效率、稳定性和较低的己加工表面粗糙度数值；p c b n 则应用于加工硬度在h r c 4 5 以上的 高温合金、高强度钢、淬硬钢和高速钢等。在高速铣削淬硬钢时，可以起到以铣代磨的作用， 加工效率和精度都很高，这是金刚石刀具所不能实现的。但f c b n 刀具的价格高，这在很 大程度上限制了p c b n 刀具的应用范围；删涂层硬质合金可用于高速铣削加工淬硬钢。 t 讼f l n 涂层硬质合金具有t u n 的高硬度和耐磨性，又有a 1 2 0 3 的抗氧化和抗扩散磨损的能力， 目前已成为高速铣削中应用最多的刀具。由于圳几乎不传递热量，因此保护了刀具免受 高温的侵害，使刀具的使用寿命提高了4 0 0 ，而且这种特性在高速切削时尤为明显。但是， 值得一提的是，在传统的切削参数下，t i a l n 涂层刀具的使用寿命和普通的涂层硬质合金刀 具相同。虽然t t a i n 涂层的刀具价格比其它硬质合金涂层的刀具高，但由于其性价比好，所 以，在高速切削中、尤其是在高速铣削中应用非常广泛哆地2 7 删。 最后，近年来，随着新型超硬刀具材料和高速机床的飞速发展，刀具材料和高速机床的 性能迅速提高，以及价格的调整，使得采用高速切削加工在实际生产中得到广泛应用。在高 速切削过程中，采用不同的工艺参数、不同的加工条件和不同的工件材料时，高速切削产生 的切削变形、切削力、切削温度和刀具磨损等也不同，造成其高速切削的质量和效率更不同。 由于高速切削机理与传统切削不同，因此，目前世界各国都在积极地开展高速切削机理的研 究。关于铝合金或轻金属合金的高速切削机理研究，已取得了较为成熟的结论，并已用于指 导铝合金的高速切削加工。但关于钢材料及难加工材料的高速切削技术还没有完全了解，目 前尚处于探索阶段，理论研究远远落后于工业应用。因此，人们对高速切削技术的研究还“路 漫漫，其修远兮”。 高速切削技术是现代制造技术的重要发展方向之一，已成为先进制造技术领域不可缺 少的重要组成部分。目前，能够应用高速切削进行加工的材料有：以铝合金为代表的轻金属、 普通钢和铸铁、以淬硬钢为代表的硬质材料。能够实现高速切削的切削方式有：高速铣削、 高速车削、高速钻等。其中高速车削一般用于轴、盘类零件的加工，具有加工效率高、消耗 能量小、环境污染小、零件整体精度高和能方便地实现柔性加工等优点。高速铣削一般用于 平面或曲面类零件加工，高速铣削由于没有空行程，生产效率高，加工质量好，在工业生产 中，特别是模具生产中得到越来越多的广泛应用。采用高速铣削的方式既可加工普通钢和铸 铁，也可加工淬硬钢等硬质材料。 1 2 淬硬模具钢加工技术的发展 当今世界，科技日新月异，工业产品的更新换代的时间越来越短，产品的性能要求也越 来越高，这使得制造产品的模具必须具有更高的性能。也就是说，在模具制造中，不仅是模 4 同济大学硕士学位论文 具的形面设计上日趋复杂，自由形面应用的比例不断增加；而且是模具所使用的材料上品种 越来越多，材料的硬度也越来越高。随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高强度、 高硬度、高韧性、高脆性、耐高温度特殊性能的新材料不断涌现，尤其是伴随着淬硬钢在模 具行业的应用日益增多，模具的外观将更为美观，模具的耐用性则更好，但与此同时，模具 的制造难度也随之大幅度地增加【5 】。那么，怎样保证这些高硬度模具的加工质量、制造精度 和加工效率已成为制造工艺中一个十分棘手的问题。