（机械制造及其自动化专业论文）复合涂层铣刀高速铣削淬硬钢的切削性能研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和使用授权、掣脚 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其 他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说 明并致谢。 1 论文作者签名：王豉 劲f o 年口石月工日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 四廓时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：王文导师签名：玩嗖予叫。年钐月枷 复合涂层铣刀高速铣削淬硬钢的切削性能研究 摘要 淬硬钢具有较高的强度和硬度，广泛应用于航空航天以及汽车制造行 业，在其高速加工过程中，由于产生的切削力和冲击载荷都很大，且切削温 度高，易导致刀具磨损、破损、崩刃，严重制约了铣刀在高速铣削加工的 应用。随着高速切削设备的不断增加，难切削技术的发展，要求刀具有高 切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命和良好的切削性能。涂层刀具 的出现，有效的解决了这些问题，它将具有较高强度和良好韧性的基体与 高耐磨的硬质薄膜表层相结合。涂层对刀具切削性能的改善和加工技术的 进步起到了非常重要的作用，提高了加工精度和加工效率，延长刀具使用 寿命，并且保证了工件的表面质量，降低成本。高性能涂层刀具已成为现 代刀具的标志，其应用范围覆盖了切削加工的大多数领域。 本论文在课题组相关研究的基础上，拓展研究了使用不同的切削参数 和不同的复合涂层硬质合金铣刀高速铣削不同硬度的四种淬硬钢，分析了 其对铣削过程中切削力、切削振动、切削温度以及切屑形态的影响，更进 一步揭示了在影响高速铣削淬硬钢过程的各种影响参数及影响规律，并通 过正交实验，极差和方差分析了各种主要的加工条件对切削力和切削振动 的影响程度，提出了刀具选择原则并对加工工艺参数进行了优化，通过实 例验证了其有效性。这对实现复合涂层高速铣削淬硬钢的高效、高精度切 削加工提供了良好的研究基础。论文的主要结论如下： 1 、切屑形貌分析：( 1 ) 在v = 3 0 0 m m i n 时，随着工件材料硬度增加， 淬硬钢锯齿状切屑分离的趋势加强，齿根厚度逐渐变薄，齿距明显增大， 这个结论与本课题组【1 】里研究$ 1 3 6 ( 5 1 h r c ) 署h s k d ll ( 5 5 h r c ) 切屑形态的 变化规律基本相同。当工件的硬度低于5 5 h r c 时，产生锯齿状切屑主要呈 梯形状；当硬度高于6 2 h r c 时，切屑以三角形锯齿状为主。当每齿进给量 较小时，切屑仍为变形均匀的连续带状。( 2 ) 不同的涂层刀具铣削同一硬 度材料时，切屑形态不同。从宏观上看，切屑呈卷曲状，且较为短碎；从 微观上观察，t i a i n 与t i c r a l n 涂层刀具形成切屑呈梯形锯齿状，而t i s i n 与 t i a l s i n 涂层刀具产生三角形锯齿状切屑。在涂层成分中加入适量的s i 元素 后，锯齿状切屑的齿根厚度明显的变薄，切屑变形分离的趋势加强，更有 利于淬硬钢材料的铣削加工。( 3 ) 在高速铣肖1 1 s 7 9 0 实验中发现：在较小的 切削速度下，切屑为变形均匀的连续带状，当切削速度达到1 0 0 m m i n 时， 产生了锯齿状切屑，切屑项面存在明显的剪切滑移，项面由多层剪切滑移 面分割的金属层单元相叠而成，底面由于与前刀面发生强烈挤压和滑动摩 擦，呈现光亮平滑的表面；随着每齿进给量的增加，切削力明显增大，切 屑形态开始由连续带状向锯齿状转变，切屑顶面变形加剧，锯齿的齿根厚 度明显变薄，齿高厚度增加，齿距增大，锯齿化程度加重；轴向切削深度 很小时，切屑以变形均匀的连续带状为主。当轴向切深大于0 1 m m 小于 0 4 m m 时，切屑主要呈梯形锯齿状，淬硬钢材料的切屑基体形状均由梯形向 三角形发展，剪切带的高度逐渐减小，锯齿节距增大，齿根高减小。当轴 向切深大于0 6 m m 时，切屑的锯齿化程度加剧。 2 、从切削振动分析结果表明：( 1 ) 淬硬模具钢的锯齿状切屑生成频率 在4 1 d - - i ：以上，振动功率谱的峰值主要出现在频率为1 0 0 0 h z 和1 5 0 0 h ：附近， 当切削速度v = 2 0 0 m m i n 时，振动功率谱两个主频幅值都有一个极大值。( 2 ) 铣l j l j p 2 0 ( 5 0 h r c ) 时振幅最平稳，几乎随每齿进给量线性增加，而铣削 s 1 3 6 ( 5 5 h r c ) 时振幅随每齿进给量的增加上下波动。( 3 ) 从振动功率谱图中 可以看出，t i a l n 涂层刀具在每齿进给量0 0 2 5 m m z 时，其主频率附近有 7 1 2 8 9 h z 和1 9 1 4 0 6 h z 的旁瓣出现。