机械设计学士学位论文.doc

黑龙江东方学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计）论文题目：淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计学 部 机电工程学部 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 王志远 学 号 074180433 班 级 07级机械数控1班 指导教师 姜 彬 答辩日期 2011年5月21日 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（一）姓名王志远学号074180433专业班级机械数控1班总成绩毕业论文（设计）题目：淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计答辩委员会评语答辩成绩主任签字： 年 月 日答辩委员会成员签字学部毕业论文（设计）领导小组意见组长签字： 年 月 日 学部公章黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（二）姓名王志远学号074180433专业班级机械数控1班毕业论文（设计）题目：淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计指导教师评语指导教师成绩指导教师签字： 年 月 日黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（三）姓名王志远学号074180433专业班级机械数控1班毕业论文（设计）题目：淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计评阅教师评语评阅教师成绩评阅教师签字： 年 月 日黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）任务书姓名王志远学号074180433专业班级机械数控1班毕业论文（设计）题目：淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计毕业论文（设计）的立题依据主要内容及要求进度安排学生签字：指导教师签字：年 月 日黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计摘 要高速铣削技术由于具有相对于传统加工高效率、高精度、高表面完整性的特点，近年来得到人们的广泛关注。其研究内容包括高速铣削的机理、高速铣削的工艺技术、高速铣削刀具技术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性，使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高。目前，采用适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床是制造业的发展趋势，我国近来也在加快发展。我国在高速切削加工领域的起步晚，高速刀具技术比较落后，主要依靠进口；缺乏足够的高速铣削加工数据，因此没有合理的加工参数选择方案和合适的刀具选择方法。本文首先分析了模具的几何特征和模具对加工工艺的内在要求，联系高速铣削加工的特点，说明了在模具加工方面采用高速加工的可行性和必要性。收集文献中有关铣削力、铣削热、铣削稳定性的实验，描述了高速铣削加工模具的规律和特点，为后文分析具体的切削规律做了理论铺垫。然后采用已经得到的高速铣削的基本理论，分析了影响采取高速加工工艺的因素，如加工表面质量、加工效率、加工精度，并给了解决其矛盾的具体方法。最后，综合论文内容，总结高速铣削加工模具型面的特点和要求。将模具铣刀划分成立铣刀、锥铣刀和球头铣刀并分别叙述了使用条件和注意事项。明确了模具铣刀的设计出符合要求的高效模具铣刀关键词：高速铣削；淬硬钢；模具铣刀；几何特征IIhardened steel high-speed milling tooldesign and analysisAbstractHSM has been noticed more frequently than before since it has a quality of high effectiveness, high accuracy, high level of surface integrity rather than traditional manufacturing method. The research of HSM include mechanism of HSM, cutting parameter choosing method, cutting technology. The high-speed cutting