因此，如何提高淬硬模具钢的加工质量、 精度和效率一直为制造业所瞩目。 通常，为了使模具具有较高的使用寿命，采用淬火热处理来提高模具的硬度。模具的使 用特性决定了模具与其它普通机械零件淬火处理不同，一般材料淬火热处理有表面淬火和整 体淬火两种。表面淬火是表面淬硬到某一硬度，而材料的内部仍保留原有的机械性能。模具 淬火处理则是采用材料整体淬透，即材料的表面和内部均达到几乎相同高的硬度。 金属材料被切削所体现的切削加工性不是材料本身，而是工件材料被切削加工时与刀具 组合在一起的金属切削特性，它与具体加工条件有关。影响切削加工性的首要因素时工件材 料的硬度。由于金属材料淬硬后，硬度显著增加，造成材料的可切削加工性下降、制造难度 增加。以往在模具制造时，为了降低模具的制造难度，必须在退火的状态下对模具进行粗加 工和半精加工，然后再进行淬火热处理工艺，使模具达到设计所要求的硬度。淬火处理后， 伴随着模具硬度大幅度增加的同时，模具的可切肖8 加工性降低，模具的加工变得困难了，而 对于复杂形面的模具，加工则更困难了饽加】。 无论是在国内，还是在国外，传统生产上，能够对淬硬钢进行精加工的方法一般为磨削 加工、电加工和手工研磨。 磨削加工是机械制造中应用较广的加工方法之一。磨削主要用于各种硬度或超硬材料的 精加工和半精加工，也可以用于荒加工和粗加工。磨削用于精加工和半精加工时，其已加工 表面粗糙度可达0 0 2 5 o 8um 。磨削过程实际上是切削、刻划和抛光的综合复杂过程。磨 削之所以能达到很高的精度，很小的表面粗糙度值，是因为磨削的砂轮经过精细修磨，磨粒 具有微刃等高性；磨削厚度很小，除了切削作用外，还有挤压、抛光作用；但磨削时，由于 切削深度较小，切除单位体积的切屑所消耗的功率较大，因此磨削的生产效率低、加工成本 高。由于磨削时产生的热量较大，非常容易产生已加工表面的变形、烧伤，磨削表面产生的 残余应力也很大，这些都将严重地影响了已加工表面质量。另外，在磨削时，细小的磨屑很 容易进入切削液和空气，这既污染了环境，又影响了操作人员的安全嘲。 如前所述，电加工是一种微屑加工，生产率较低。常用的电加工有电火花和线切割。电 火花在加工时，必须具备加工该零件的电极，加工的质量受电极损耗和脉冲能量的影响较大， 脉冲能量越大，生产效率越高，但加工表面质量则较差，加工成本高。线切割用于加工精密 细小、形状复杂、材料特殊的冲模零件，可用于加工各种高熔点、高硬度、高强度、高纯度、 高韧性材料，对于加工大型模具上深而窄的槽、各类曲面的零件具有较大的优越性硒旭一 5 同济大学硕士学位论文 当淬硬钢作为模具材料使用时，经常还会碰到一些形面比较复杂的模具。通常，为达到 形面设计所要求的精度和粗糙度，人们必须化费大量的时间进行研磨及抛光。迄今为止，全 自动抛光及研磨还没有达到令人满意的效果，人们只能借助于电动或气动设备，或用超声的 办法进行手动抛光及研磨，这样不仅加工效率低，生产成本高，并且已加工表面质量非常不 稳定，造成加工精度很难控制哺瑚瑚8 。 随着高速切削技术的发展，随着刀具性能和数控机床性价比的提高，使淬硬模具钢等 硬材料的切削加工成为可能。淬硬钢的高速切削可采用高速车削和高速铣削。由于高速铣削 一般用于平面类、曲面类或各种沟槽的加工，所以在模具生产中经常应用高速铣削。 1 3 本文研究的对象和主要研究内容 1 3 1 选题的意义及研究对象 在了解了模具制造的方法以及淬硬钢高速切削在模具制造中的重要作用之后，有必要进 行淬硬钢的高速铣削研究，以其能够获得预期的加工效果。