而t i a l s i n 在每齿进给量0 0 4 5 m m z 时， 未见其主频率f o 附近7 1 2 8 9 h z 和1 9 1 4 0 6 h ：有明显旁瓣，所以t i a l s i n 涂层刀 具更适于高速铣削淬硬钢。 i i 3 、切削力分析：( 1 ) 随着工件材料硬度提高，切削分力明显增大，振 动加强，其中径向分力f v 增幅明显，$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) 的径向分力f v 是相同条 件下p 2 0 ( 5 0 h r c ) 的5 6 倍。( 2 ) 随着切削速度的提高，切削力逐渐减小。 ( 3 ) 当每齿进给量达0 0 2 5 m r n z 时，t i a i s i n 涂层刀具铣削产生的铣削力突 然增大，切削合力f 大小为：t i a l n t i c r a l n t i s i n t i a l s i n 。( 3 ) 通过红 外热像仪的观察发现，随着材料硬度的增加，刀具与工件接触面间的切削 温度增加，高速铣 i j p 2 0 ( 5 0 h r c ) 、$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) 时，刀具与工件接触面之 间的切削温度分别为5 7 0o c 禾 1 6 2 0 0 c ；工件表面瞬时最高温度分别达到了4 0 5 o c 和4 4 0o c ，平均温度在1 9 0 0 c 一2 2 5 0 c 之间变化。 4 、通过正交实验的极差和方差分析：涂层刀具、每齿进给量、切削速 度和材料硬度是影响切削力和切削振动的主要因素。材料硬度对切削力和 切削振动的影响最大，它们之间的影响程度是：涂层成份 每齿进给量 t i s i n t i a l s i n ( 4 ) o b s e r v e db yi n f r a r e dt h e r m o m e t e r , t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r eo ft o o la n d w o r k p i e c ec o n t a c ts u r f a c e w il lb ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s ei nm a t e r i a l h a r d n e s s w h e nh i g h s p e e dm i l lp 2 0 ( 5 0 h r c ) a n d $ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) ，t h ec o n t a c t s u r f a c et e m p e r a t u r eo ft o o la n dw o r k p i e c eg e tu p57 0 0 ca n d6 2 0 0 cm a x i m u m s u r f a c et e m p e r a t u r e sr e a c h e d4 0 5o c 4 4 0 0 c ，a n dt h e a v e r a g et e m p e r a t u r e c h a n g eb e t w e e n 19 0o c - 2 2 5o c 4 t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n to ft h ep o o ra n dv a r i a n c ea n a l y s i s ：w i t h m a t e r i a lh a r d n e s sfr a t i oi n c r e a s i n gr a p i d l y , c u t t i n gs p e e df o rc u t t i n gf o r c ea n d c u t t i n gv i b r a t i o nh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e e a c ht o o t hf e e d i n gt i m e s ，w h e nt h e m a t e r i a l5 5 h r c h i g h e rh a r d n e s s ，c o a t i n gi n g r e d i e n tf o rc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n g v i b r a t i o nw i t ht h ei n c r e a s eo fh a r d n e s sa n db e c o m es i g n i f i c a n t l y , t h e yi n f l u e n c e f a c t o r sa r e ：c o a t i n gi n g r e d i e n t e a c ht o o t hf e e d i n g t i c r s i n t i a l n t i c r a i s i n t i a l s i n 1 随着切削速度的提高，在产生连续带状切屑的条件下，切削力 的增幅很小，而当锯齿状切屑生成后，切削力开始逐渐下降。