technique has much excellence, for example, the cutting action effectiveness, the process quality is high, able to directly process quench stiff steel and well economy. So the production efficiency and quality of profession, such as aviation, Dies and Moulds, Motor vehicle, Light industry and Message and so on, have been remarkably improved. At present , the high speed machining center and other high speed NC machines which are adequate to the demand of HSC have presented popularization tendency,and also developoing rapidly in our country. Although there is in China made High Speed Cutting center, the machines has been a hotspot of imports in many corporations departments and some corporations has imported a large number of high-speed cutting centers. The high-speed cutting is a kind of brand-new cutting methods. Researches in this field is about to start with no basement. While lacking in the aspects of the machining technics and parameters of HSM.Because there are few practical machining and research experiment, the experience of manufacturing is lacking. We have no rational project in selecting machining parameters and right way in selecting machining tools.At last, with the basis work which has been finished before, the quality of using High Speed Milling manufacture mould surface is put out and a high efficiency cutting tool has been designed according to the quality.Keywords：HSM；hardened steel；mould cutting tool；geometric guality目录摘要Abstract 第1章 绪论1 1.1 高速铣削技术概述1 1.1.1 高速铣削机理1 1.1.2 高速铣削工艺技术11.1.3 高速铣削刀具技术21.1.4 高速铣削技术的优点4 1.2 高速铣削技术的研究及发展51.2.1 高速切削技术起源及国外发展51.2.2 国内高速铣削技术的研究现状6 1.3 本课题研究意义91.4 本论文研究内容及结构安排101.4.1 本论文主要内容101.4.2 本论文内容安排10第2章 淬硬钢高速铣削加工特征分析12 2.1 淬硬钢切削特征分析12 2.1.1淬硬钢材料简介122.1.2 高速铣削切削的形态及切削力的特征142.1.3 高速切削的已加工表面的完整性152.2 模具高速铣削加工质量特征172.2.1 材料的高速铣削加工性172.2.2 淬硬钢表面层的力学性能172.2.3 加工精度的要求182.3 高速铣削加工模具型面的关联性分析192.3.1 铣削方式选择192.3.2 对铣刀的要求202.3.3 切削参数研究202.3.4 切削路径232.4 本章小结25第3章 高速铣削加工表面质量与效率分析26 3.1 高速铣削淬硬模具钢表面质量影响因素26 3.1.1 表面粗糙度263.1.2 表面层加工硬化程度273.1.3 表面层残余应力273.2 高速铣削淬硬模具钢加工精度影响因素分析283.3 高速铣削加工效率影响因素分析293.4 高速铣削加工质量与加工效率冲突及解决方案293.5 本章小结31第4章 高效模具铣刀设计324.1 模具铣刀的分类和使用条件324.1.1 立铣刀324.1.2 圆锥铣刀334.1.3 球头铣刀334.2 设计目标和方法334.3 铣刀材料性能比较344.3.1 涂层硬质合金344.3.2 陶瓷材料354.3.3 立方氮化硼364.4 结构设计374.5 刀具连接结构404.6 本章小结41结论42参考文献43附录45 致谢54模具高速铣削加工特征分析与刀具设计第1章 绪 论1.1 高速铣削技术概述1.1.1 高速铣削机理高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。