高速切削淬硬钢是一种新型的制 造工艺。目前，虽然世界各国有不少企业正在将高速切削技术应用于实际生产加工，对高速 切削以铝合金为代表的轻金属其切削机理已有较为成熟的结论，并用于指导铝合金高速铣削 生产实践；对淬硬钢的非高速切削技术也有一定的了解【1 8 1 ，但对于高速切削淬硬钢等难加工 材料的切削技术研究尚处于探索阶段。国内，仅见广东工业大学曾兰平先生u 列利用实验的方 法，对高速铣削淬硬4 5 钢( 阳王a 酊) 的涂层刀具切削性能进行研究，得出高速加工淬硬钢 时涂层刀具的主要失效形式为刀尖破损，以及涂层刀具应当选择的角度，同时还阐明了高速 加工淬硬钢的切削用量因工件和刀具而异并应兼顾加工效率和刀具寿命。国外，m c m a s t e r u n i b e r s i t y 的hak i s h a n w y 和mae l b e s t a w i 研究了p c b n 刀具在高速车削淬硬钢时的磨 损形式与高速车削时的残应力，得出高速切削时p c b n 刀具的破损形式及残余应力随切削 速度的增加而减小啪心捌。由此可见，国内外的学者对高速铣削淬硬钢的研究甚少，尤其缺 少高速铣削淬硬钢加工质量、工艺参数合理选择方面的研究，以至于影响高速铣削技术的应 用，因此有必要对高速铣削淬硬钢的工艺参数进行分析与研究。 本文通过对高速铣削淬硬模具钢s k d 6 1 的实验及研究，探索淬硬钢高速加工的质量与 切削参数之间的规律，淬硬钢高速加工的效率与切削参数之间的规律，研究高速铣削淬硬模 具钢的表面粗糙度预测模型，寻找高速铣削淬硬钢切削用量与表面粗糙度之间的关系，得出 高速铣削淬硬钢s k d 6 1 的合理工艺参数，为合理确定高速铣削淬硬钢材料的切削参数提供 一条较为有效的方法。 6 同济大学硕士学位论文 研究的主要思路如图所示： 1 3 2 章节安排及主要研究内容 本文内容安排如下t 第一章：主要介绍淬硬模具钢在模具制造中的应用、淬硬模具钢的加工现状和发展趋 势，同时说明本课题选题的背景、研究思路和研究的主要内容。 第二章：本章主要阐明用于高速铣削研究的淬硬模具钢s k d 6 1 的材料特性和加工特 点，论述高速铣削技术和淬硬钢高速铣削技术的特点。 第三章：根据铣削加工时已加工表面形成的机理，分析高速铣削加工的已加工表面的形 成、评定标准和影响因素。研究在高速铣削淬硬模具钢s k d 6 1 时，切削用量、切削方式和 冷却条件等因素对表面质量的影响。 第四章t 对淬硬模具钢s k d 6 1 进行高速铣削得实验性研究，较为详细地研究高速铣削 淬硬模具钢的切削参数对表面质量的影响规律，分别得出高速铣削淬硬模具钢s k d 6 1 时， 机床主轴转速、进给量、背吃刀量与表面粗糙度之间的关系式，为确定高速铣削淬硬模具钢 s k d 6 1 合理的工艺参数奠定基础。 第五章：基于统计分析的原理，建立高速铣削淬硬模具钢s k d 6 1 的表面粗糙度预测模 型，通过回归分析的方法，得出切削用量与表面粗糙度的关系式。基于线性规划的优化原理， 7 同济大学硕士学位论文 在所建立的表面粗糙度与切削用量关系式的基础上，对高速铣削淬硬模具钢s k d 6 1 的切削 参数进行优化处理，确定对于高速铣削淬硬模具钢s k d 6 1 较为合理的切削参数。 第六章：阐明本文的结论，对高速铣削淬硬模具钢技术研究提出展望。 