2 随 着径向切削深度的增加，切削力先增大后减小：随着每齿进给量 增加，切削力成比例增加，对刀具齿数相对较少的铣刀，每齿进 给量不宜超过0 0 2d 。当齿数z 6 时，每齿进给量不宜超过0 0 l d ；3 轴向铣削深度增大，锯齿状切屑的生成对切削力下降的作用 未能体现，切削力仍呈增大的趋势，侧铣时轴向铣削深度必须小 于0 0 5d 。 咖4 r n m ：t i n 厂r i s i n 门r i 面古士【4 1 a i n t i c r a i n t i a i s 1 切削力是影响刀具的寿命的主要因素，刀具寿命大小为： ” i n 用c r a i s i n ，t i n t i s i n t i a l n t i c r a l n t i c r s i n t i a i n t i c r a l s l n t i a l s i n ；2 t i a i s i n 和t i c r a i s i n 铣 刀具有较高的硬度、氧化峰值温度和较低摩擦因 数。3 切削力范围：7 5 l1 0 n 。 1 切削力是影响刀具的寿命的主要因素，刀具寿命 大小为：t i n t i s i n t i a l n t i c r a i n t i a i s i n t i c r a i s i n ，涂层的硬度和摩擦系数对涂层寿命 影响很人。2 切削力范围：1 0 5 1 4 0 n 。 1 切屑形态取决于材料硬度和加丁条件，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，硬度为6 2h r c 时1 0 0m m i n 的剀削速 稻* 洲6 m 瞰m ：。n 潞s i 3 6 一v = 10 0 7 - 3 0 2 0 勰m m 舭i n 黼黧粼篡 6 2 h r c a p 。0 1 2 u 3 u m m 涂层铣j 的_ 7 j 具寿命约为t i a l n 涂层铣刀的四倍。 3 刀具- b 工件接触区域在达到一定的切削速度后， 不冉继续升高，保持在7 0 0o c 左右。4 切削力范 巾6 m m t i s i n s 1 3 6 5 1 h r c s k d l l 6 2 h r c 1 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，硬度为6 2h r c 时1 0 0m m i n 的切削速度是产生锯齿状切屑临界速度。当切削 速度达到2 0 0 m m i n 时，切屑平均厚度逐渐减小， v = 1 0 0 - - 4 0 0 m m i n 而锯齿节距未有明显的变化，切屑锯齿之问的分 = o 0 l - 4 ) 0 5 m m z离趋势加强。硬度为5 lh r c 时，锯齿状切屑临界 a 口= o 1 o 5 m m 速度为2 0 0m r a i n ，锯齿形状不明显；当切削速度 驴l - - - 6 m m 增人到3 0 0m m i n 时，形成了以剪切带均匀间隔的 锯齿状切屑。2 随着工件硬度提高，各切削分力都 明显增大。3 刀具与工件接触区域在达到一定的切 削速度后，不再继续升高，保持在5 7 0o c 左右。 4 切削力范围：1 2 如9 0 0 n 。 1 2 复合涂层铣刀高速铣削淬硬钢的切肖性能研究 1 3 课题来源以及主要的研究内容 1 3 1 课题来源 1 、国家自然科学基金“小直径刀具高速铣削硬质模具钢特殊路径的有限元仿真及 实验研究 ( 项目编目：5 0 6 6 5 0 0 1 ) 。 2 、国家8 6 3 计划“高速、精密切削与磨削技术子课题“高强度淬硬钢大型零件 高效切削技术及应用”的研究( 项目编号：2 0 0 9 a a 0 4 4 3 0 2 ) 。 3 、国家自然科学基金项目“高速铣削淬硬钢的多元纳米复合涂层刀具研究”( 项 目编号：5 0 7 7 5 0 4 5 ) 。 1 3 2 主要研究内容 本文结合高速切削技术的发展趋势，以淬硬模具钢p 2 0 ( 5 0 h r c ) 、s 1 3 6 ( 5 5 h r c ) 、 s k d ll ( 6 2 h r c ) 、$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) 材料为研究对象，采用复合涂层硬质合金刀具( t i a i n 、 t i c r a l n 、t i s i n 、t i a l s i n ) 进行高速铣削加工，研究了不同加工条件( 涂层材料、淬 硬钢硬度、加工工艺参数) 下切削过程的切削力、切削振动、切削温度、切屑形态的特 征，并对加工工艺参数进行了优化。 研究内容主要有： ( 1 ) 四种不同的复合涂层铣刀高速铣削淬硬钢的切削性能 高速铣削淬硬钢$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) 实验，研究四种不同涂层( t i a i n 、t i c r a l n 、t i s i n 、 t i a l s i n ) 的硬质合金平底铣刀在不同切削参数( 切削速度、每齿进给量、轴向切深) 下，对切削力、切削振动以及切屑形态的影响。 ( 2 ) 复合涂层刀具高速铣削不同硬度淬硬钢的切削性能 通过淬硬钢高速铣削实验，研究在不同切削参数( 切削速度、每齿进给量、轴向切 深) 下，t i a i s i n 涂层刀具分别侧铣四种不同硬度的淬硬钢材料p 2 0 ( 5 0 h r c ) ， s 1 3 6 ( 5 5 h r c ) ，s k d l l ( 6 2 h r c ) ，$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) ，分析了材料硬度对切削力、切削振动、 切削温度以及切削形态的影响。 ( 3 ) 复合涂层刀具高速铣削淬硬钢的参数优化 通过正交实验，分析了影响高速铣削淬硬钢的主要因素和涂层材料与切削参数的交 互作用，同时对淬硬钢高速铣削的涂层刀具选择原则和工艺参数优化进行系统总结，以 生产中的淬硬模具钢零件为例，对上述原则进行验证。 复合涂层铣刀高速铣肖淬硬钢的切肖u 性能研究 1 3 3 研究思路 如图1 - 5 所示： 实验研究 四种不同，、四种不同硬，、不同切削速 涂层铣刀h 度的淬硬钢h 度、进给速 5 0 、6 8 h r c度、轴向切深 图1 5 研究思路图 f i g 1 - 5r e s e a r c hr o u t ed i a g r a m 1 4 广西大学硕士掌位论j r 复合涂层铣刀高速铣肖口淬硬钢的切肖q 性能研究 第二章复合涂层铣刀高速铣削淬硬钢实验与研究方法 本章详细介绍了复合涂层铣刀高速铣削淬硬钢的切削性能对比实验的研究思路和实 验方法。包括四种不同涂层( t i a l n 、t i c r a l n 、t i s i n 、t i a l s i n ) 刀具铣肖1 $ 7 9 0 的切削 性能对比试验；t i a l s i n 涂层刀具铣削四种不同硬度的淬硬钢( p 2 0 、s 1 3 6 、s k d l l 、$ 7 9 0 ) 切削性能对比试验，研究了切削力、切削振动、切削温度和切屑形态相互之间的影响以 及它们的数据处理方法；通过正交实验，级差和方差分析了高速铣削过程中影响切削力 和切削振动的主要因素，涂层刀具与切削速度的交互作用。 2 1 实验系统 2 1 1 淬硬钢材料 实验所用淬硬钢材料采用经淬火热处理后四种不同硬度的模具钥 p 2 0 ( 5 0 h r c ) ， s 1 3 6 ( 5 5 h r c ) ，s k d ll ( 6 2 h r c ) ，$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) ，其化学成分及硬度如表2 1 所示，其机 械物理性能见表2 2 。 塑料模具钢p 2 0 为美国标准的牌号，相当于我国的3 c r 2 m o ，是一种预硬化塑料模具 钢，其预硬化硬度一般为3 0 4 2 h r c 。实验用的p 2 0 经淬火热处理后硬度为5 0 h r c 。 表2 - 1 淬硬钢材料的化学成分及硬度 t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n sa n dh a r d n e s so fh a r d e n e ds t e e l 主要化学成分( 质量分数) 钢号 雹粤 硬度 铬碳锰钼硅 硫、磷 c rcm n m os is 、p 塑料模具钢s 1 3 6 为瑞典牌号，相当于3 c r l 3 ，美国牌号a i s i4 2 0 ，含碳量为0 3 ，为 广西大学硕士学位论文复合涂层铣刀高速铣肖q 淬硬钢的切肖n 性能研究 马氏体不锈钢，硬度3 0h r c 。由于热作模具钢在高温下工作，热疲劳和冲击大，要求 材料的回火抗力和热疲劳性能好。采用1 0 0 0 1 0 5 0o c 淬火和2 0 肚2 2 0o c 两次低温回火后， 硬度可达5 肚5 5h r c ，组织为板条状的低碳回火马氏体。该材料具有良好的抗腐蚀性能， 可用于对尺寸精度、表面粗糙度和寿命有特殊要求的高精度塑料模具，如彩色显像管玻 壳、c d 、透镜模具等。 表2 - 2 淬硬钢材料的机械物理性能 ! 垒! ! ! ! ：! 竺竺! 塑! ! 兰! 塑! 坐! ! 里呈! 仑1 2 匹垒! ! 12 11 璺盟! 里! 璺! ! 曼呈! 材料p20 s 1 3 6s k d i1s 7 9 0 冷作模具钢s k d l1 为日本牌号，相当于c r l 2 m o v ，美国牌号a i s id 2 ，含碳量为1 4 1 6 ，为高碳高铬合金钢，硬度4 0h r c 。由于冷作模具工作时摩擦力和压应力大，要 求材料硬度在5 8h r c 以上，具有很高的耐磨性。采用9 8 0 1 0 2 0o c 淬火和1 8 0 - 2 0 0o c 两 次低温回火，将其淬硬到6 0h r c 以上，组织为片状的高碳回火马氏体和弥散分布的块 状碳化物。该材料的硬度高，耐磨性和淬火性好，韧性适宜，可用于冷冲压模、冷锻模、 成形轧辊等。 热塑模具钢s 7 9 0 为奥地利百禄b o h l e r 牌号，用粉末冶金方法生成的高速钢，其特点 如下：高耐磨性( 抗磨粒磨损) 、高抗压强度、非常好的淬透性韧性好、热处理的尺寸 稳定性好、抗回火软化性好，优越的韧性和加工性能。