通过对高速加工中切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究，也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导。高速切削机理的研究主要有以下几个方面：(1)高速切削过程和切屑成形机理的研究对高速切削加工中切屑成形机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究，采用科学实验和计算机模拟仿真两种方法。进一步研究新的模型，采取可靠的算法，尽量准确地描述高速铣削的加工过程，参考铣削切屑的成型机理，努力从本质上描述高速铣削过程的加工特性，为其他方面的研究打下坚实的基础。(2)高速加工淬硬钢基本特征量规律的研究和实验数据总结对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具寿命和加工质量等现象及加工参数对这些现象的影响规律进行研究，提出反映其内在联系的数学模型或曲线。实验方案设计和实验数据处理也是研究工作中需要解决的问题，工艺参数选择应以某一条件作为优化目标，寻求多条件约束下函数的最优解，但应考虑切削实验数据的支持。由于不同硬度淬硬钢材料在高速切削中表现出不同的特征，所以，要研究各种工程材料在高速切削下的切削机理，建立详尽的实验数据通过系统的实验研究和分析，建立高速切削数据库，以便指导生产。1.1.2高速铣削工艺技术高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一。切削方法选择不当，会使刀具加剧磨损，完全达不到高速加工的目的。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等。随着模具行业竞争程度的加剧，在保证加工质量的情况下，如何缩短交货时间，增强企业对市场的快速反应能力，成为一个模具企业急需解决的问题，因此迫切需要高速铣削技术进入工厂，创造价值。1切削方法和切削参数的选择与优化在高速切削中，必须对切削方法和切削参数进行优化选择。其中包括优化切削刀具控制，如刀具接近工件的方向、接近的角度、移动的方向和切削过程(顺铣还是逆铣)等。2对各种不同硬度淬硬钢的切削方法由于硬度不同，对刀具的磨损情况不同，除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，在切削过程中还要采取不同的切削条件才能保证加工质量和加工效率的高度统一，根据不同硬度加工材料来研究高速切削工艺方法，也是高速切削工艺技术研究的重要内容之一。高速切削工艺技术研究是一项很有意义的工作。实践证明，如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺技术指导，昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用。高速切削的工艺和传统的工艺方法有很大差别，至今还远不如传统工艺方法那样成熟和普及。这一点是高速机床使用中要特别加以注意的问题。 1.1.3高速铣削刀具技术1刀具材料刀具作为高速切削的切削工具，是高速切削推广应用中的一个关键问题。刀具材料的迅速发展是高速切削得以实施的工艺基础。高速切削加工要求其刀具材料与被加工的材料的化学亲和力要小，要具有优异的机械性能和热稳定性，抗冲击，耐磨损。目前，高速切削加工常用的刀具材料有涂层刀具、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)以及高速钢、硬质合金等。涂层刀具是通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是几种涂层材料复合而成的复合涂层，常用的涂层材料主要有：氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)。碳氮化铝钛(TiCAlN)等，其中TiAlN在高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800。近年来相继开发的一些新型PVD(物理气相沉积)涂层材料，在高愠下具有良好的热稳定性；十分适合于高速切削。