8 同济大学硕士学位论文 第二章淬硬模具钢高速铣削技术 2 1 淬硬模具钢的性能 s k d 6 1 模具钢是日本的耐磨及不变形热作模具钢，它相当于我们国内的1 4 c r s m o s i v l 合金钢。其化学成份为：0 3 2 0 4 2 c ；0 8 0 1 2 0 s i ；0 2 0 o 5 0 。薹0 4 m n ；4 7 5 - 一5 5 0 c r ； l 。l o 1 7 5 m 0 ：0 8 0 1 2 0 v ；耋0 0 3 0 p ；耋0 0 3 0 s ；残余铜o 3 0 ；残余镍0 3 5 。1 4 c r 5 m o s i v l 合金钢是一种空冷硬化的热作模具钢，也是所有热作模具钢中使用最广泛的钢号。它具有较 高的硬度，在中温条件下具有很好的韧性、热疲劳性和一定的耐磨性，热处理变形小，空淬 时产生氧化铁皮的倾向小。1 4 c r s m o s i v l 合金钢淬火后，强度大，硬度高。脆性大，其抗 拉强度钆达2 3 5 g p a 。硬度达职c4 6 一- - 6 6 ，材料伸长率6 只有5 ，冲击韧性at 只有0 6 蛭珈2 。 它被广泛地应用于制造热挤压模具与芯棒、锻模、铝、铜及其合金的压铸模等模具。 随着淬硬模具钢s k d 6 1 的硬度增高，材料的可切削加工性下降，切削温度上升，刀具 磨损快，使得刀具的使用寿命缩短峨捌。因此，s k d 6 1 淬硬模具钢是归属于难加工材料o f 通 常，s k d 6 1 淬硬模具钢是在淬火前进行粗加工，淬火后进行精加工，由于很难用传统的切 削加工方式对其进行切削，只能采用磨削和电加工的方式精加工，但切削时间长，加工效率 低，生产成本高。随着高速切削技术的发展，高速切削机床和刀具的价格下降，高速切削技 术为淬硬模具钢等硬质材料的加工提供了一种新途径。 2 。2 高速铣削淬硬模具钢技术 高速切削技术是现代制造技术的重要发展方向之一，已成为先进制造技术领域不可缺少 的重要组成部分疆l1 1 娜。高速切削分高速车削和高速铣削两种加工方式。 高速车削可用于淬硬钢零件最终加工或精加工。高速车削淬硬钢所消耗的能量是普通磨 削的1 5 ，材料切除率是磨削加工的3 - 1 0 倍，且次装夹，可实现多工序加工，加工位置 精度高、加工效率高。高速车削可采用少量的切削液或采用气体冷却，使加工成本降低，且 有利于环境保护高速车削中产生的切削热被高速运动的切屑飞速带走，使工件表面不会产生 烧伤和裂纹，能够得到更高的表面质量。若在高速车削时采用数控车床和车削中心，还能方 便地实现柔性加工。高速车削硬质材料适用于轴类、盘类零件加工。由于车削加工是一种连 续加工，而高速铣削是断续加工，刀片冷却时间比车削多，所以高速车削的切削速度一般与 高速铣削的切削速度不同。 由于机床的特点决定了高速车削不能用于加工平面、曲面类零件以及模具的型腔，因此， 9 同济大学硕士学位论文 该类零件，尤其是模具型腔的加工则使用高速铣削较为适宜，特别是高速数控铣床和加工中 心的诞生，为模具型腔的加工提供了一种较为便捷的加工方式，且在不久的将来，会成为模 具加工的主要加工工艺手段，将有8 5 的模具加工的工作量由高速铣削来完成瑚心1 。 2 2 1 高速铣削的加工特点 高速铣削是高速切削技术的一个重要分支，主要用于平面、曲面类及模具型腔等零件的 精加工。过去，高速铣削虽然在生产中得到应用，但往往比较注重其加工效率，而忽视了高 速铣削了在加工精度方面的优势。实际上，高速铣削时，其表面粗糙度可达0 6nm ，即可 实现半精加工和精加工。 