采用1 1 0 0 1 1 8 0 0 c 淬火和5 6 0 5 8 0 0 c 三次低温回火，将其淬硬到6 5h r c 以上，$ 7 9 0 特别适合于薄的被加工材的下料及成形， 或重负载机加工刀具，例如各式切削刀具，螺纹刀具，滚铣刀具，用于承受极大压力和 用于高强度材料的精密冲压模具如钛，中碳钢或高碳钢的下料、冲切已硬化钢板或冷轧 钢带、含有玻璃纤维的塑料模、塑料成形机的零件如：螺杆，料筒，喷嘴，注射头，粉 碎刀等等。 实验用淬硬钢材料尺寸设计为：1 3 0 x 4 0 x 4 0 ( 1 1 ) ，工件规格如图2 1 所示。 1 6 广西大学硕士学位论文 复合涂层铣刀高速铣肖d 淬硬钢的切肖d 性能研究 图2 - 1 淬硬钢工件尺寸图2 - 2 淬硬钢装夹示意图 f i g 2 - 1t h es i z eo fh a r d e n e ds t e e lf i g 2 - 2c l a m p i n gs c h e m e so f h a r d e n e ds t e e l 测力仪先固定在机床工作台上，因为测力仪为精密仪器，在测力仪上加一块垫板用 于保护测力仪，垫板通过四个沉头螺栓与测力仪连接，虎钳再固定在垫板上，淬硬钢通 过虎钳夹紧，装夹方式如图2 2 所示。 2 1 2 实验用刀具 实验用刀具采用整体式涂层硬质合金平底尖角铣刀，分别选择了t i a l n 、t i c r a i n 、 t i s i n 和t i a l s i n 四种涂层硬质合金铣刀，如图2 3 所示。为表示方便，以后对t i a l n 、 t i c r a i n 、t i s i n 和t i a i s i n 和涂层统一称为复合涂层铣刀。复合涂层硬质合金铣刀为日 本同立公司t h 纳米涂层系列产品，采用了纳米结晶技术，涂层采用空心阴极离子镀与 中频磁控溅射相结合的物理气相沉积技术在多功能真空等离子体镀膜机制备。 涂层硬度达至1 j 3 6 0 0h v 以上，氧化温度1 1 0 0 。c 以上，耐酸化性强，使用寿命长，可 以满足高硬度钢的高速干切削加工。刀具的主要参数如表2 3 所示，各种涂层的化学成 分及主要性能如表2 4 所示。 1 7 表2 - 3 复合涂层刀具主要参数 t a b l e2 3p a r a m e t e r so f m i l l i n gt o o l s 型号 直径( t u r n ) 全长( m m )刃长( r a m )刃数( z )螺旋角( o ) c e p r 4 0 8 0 t h巾87 52 0 表2 - 4 涂层的化学成分及主要性能 t a b l e2 - 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm a i np e r f o r m a n c eo fc o a t i n g s 2 1 3 机床与实验仪器 ( 1 ) 德国d m u6 0 t 高速铣削中心 本论文所进行的复合涂层铣刀高速铣削淬硬钢加工实验采用的机床为德国d m u 6 0 t 高速铣削中心，该机床主轴的电机功率为1 5 k w ，最高转速为2 4 ，0 0 0r p m ，工作台 x y z 轴行程为7 8 0 5 6 0 5 6 01 1 1 1 1 ，最大进给速度可达2 6m m i n ，采用h e i d e n h a i ni t n c5 3 0 数控系统，能进行各类插补如：直线、圆弧、螺旋线、样条 【a j d m u6 0 t 岛速钒削中心( b ) x f 5 3 0 2 2 c t v 高倍体视 1 1 2 微镜 ( c ) q u a n i a 4 0 0 于j 描电j ：_ ! l j 2 做镜 ( d ) e d a x 能谱显微分析仪( e ) 切削力数据采集装置( f ) 测力平台和电荷放大器 图2 - 4 实验设备与仪器实物图 f i g 2 4e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 广西大掌硕士学位论文复合涂层铣刀高速铣肖d 淬硬钢的切胄性冀皂研究 插补等，可实现高精度轮廓加工，编程和后置处理采用c i m a t r o n7 0 软件完成。如图2 4 ( a ) 图。动力源是标准的空气站，额定压力为o 8m p a ，额定流量3 8 0 0 0 l r a i n 。 ( 2 ) x t 5 3 0 2 2 c t v 高倍连续变倍摄影体视显微镜。用于观察刀具切削淬硬钢过程 中的磨损状况和切屑的宏观分析，如图2 - 4 ( b ) 。 ( 3 ) 采用荷兰f e i 公司扫描电子显微镜q u a n t a 4 0 0 ，s e m 最小分辨率为3 5 n m ，用 于刀具磨损形貌及切屑形态的微观分析，如图2 4 ( c ) 。 ( 4 ) x 射线能谱显微分析仪为美国e d a x ，最大面分布图采集分辨率2 0 4 8 x 1 6 0 0 像素， 用于做切屑的能谱分析，如图2 4 ( d ) ( 5 ) 测力仪。