此外，最新开发纳米涂层材料在高速切削中也具有广阔的应用前景。金属陶瓷材料具有较高的室温硬度，高温硬度及良好的耐磨性。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，可在(2001000)mmin的切削速度范围内高速切削淬硬钢、铸铁及其合金等。CBN刀具具有极高的硬度及红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金的理想刀具材料，但其固有的脆性大，耐冲击能力弱的特性，限制了其在高速铣削领域的应用。随着切削速度和工件硬度的提高，对高硬度、耐冲击材料提出了新的需求，必须研究开发新型刀具材料或对目前材料进行改性研究，以适应高速切削加工的需要。2刀具连接结构对于安装在高速主轴上的旋转类刀具来说，刀具的结构安全性和高精度的动平衡是至关重要的。高速切削过程中，随着刀具的高速旋转，刀柄的开口由于离心力的作用会产生扩张，从而引起刀具的定位精度和连接刚性下降。当主轴转速超过10000rmin时，一方面由于离心力的作用使主轴传统的7：24锥度端口产生扩张，刀具的定位精度和连接刚性下降，振动加剧，甚至发生连接部位的咬合现象。另一方面常用刀片夹紧机构的可靠性下降，刀具整体不平衡量的影响加剧(与转速的平方成正比)。为解决这一问题，开发了采有锥部和主轴端面同时定位的双定位式刀柄，如德国开发出的HSK(短锥空心柄)连接方式和对刀具进行等级平衡及主轴自动平衡的系统技术。HSK连接具有很高的接触刚度，夹紧可靠，重复定位精度高，适合于(2000046000)rmin的高速主轴。而主轴自动化平衡系统能把由刀具残余不平衡和配合误差引起的振动降低90%以上。在刀具的其他方面，采用比强高的刀体材料和零件少、简单、安全的刀体结构，同时具有短切削刃、较大刀尖角、较强断屑能力和经过优化设计的切削几何角度、几何尺寸。3刀具在线检测技术由于高速铣削设备投资高昂、精密程度高，而高的切削速度又具有潜在的危险性，应该针对刀具的切削状态开发出实用的在线检测系统，当刀具接近需要修磨状态时能发出提示，避免了人工掌握刀具寿命管理时的主观随意性，而且开发刀具在线检测技术，可以科学地安排刀具的切削时间，实际上降低了专用的高速切削刀具的切削成本。 1.1.4高速铣削技术的优点1能获得很高的加工效率切削时间的多少取决于进给速度或进给量的大小。很显然，若保持进给速度与切削速度的比值不变，随切削速度的提高切削时间将迅速减少。高速加工虽然切削深度和厚度小，但由于主轴转速高，进给速度快，因此使单位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工效率也提高了。2能获得较高的加工精度高速切削具有较高的材料去除率并相应减小了切削力。对同样的切削层参数，高速切削的单位切削力明显减小。在加工过程中，切削力的降低对减小振动和偏差非常重要。这使工件在切削过程的受力变形显著减小，有利于提高加工精度。加工时可将粗加工、半精加工、精加工合为一体，全部在一台机床上完成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。特别对于大型框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效加工，高速铣削是很有效的方法。3能获得较高的加工表面完整性高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小，有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。电火花加工后型腔内表面处于拉应力状态，使用高速铣加工后，零件表面是压应力状态。4加工能耗低、节省制造资源高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。以洛克希德飞机公司的铝合金高速铣削为例，主轴转速从4000r/m如提高到20000r/min时，切削力下降30%，而材料切除率增加3倍。由于切除率高、能耗低，工件在制的时间短，提高了能源和设备的利用率，机床主轴、导轨的受力小，机床的精度寿命长，同时延长刀具寿命。因此高速切削符合可持续发展的要求。 1.2高速铣削技术的研究及发展1.2.1高速切削技术起源及国外发展高速切削的起源可追溯到20世纪20年代末期。德国的切削物理学家萨洛蒙(Carl Sa1omon)博士于1929年进行了超高速模拟实验。1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。萨洛蒙指出(见图1-1)：在常规的切削速度范围内(图中A区)，切削温度随着切削速度的增大而提高。对于每一种工件材料，存在一个速度范围(图中B区)，在这个速度范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。