高速铣削需采用高速铣床或高速加工中心，其主轴转速在1 0 0 0 0 r m i n - , 4 0 0 0 0 f r a i n ，机 床具有良好的刚性，为高速铣削获得较高的表面质量奠定基础。高速铣削的刀具材料可选用 聚晶立方氮化硼、新型硬质合金和涂层硬质合金。归纳高速切削技术与铣削的性能，可见高 速铣削有以下特点： 1 、高速铣削的效率高 切削加工中，通常用切削时间和材料切除率来衡量加工效率的大小。其表达式为： 切削时间：t 。- - - - f ( 1 v 。，1 f z ，l ) ；2 - - 1 材料切除率：q = f ( v c ，包，a d ) ； 2 - - 2 其中k 为切削速度，包为进给量，a p 为背吃刀量，即为切削用量三要素。从上述两个 函数式中我们可以看出，提高切削用量三个要素中的任意一个要素，都可以提高加工效率， 即切削加工时，切削时间越短，材料切除率越大，加工效率越高。 在高速铣削时，由于采用高的切削速度，可以使切削时间减小、材料切除率增加，有资 料表明：按高速切削单位功率比，高速切削的材料切除率可提高4 0 以上呻心1 ；而且在高速 旋转的主轴下对淬硬材料进行铣削，可使加工表面不留铣刀痕迹，获得的已加工表面质量高， 缩短了人工手工研磨的时间，甚至取消手工研磨；另外，高速铣削时，在切削速度提高的同 时，机床快速空行程速度也大幅度提高，减少了非切削的空行程时间；从而使高速铣削的加 工效率大大提高 4 2 , 6 , 3 8 , 8 1 。 2 、高速铣削的切削力小 高速切削时，当铣削速度上升一定值以后，切削加工所产生的切削力将下降3 0 左右， 尤其是径向切削力的大幅度降低，有利于提高刚性较差零件的加工精度，对模具型腔中的加 工也非常有利8 。 3 、高速铣削的质量高 高速铣削时，随着铣削速度的提高，切削变形减小，加工时所产生的残余应力减小，切 屑容易折断，刀具表面没有积屑瘤产生，而且高速铣削时机床的激振频率远离工艺系统的固 有频率，工作平稳，使被零件能够得到一个较高的整体精度峨心8 。 4 、可减少加工工序 1 0 同济大学硕士学位论文 由于高速铣削可以得到较低的已加工表面粗糙度数值和较高的位置精度，使零件的加工 实现粗、精加工一次完成，且可以不分的取代磨削、电加工和手工研磨，减少加工工序【6 】。 5 、 残余应力小 高速铣削时，随着铣削速度增高，排屑速度也很大，使得9 5 9 8 以上的切削热来 不及传给工件，就被切屑飞快地带走，工件积聚恶热量极少，基本上保持冷态，被加工零件 不会由于温升而导致翘曲或膨胀等变形【6 】，工件的热变形小。 高速铣削时，很高的铣削速度使得被切削层还来不及变形，已经变成切屑离开工件，造 成切削变形小，切削破坏层变小，加工硬化小，产生的残余应力小，表面质量蒯6 】。 6 、加工成本低 虽然高速铣削的机床比普通的机床价格高，但是由函数( 1 ) 中我们可以看出，随着铣 削速度的提高，切削时间将减少；而且由于高速铣削减少了加工工序，使零件的加工成本仍 可大幅度的降低埠j 。 7 、刀具使用寿命长 相对于高速车削而言，高速铣削时，刀具上每一刃的切削量极小，且铣刀不是连续切削， 刀片有一定的冷却时间，这些都有利于延长刀具的使用寿命。 2 2 2 淬硬模具钢的铣削加工 在高速铣削过程中，采用不同的工艺参数，不同的加工条件和不同的工件材料，其铣削 的已加工表面质量和加工效率则不同。高速铣削的“高速”是相对与常规铣削速度而言，但 具体如何定义