用于测量切削过程中，铣刀在进给分力f x ( 沿进给方向) 、径向分力 f y ( 垂直于进给方向) 和轴向分力f z ( 沿铣刀轴线方向) 的大小。如图2 - 4 ( e ) 、( f ) 。 实验系统示意图如图2 5 所示： 图2 5 高速铣削切削力测量示意图 f i g 2 - 5s c h e m a t i co fh s mc u t t i n gf o r c e s 2 2 实验方案与测试分析方法 2 2 1 淬硬钢高速铣削的切屑形态与微观特征 本实验使用四种不同涂层( t i a l n 、t i c r a i n 、t i s i n 、n a l s i n ) 的硬质合金平底铣 刀对淬硬钢进行铣削实验，测试出这些复合涂层刀具在相同切削参数条件下对应的切削 力、切削振动和切削温度。为了获得不同涂层铣刀铣削不同硬度的淬硬钢材料的切屑样 本，本实验采用单因素实验，工件材料选择p 2 0 ( 5 0 h r c ) ，s 1 3 6 ( 5 5 h r c ) ，s l 1 l ( 6 2 h r c ) 和$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) ，具体实验条件如表2 5 所示，侧铣，每次实验结束后收集切屑。 1 9 广西大掌硕士掌位论文 复合涂层铣刀高速铣肖d 淬硬钢的切肖性胄乏研究 表2 5 涂层刀具切削实验参数 ! 垒! ! 宝：ig 竺竺! 翌量p 璺翌翌宝! 曼! 12 11 竺竺i 翌星! 兰2 曼：i 翌呈坐! ! 塑垒2 坐宝璺1 2 2 1 实验参数切削速度每齿进给量轴向切深 切削速度v ( n l m i n ) 每齿进给量以m m z ) 径向切深a c ( m m ) 轴向切深啾m m ) 机床 工件 铣削方式 冷却方式 10 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ， 4 0 0 ，5 0 0 0 0 4 5 1 0 3 0 0 0 0 2 5 1 0 0 20 2 0 1 ，0 2 ，0 4 ，0 6 d m u6 0 t ，最高转速2 4 ，0 0 0 r p m p 2 0 s 1 3 6 s k d l l $ 7 9 0 顺铣 空冷 使用北京泰克仪器有限公司x t 5 3 0 2 2 一c t v 型体式显微镜，观察收集的切屑形态， 用环氧树脂和添加一定比例的固化剂( 磷苯二甲酸二丁脂、乙二胺) 镶嵌成切屑样本， 然后进行研磨、抛光和腐蚀。利用f e i 公司q u a n t a4 0 0 型扫描电镜，观察和统计不同切削 条件下的切屑形态特征、切屑顶面和底面的微观形貌，并利用e d a x 能谱分析附件对切 屑底面进行能谱分析。最后用图形软件x a c t 、d e s i r e r 、v i s i o 等对相同切削参数条件 下的切屑形貌进行比较，测量切屑尺寸，如切屑宽度、切屑高度、锯齿状切屑的锯齿高 度和锯齿节距等。 2 2 2 淬硬模具钢高速铣削的切削振动 高速加工过程中引起振动的振源有很多，如机床上高速回转零件的不平衡( 主轴、卡 盘等) ，机床传动系统的误差，外部振源等。 按照振动频率分，可以简单地列出下面一些常见的振动情况。 ( 1 ) 与主轴转速频率相同的振动，表示为1 x ( h z ) 。 ( 2 ) 振动频率为转速频率的整数倍，即振动频率为n x ( h z ) ，最常见的是2 x ( h ：) ，也 有3 x ( h ：) ，或更高倍转速频率的振动。 ( 3 ) 振动频率为转速频率的整分数，例如x 2 ( h z ) ，或) ( 4 ( h ：) 等。 ( 4 ) 与转动频率成一定关系比例的振动频率，例如2 0 4 9 x ( h z ) 。 ( 5 ) 频率非常低的振动，5 h ：以下的振动。 ( 6 ) 频率非常高的振动，1 0 k h ：以上的振动。 2 0 叫钙 ，x n u o 眦d叭m 引 删巧 广西大掌硕士学位论文复合涂层铣刀高速铣胄淬硬钢的切肖u 性胄皂研究 信号处理中最常用的就是频域方法，幅值谱分析是研究平稳随机过程的重要方法， 最为常用。定义齿啮合频率岛为铣刀刀齿切入工件时的频率，可以表示为： ：一1 门z 6 0 ( 2 1 ) 式中：缸一齿啮合频率( h ：) ；n 主轴转速( 印m ) ；z 一铣刀齿数 图2 6 为高速切削过程中测得的振动信号的时域波形和幅值谱。实验最高主轴转速为 2 4 0 0 0 r p m ，通过式2 1 可以计算出f o 为2 4 0 0 h z ，而从( a ) 图中其振动幅值谱中可以看出，与 f o 相近的2 4 0 0 h ：处确实存在一个的幅值分量，因此2 4 0 0 h ：就是齿啮合频率，这个频率处 的幅值反映了刀齿切入量的大小，与切削参数有关，同时刀具一旦磨损后，其功率就会 增加，幅值也会相应的有所变化。从振动功率谱中还可以看出存在另外幅值分量，即 1 0 6 1 h ：。这个频率也是振动信号中经常出现的，约为齿啮合频率的二分之一倍频。 i i 1 k 1 n 【i j 。i 1 i | i 1 1 i 。