但是，当切削速度再增大，超过这个速度范围以后(图中C区)，切削温度反而降低。同时，切削力也会大幅度下降。图1-1 Salomon曲线世界上工业发达国家的高速加工研究自上世纪20年代末由德国Salomon博士发起至今，经历了前期的设想和理论探索、高速机理研究探索、应用探索和应用研究等四个阶段。有关高速加工的研究迄今在工业发达国家中已逐步进入成熟应用阶段，高速切削加工技术已成为切削加工的主流。技术基础雄厚的机床厂推出了多种高速、高精度的机床产品，并且在航空航天制造、汽车工业和模具制造、轻工产品制造等重要工业领域创造了惊人的效益。如美国波音公司在其JSF工程中，由于采用了高速加工技术，在成功解决零件轻量化问题的同时，相对于常规NC加工方式相比节约了2/3的成本。其中50%来自切削速度的提高，50%来自于加工质量的提高。1.2.2国内高速铣削技术的研究现状高速切削的研究正从过去的车削逐步转向铣削，因为铣削加工在机械加工总量中占有很大的比重。目前国内针对高速铣削的研究可大致分为如下几个方面：1采用各种切削模型，利用仿真软件模拟切削过程，辅助一定量的实验，修正模型，增强描述加工过程的准确性。以进一步了解高速铣削加工过程并反映其中的规律，为其他方面的研究打下基础。南京理工大学陈占晖利用ANSYS对高速铣削刀具进行瞬态动力学仿真，研究了铣削参数对铣刀在铣削时振动位移的影响。参考研究结果，可以避免铣刀在铣削加工中产生过大的振动位移，并尽可能的减小振动位移，提高加工工件的质量。杜小东通过理论分析，主要考虑高速切削下切削层惯性力影响会增大，铣削过程中刀齿的切入切出周期性变化引起切削力变化以及再生效应的影响等，建立了高速铣削力动力学理论模型。2高速加工淬硬钢基本特征量规律的研究和实验数据总结。南京航空航天大学夏雨采用硬质合金涂层刀具对淬硬模具钢Cr12MoV进行高速铣削正交试验，研究了刀具螺旋角、铣削方式、润滑条件以及切削速度、每齿进给量和径向切深对切削力、刀具寿命及工件表面质量的影响，并根据试验所得数据建立了高速铣削淬硬钢铣削力和表面粗糙度预测模型。广西大学吴学奇针对小直径(2mm)涂层硬质合金铣刀高速铣削加工淬硬钢(HRC51)过程中的切削力、振动、刀具磨损、切屑形态以及切削参数优化等高速铣削机理和工艺问题进行深入、系统的实验和理论研究。山东大学唐委校以实现稳定切削条件下的高生产效率和高加工质量为优化目标，提出在高速切削机床和刀具的设计、制造、检验、切削加工生产与维护的整个生命周期中进行考虑切削稳定性的动态优化的新理念，研究适合高速切削的切削稳定性预测及其动态优化理论和工程应用方法。3结合生产背景，进行正交实验，分析多因素作用下高速铣削加工表面粗糙度的变化规律。吉林大学王玉对模具的高速铣削加工做了工艺参数对表面质量的影响和轨迹规划方面的研究。采用二次旋转回归的实验方法以加工后的表面粗糙度为评价标准对主轴转速、进给速度、径向间距和切削深度四个加工中重要的参数进行研究，获得加工参数的回归方程，通过显著性检验和验证实验，证明了回归方程的可靠性。湖南大学潘建新针对直径6mm涂层硬质合金球头立铣刀加工淬硬钢(HRC55)模具型腔进行研究，研究了国产淬硬钢模具材料(4Cr5MoSiV)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。以一个典型手机面壳模具型腔的高速加工为例，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。Qin Zhe等研究了高速铣削尖角和圆弧的振动情况，指出了各自的振动规律及影响因素。虽然EDM加工效率低，但在加工拐角方面还是具有一定优势，此研究成果推广了高速铣削的应用范围，使其具有完全取代EDM的可能。4鉴于高速铣削刀具极易非正常磨损、高硬度刀具材料同时具有脆性大、抗弯强度低的特点，开展等切削力、等切削余量的轨迹规划和切削方法研究，可延长刀具寿命，降低加工成本。大连理工大学黎振提出了一种等残留高度光顺刀具轨迹规划算法。在保证刀具轨迹光顺的前提下使加工效率达到最佳。王炜分析了高速加工切削力影响因素的基础上，研究了面向高速加工的等切削力余量规划方法。分析了建立等切削力余量模型的关键技术，并设计了等切削力余量思想实现的一般流程。 庞俊忠等使用TiAlN涂层球形端铣刀，在13500r/min的转速下，对淬火45钢(47HRC48HRC)进行高速铣削试验，建立了高速铣削下多项式切削力试验模型，模拟了以恒定切削力为目标、优化进给率的模型。结果显示稳定切削载荷能有效地提高加工效率，避免刀具剧烈磨损。5高速铣削刀具开发及安全性研究高速铣削刀具设计开发方面哈尔滨理工大学做了众多有益的尝试和努力，孙拥军针对高速面铣刀切削过程的特点，基于高速切削加工理论，建立了高速面铣刀单齿和多齿动态切削力模型，获得高速面铣刀动态切削性能的变化规律。依据高速铣刀ISO15641标准和高速铣刀动平衡原理，进行高速面铣刀不平衡影响因素的研究与刀具动平衡等级的评价；为安全性的高速面铣刀产品的开发提供了依据。在刀具磨损在线检测方面南昌大学王超厚用电机主轴电流(二次变量)去估计刀具磨损量(主导变量)的值。通过分析和处理数据采集卡采集到的数据，实现电流信号的实时采集、处理和显示，从而间接地推测出刀具的磨损状态。综上，我们可以发现，针对高速铣削切削参数实验研究及选择方法、刀具轨迹控制、高速铣削刀具批量设计和优选系统的开发上，学术界进行了大胆的尝试和一定数量的研究。有的进行理论研究，通过实验分析，建立数学分析模型，但也存在一定的问题，吉林大学王玉仅仅针对T10一种材料和一种刀具，缺乏普遍意义。而生产企业由于缺乏相关资料，忙于应对市场竞争，缺少时间精力进行相关，难以使高速切削机床发挥出应有的作用。虽然多数学者认为目前针对高速切削的研究较少，但只要能将有限的实验数据和理论研究综合起来，一样能反应目前高速切削技术的发展水平，并知道生产。因此有必要针对现有研究成果，总结实验数据，反应高速切削行为的整体规律，用以指导生产。目前学术界将研究目标转向了高速切削数据库的研究方面，既广泛的研究各种刀具与多种材料的匹配关系，以期待能在高速切削工艺参数选择方面能有一个坚实的理论和实践基础。但我们也注意到，目前国内高速切削机床和配套刀具还要依赖进口，由于整体科研投入较国外还有很大的差距，而且短期内难以改变。与其耗费大量人力财力进行广泛的普遍研究，不如结合生产实例进行专用高速刀具设计和切削参数优化。这种思想是解决目前理论研究不彻底，生产应用难的好方法。例如在发展迅速的汽车内饰行业，项目开发存在周期短，产品结构上具有继承性的特征。对有共同特征的一系列产品，进行系列化的高速刀具开发和切削参数优选。由于生产量大，刀具开发成本和研究成本可以平摊到产品中去，加工过程就是高速切削数据的积累过程，可以在节约成本的前提下，加速推广高速切削技术的应用。 1.3本课题研究意义面对市场竞争的需要，普遍要求模具企业能对市场变化做出快速响应。由于模具型面一般都是十分复杂的自由曲面，并且硬度很高，采用常规的切削加工方法难以满足精度和形状要求。常规的加工方法是在退火后进行铣削加工，然后进行热处理、磨削或电火花加工，最后手工打磨、抛光。这样使得加工周期很长，特别是手工加工时间，要占整个加工周期的很大一部分。而且传统的模具加工方法存在缺陷：比如无法切削淬火钢，必须进行EDM加工，耗时多，效率低而且后期磨削的时间也长，影响了模具行业生产率的提高。高速铣削技术的出现，将给模具制造行业带来一场深刻的变革。高速铣削加工高硬度材料，比如模具钢，具有传统加工所无法比拟的优点，比如能获得很高的加工效率。高速铣削还能获得较高的加工精度，对同样的切削层参数，高速切削的单位切削力明显减小。在加工过程中，切削力的降低对减小振动和偏差非常重要。这使工件在切削过程的受力变形显著减小，有利于提高加工精度。高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小，有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。然而，与高速切削机床和刀具技术的快速发展相比，模具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。具体来讲，把高速切削技术在生产领域进行大面积推广和应用还需对如下关键问题(技术)有待解决。高速切削机理研究还不够深入，尤其缺乏微观层面切屑成形的理论支持，进而无法全面了解切削过程中基本特征量的变化规律和选用切削参数。而淬硬模具钢的专用高效刀具的开发显得尤为重要，因为刀具直接参与了切削活动，对提高切削质量具有直接作用。迫切需要针对淬硬模具开发出实用、廉价、高效的专用模具铣刀。目前针对淬硬钢的实验较少，实验条件较为单一，无法全面反应高速铣削加工过程中切削力、切削热、刀具寿命的变化规律，本论文搜集了相关实验数据，一方面反应了目前针对高速铣削淬硬钢的研究状况，另一方面为切削参数优选提供依据。本文研究了涉及高速铣削各方面的加工要素，如切削参数对表面粗糙度的影响，切削特征量的变化规律，用数学方程描述模具几何特征，并加以归类，论述了模具几何特征之间的关系，结合实例具体分析，为提高高速加工的编程效率打下了基础。1.4本论文研究内容及结构安排 1.4.1本论文主要内容首先分析了模具的几何特征如基本几何元素和相互位置关系，又分析了模具的非几何特征如模具材料的高速铣削加工性，模具加工对表面质量和加工精度的要求。分析了高速铣削加工特征与模具特征的关联性，即证明了采用高速铣削技术加工模具可以满足要求。然后分析了模具高速铣削过程中的关键技术如加工效率、加工表面质量、加工精度及其影响因素并给出解决加工效率与加工质量之间冲突的具体方法。最后结合前面的研究结论，从刀具材料、刀具结构、刀具几何参数、刀具使用条件探讨了适合模具加工专用铣刀的设计问题，总结了选择设计参数的方法。1.4.2本论文内容安排1绪论部分，介绍了切削机理、高速铣削刀具技术、高速铣削工艺技术的研究状况及发展方向。