ul 川i i t ， f 1 哪唧” p 州”p w w 州v i l l i r w m w 吖旷 州1 m r 二- ii i i 0 o o e o o o s 9 6 0 e 0 0 3 s1 9 2 e 0 0 2 s 2 8 8 e 0 0 2 s 3 8 4 e 0 0 2 s 4 8 0 e 0 0 2 s 5 7 6 e 一2 s 6 7 2 e 0 0 担 0 0 02 2 5 2 6 0 0 0 01 0 6 1 2 0 0 0 01 6 6 6 6 7 0 0 01 3 6 7 1 9 0 0 02 4 8 0 4 1 0 0 01 6 4 7 1 4 0 0 05 3 3 8 5 0 0 01 3 9 3 2 3 2h z 图2 6 振动原始信号及幅值谱 ( p 2 05 0 h r c ，v = 3 0 0 m m i n ，f z _ 0 0 2 5 m m z ，a p = 0 2 ，a e _ 1 0 m m ) f i g 2 - 6v i b r a t i n gs i g n a la n db r e a d t hs p e c t r u m 除此之外，理论上应该存在机床、刀具的固有频率和一些轴承噪声、电机噪声以及 环境噪声等频率成分，随着加工条件和阶段的变化会有所变化。从频谱中也确实可以看 出存在一些其它的频率成分，如图2 6 中的频率分量1 6 6 6 6 4h ：、1 3 6 7 1 9 h ：以2 4 8 0 4 7 h ： 等多个频率分量。 考虑到实验过程中机床的最高主轴转速为2 4 0 0 0 r m i n ，故本文全部实验的振动采样 频率均为5 k h ：。本文对工件切入，切出状态的数据进行了测量和数据分析处理。 2 1 广西大掌硕士学位论文 复合涂层铣刀高速铣肖d 淬硬钢的切肖d 性能研究 2 2 3 淬硬钢高速铣削的切削力 安装好工件、测力系统。首次使用时需要先对测力仪进行标定。采用标准砝码对测 力仪x 、y 、z 三个方向分别进行统标定，标定的准确与否将直接影响测量结果的准确 度和可靠性。压电系统在静态标定后得到的灵敏度事实上是测力仪归一化灵敏度，所谓 归化灵敏度，就是通过电路调节，使显示值与载荷值两者间的有效数字达到一致。静 态标定的目的是为了获得静态标定曲线，以便求得各向灵敏度、线性误差、滞后、相间 干扰等系数。本文主要研究刀具的高速切削性能，不考虑工件几何形状及走刀路径对切 削力的影响，因此将走刀路线设为直线。将机床进行对刀后，按照试验设计顺序设置机 床的切削参数，如图2 7 所示，铣削力在x 、y 和z 方向的平均切削分力分别为：进给分 力f x ( 沿进给方向) 、径向分力f y ( 垂直于进给方向) 、轴向分力f ：( 沿铣刀轴线方向) 。进行 切削力测试试验，分别得到试验数据的三向切削；o f x ，f y ，f ：。根据f r = 风2 + f y 2 + f z 2 依次计算各个切削条件下切削合力f 。 切 图2 7 切削力分解图 f i g 2 7c o m p o n e n to fc u t t i n gf o r c e s t i m e ( u m ) 图2 - 8 切削力特征 ( p 2 05 0 h r c ，v = 3 0 0 m m i n ，铲0 0 2 5 m m z , a p = 0 2 ， a e = 1 0 m m ) f i g 2 - 8c h a r a c t e r i s t i c so fc u t t i n gf o r c e t i m e ( u m ) 图2 - 9 去漂移后切削力 ( p 2 05 0 h r c ，v = 3 0 0 m m i n ，= 0 0 2 5 m m z , a p = 0 2 ， a e 2 1 0 m m ) 由于实验设备的误差，在高速铣削淬硬钢时， f i g 2 - 9c u t t i n gf o r c ew i t h o u td r i f t 切削力数据分为空切和切削两部分， 广西大学硕士掌位论文 复合涂层铣刀高速铣肖口淬硬钢的切胄性能研究 切削力特征如图2 8 所示，为了使试验的数值更加准确，在做切削力分析时必须去掉切 削过程中的漂移值，取空切段数据做为漂移，所有数据减去漂移值可作折线图2 9 。 切削力的计算一般有两种方法：平均切削力法和最大切削力法。平均切削力法由于 把切削过程采集的所有数据都计算在内，因此算出来的切削力比实际切削力偏小，同理， 最大切削力法算得的数据则偏大。为了减小切削力数据的计算误差，本文对切削力数据 的计算方法采用分段极值法，使计算结果更准确。分段极值法就是把切削力数据分成许 多段，取每小段数据的极值，然后再计算这一系列极值点的平均值。首先将数据取绝对 值，得到图2 1 0 ；再对数据分段求极值，求极值后切削力如图2 1 1 。 l 一 - 一i 一 切削过程 图2 1 0 取绝对值后切削力图2 1 1 分段极值后 f i g 2 l0c u t t i n gf o r c ea f t e rg e t t i n ga b s o l u t ef i g 2 一llc u t t i n gf o r c ea f t e rt h ee x t r e m u ms e c t i o n 从切削力特征曲线中可以看出，由于所用的铣刀为六岁j 铣刀，并且侧铣加工时径向 切深a c = 1 0 m m d , 于刀具半径( r = 4 o m m ) ，在切削过程中，至少有一个切削刃在参与切 削加工，所以切削力没有等于零的特征点出现。