最后还有论文的内容及安排2模具高速铣削加工特征分析：从模具的几何特征和非几何特征的分析入手，联系高速铣削的加工特点，找出两者的关联性，确定保证模具特征的高速铣削加工工艺，进而提出高效模具铣刀而满足的性能要求。并叙述了高速铣削过程的特征量如切削力、切削热、切削稳定性，参考了文献中介绍的有关切削力的实验，给出切削力在切削过程中的变化规律，为后文探讨高速铣削的规律作了铺垫。3模具高速铣削模具型面关键技术，以前文论述的切削规律作为基础，讨论高速铣削加工模具型面的表面质量、加工效率、加工精度，给出相关的影响因素。最后给出了解决表面质量、加工效率、加工精度冲突的原则。4高效模具铣刀设计，详细论述了适用于高速铣削刀具材料、刀具结构、刀具几何参数、高速铣削刀具破损监测技术、高速铣削条件下的刀具寿命管理5总结与展望：对高速铣削研究发展进行展望，并预测未来高速铣削技术在注塑模具加工方面的广阔应用前景和经济效益并提出一些需要进一步研究的实际问题。第2章 淬硬钢高速铣削加工特征分析2.1 淬硬钢切削特征分析2.1.1淬硬钢材料淬硬钢硬度高达5065HRC，主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等。淬硬钢材料具有硬度高，耐磨性好，塑性好，导热系数低的特点，越来越多地应用于模具材料中，同时正是淬硬钢材料的这些特性使得高效加工淬硬钢问题上存在一定的难度，对淬硬钢进行高速铣削是一种先进加工技术，属于有效的硬铣技术之一。高速切削时当今世界机械制造业中一项迅速发展的高新技术。在现代工业大大国，高速切削作为一种新的切削加工理念，被越来越多的工程技术人员所认可。与传统的切削加工相比，高速切削在切削形成，切削力学，切削热，与切削温度，刀具磨损与破损等均有不同的特征。本章主要阐述和分析这些高速切削物理现象的特征和规律。H13简介H13（如图2-1所示）是热作模具钢。执行标准GB/T12992000。统一数字代号A20502；牌号4Cr5MoSiV1；化学成分%：C： 0.320.45，Si： 0.801.20，Mn： 0.200.50，Cr： 4.755.50，Mo： 1.101.75，V： 0.801.20，p小于等于： 0.030，S小于等于： 0.030；热处理：（交货状态：布氏硬度HBW10/3000（小于等于235），淬火：790度+-15度预热，1000度（盐浴）或1010度（炉控气氛）+-6度加热，保温515min空冷，550度+-6度回火；退火、热加工； 特性及用途：H13空淬硬化热作模具钢。期性能、用途和4Cr5MoSiV钢基本相同，但因其钒含量高一些，故中温（600度）性能比4Cr5MoSiV钢要好，是热作模具钢中用途很广泛的一种代表性钢号。 图2-1H13Cr12MoV简介Cr12MoV 钢有高淬透性，截面为300400mm以下者可以完全淬透，在300400时仍可保持良好硬度和耐磨性，韧性较Cr12 钢高，淬火时体积变化最小。可用来制造断面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具。例如，形状复杂的冲孔凹模、复杂模具上的镶块、钢板深拉深模、拉丝模、螺纹挫丝板、冷挤压模、冷切剪刀、圆锯、标准刀具、量具等。 合金工具钢：Cr12MoV 标准：GB/T 1299-1985 特性及适用范围： 冷作模具钢，钢的淬透性、淬火回火的硬度、耐磨性、强度均比Cr12高。用于制造截面较大、形状复杂、工作条件繁重下的各种冷冲模具和工具，如冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板深拉伸模、圆锯、标准工具和量规、螺纹滚模等。 化学成份： 碳 C：1.451.70 硅 Si：0.40 锰 Mn：0.40 硫 S ：0.030 磷 P ：0.030 铬 Cr：11.0012.50 镍 Ni：允许残余含量0.25 铜 Cu：允许残余含量0.30 钒 V ：0.150.30 钼 Mo：0.400.60硬度 ：退火,255207HB,压痕直径3.84.2mm;淬火,58HRC 热处理规范及金相组织： 热处理规范：1)淬火,9501000油冷2)淬火1020,200回火2h。 金相组织：细粒状珠光体+碳化物。 交货状态：钢材以退火状态交货。2.1.2高速铣削切屑的形态及切削力的特征金属切削过程研究的重点和核心是切屑的形成过程。硬态切削过程一般产生锯齿形切屑。形成锯齿形切屑的原因主要是刀具前刀面附近的工件材料受到挤压而堆积在前刀面上，刀具继续向前切削致使切屑材料发生突然断裂。关于锯齿形切屑形成机理有很多著名的论断。当名义应力真实应变曲线斜率为零时，即温度变化的局部速率对强度的负面影响等于或大于强度所产生的应变硬化的正面影响时，材料内部的塑性变形区便产生突变剪断。切削速度和进给量在剪切发生失稳中起着重要作用。由于此时的切削速度很低，剪切面产生的热可向任意侧面扩散，热软化相当困难，因此可解释为由于微裂纹的存在使实际剪断强度降低。剪断失稳的其它机理包括材料组织转变，如在某些钢中马氏体向奥氏体的逆转变。切屑形成起源于自由表面上剪应变值最大处，邻近自由表面的变形假设为纯剪切作用的结果，剪切断裂与自由表面夹角为45。 锯齿形切屑主要是因为高速切削产生的热塑剪切失稳所致。热塑剪切失稳是广泛存在于许多动态塑性变形过程中的一种材料破坏现象，其先决条件是变形材料的局部温升引起的热软化效应足以抵消材料的变形强化效应。金属切削过程中的热塑剪切失稳是指发生在第一变形区的强烈局部剪切集中，其结果导致不对称的锯齿形切屑，它与普通金属材料在低速下形成的挤裂切屑不同，特征是切屑的各锯齿之间以变形很大的热塑剪切带相隔。采用金属陶瓷刀片SNMG120412N-UG(牌号ZK01)切削GCr15轴承钢的试验结果表明：当切削深度为0.54mm、进给量0.070.43mm/r、切削速度130160m/min 时，开始产生热塑剪切失稳。高速铣削的切削力特征影响切削力的因素主要包括切削速度、进给量、切削深度、后刀面磨损量和工件硬度等。在不同精度等级的机床上实施切削时，切削力并不发生变化。 径向切削力最大，其次是主切削力和轴向切削力；粗加工时切削力约为精加工时的69倍；切削力与进给量、切削深度和后刀面磨损量成近似线性关系；当切削速度增大时，切削力稍有下降。主切削力和轴向力的变化与切深呈线性增长趋势，而径向力增长缓慢；不同的进给量对切削力的变化影响趋势一致，轴向力的增长速率稍低于主切削力和径向力，而当进给量很小时，会出现径向力大于主切削力的现象。尽管淬硬材料的硬度较高，但切削力较小，其原因一是由于断裂的产生使塑性变形十分小，二是因为刀屑接触面积小，使摩擦力减小。2.1.3高速切削的已加工表面完整性切削加工过程中切削热的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工表面造成一定程度的破坏。用硬态切削取代磨削加工的关键是如何获得理想的加工表面粗糙度、形状精度和加工表面状态，而提高硬态切削的加工精度和硬态切削工件的性能是一个需要长期深入研究的课题。硬态切削已加工表面的完整性主要包括以下内容：表层组织形态及其硬度、表面粗糙度、尺寸精度、残余应力的分布和白层的产生。 已加工表面微观硬度受进给量和后刀面磨损量的影响较大，进给量越小，磨损量越大，表面硬度越高。切削速度、进给量和切削深度对表面硬度的影响都具有单一变化规律，即已加工表面硬度随切削速度的提高而增加，随进给量和切深的增大而降低，而且已加工表面硬度越高，硬化层深度越大。通过对试件的基体组织和表层组织的扫描电镜照片进行对比分析，认为硬态切削过程中已加工表面硬度虽有所提高，产生一定的硬化深度，但对表面表层的金相组织并无破坏。工件表层和亚表层的组织状态发生变化，其微观组织由白色的未回火层和黑色的过回火层组成。实验结果显示硬态切削后工件表面均为残余压应力，而磨削后工件的最大压应力主要集中在工件表面。 残余应力与材料的成分、组织和缺陷一样，对工件的机械性能有很大影响，多数情况下必须控制残余应力的大小及其分布规律。硬态切削过程中残余应力的产生被认为与切削热的形成及热源的移动速度、切削刃的几何形状、工件材料以及刀具磨损等关系密切。通过仿真切削热的生成与移动可以计算残余应力，刀具钝圆半径越大，残余压应力值越大；工件硬度越高，残余压应力值越大。硬度对工件表面完整性的影响极大，工件硬度值越大，越有利于残余压应力的形成。刀具几何形状也影响残余应力的形成，双倒棱和大钝圆刀具所形成的残余压应力远远优于单一倒棱和尖刃刀具，但切削参数(切深和进给量)对残余应力没有显著影响。 影响硬态切削已加工表面质量的另一个重要因素是白层的形成。白层是伴随着硬态切削过程所形成的一种组织形态，它具有独特的磨损特性：一方面硬度高，耐蚀性好；另一方面又表现出较高脆性，易引起早期剥落失效。白层尺寸较薄，难于准确分析其组织特征，它的形成机理至今仍有争议。一种观点认为白层是相变的结果，是由材料在切削过程中被快速加热和骤然冷却而形成的晶粒细小的细晶马氏体组成。另一种观点认为白层的形成仅属于变形机制，只是由塑性变形而得到的非常规型马氏体。目前将白层视为马氏体组织的观点得到一致认可，主要争议在于白层的精细结构。切削过程中产生白层现象的原因是高速滑动磨损，白层的组织形态是超细晶粒结构的奥氏体和马氏体的混合组织，并与刀具磨损密切相关。因此，需要进一步深入研究白层的形成机理及其对零件寿命的影响。2.2模具高速铣削加工质量特征2.2.1材料的高速铣削加工性1衡量标准1)以刀具使用寿命来衡量 在相同切削条件下，刀具使用寿高，切削加工性好。2)以切削力和切削温度来衡量 在相同切削条件下，切削力大或切削温度高，则切削加工性差。机床动力不足时，常用此指标。3)以加工表面质量来衡量 易获得好的加工表面质量，则切削加工性好。精加工时常用此指标。2影响因素1)材料的硬度、强度、导热