由于锯齿状切屑生成频率在4k h z 以上， 高速铣削过程中锯齿状切屑的剪切带在0 1 s 内形成，很难在切削力的时域信号里进行判 断，需要采用4 0 k 以上采样频率进行判别。这一点也证明了实验采用的切削力采样频率 4 0 k h z ，单通道采样频率为1 2 k h z 符合实验要求，记录的切削力没有失真现象。 随着工件硬度提高，铣削不同材料硬度的各向切削分力都明显增大，其中径向分力 f y 增幅明显，$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) 的径向分力f ，是相同条件下p 2 0 ( 5 0h r c ) 的5 - 6 倍。 在侧铣条件下，轴向分力f ：小于其它两个方向的分力，当刀具每转一周( 3 6 0 。) 的切削 力特征曲线表现出两个变化周期，并且曲线表现为很强的周期性，符合切削力变化特性。 本文中所提到的三个方向的切削力f x 、f ”f ：均指平均值，切削力合力f 也为各向切削 力均值的合力。 广西大学硕士学位论文复合涂层铣刀高速铣肖d 淬硬钢的切肖性能研究 2 2 4 淬硬钢高速铣削的切削温度测量 采用非接触式m i k r o n m 7 5 0 0 型在线式高精度红外热像仪，测量淬硬模具钢高速铣 削过程中加工区域的温度场变化，温度分辨率为0 0 6 0 c 。该仪器在- - 4 0o c 至u 1 6 0 0o c 温 度范围内的发生率为0 0 l 1 0 ，测量精度- t - 2 ，最小焦距为3 0 c m ，利用m i k r o s p e c tr t 软 件，测量刀具铣削工件过程中，不同时刻温度场中各点或区域的温度，绘制等温曲线。 采用侧铣方式，工件材料为s 1 3 6 ( 5 5h r c ) 和$ 7 9 0 ( 6 8 h r c ) 。工艺参数为：刀具直径 巾8m i l l ，主轴转速n - - 1 1 9 2 5r p m ，进给速度v f = 3 2 1 9 7 5m m m i n ，轴向切深a p = 0 2r n i i l ， 径向切深a e = 1 0 m m 。 2 2 5 切屑形貌的特点 低速切削时，切屑单元各部分都经历了较为充分的塑性变形，从而单元与单元之间 产生较大的剪切变形使切屑不连续。在高速下铣削时，第一变形区比较窄，产生的剪切 滑移引起的各单元之间的塑性变形较小，单元之间的局部高温，引起很窄的局部剪切滑 移区的塑性失稳。 从图2 1 2 ( a ) 中可以看出当切削速度较小时，切屑变形在刀具的前刀面上以均匀滑 移的变形方式进行，切屑沿剪切面滑移产生的多个层片单元相叠而成，切屑厚度的变化 不大，切屑呈连续带状。 r a ) 连续带状切屑( p 2 0 5 0 h r c ，v = 1 0 0 m m i n ，a v = 0 2 r a m c = ( ) 0 2 5 m m z a e = 1 o m m ) ( b ) 锯齿状切屑( p 2 0 ，5 0 h r c ，v = 3 0 0 m m i n ，a v = 0 2 m m ，= o 0 2 5 m m z , a e = 1 0 m m ) 图2 1 2 淬硬钢高速铣削产生的切屑形态 f i g 2 1 2c h i pm o r p h o l o g yo f h i g hs p e e dm i l l i n g 广西大学硕士掌位论文复合涂层铣刀高速铣肖q 淬硬钢的切肖口性冀皂研究 随着切削速度的提高，在高温与高应变的作用下，切屑顶面存在明显的剪切滑移， 说明切削过程中有明显的剪切和挤压作用。顶面由多层剪切滑移面分割的金属层单元相 叠而成，底面由于与前刀面发生强烈挤压和滑动摩擦，呈现光亮平滑的表面。切屑由变 形程度较小的切屑基体和高度局部化的窄剪切带组成。切屑厚度也出现了明显周期性变 化，呈锯齿状，见图2 1 2 ( b ) 。 图2 - 1 3 锯齿状切屑的形态及其测量万法 ( $ 7 9 0 ，v = 3 0 0 i n m i n ，a p = o 2 r a m ，a e = lm m ，f ：= 0 0 2 5 mm ：z ) f i g 2 13 c h i pm o r p h o l o g ya n dm e a s u r eo fs a w t o o t hc h i p 如图2 1 3 所示，将锯齿状切屑分为两个不同的变形区域：变形程度较小的呈梯形的 锯齿状切屑基体和分布在各个锯齿之间的变形较大的剪切带。利用锯齿状切屑的齿厚高 度h 、锯齿状切屑基体高度l 和锯齿节距p c 描述锯齿状切屑的形态尺寸。 由于切屑非常细小，在进行切屑镶嵌和研磨过程中选取观察位置的不同，以及铣削 过程切削厚度变化等因素可能造成测量误差，取5 个不同锯齿切屑的测量值进行平均。 2 2 6 正交实验 正交设计利用“正交表”科学地安排与分析多因素试验，能够在很多试验方案中挑 选出代表性强的少数试验方案，通过对少数试验方案的试验结果作进一步的分析，找到 最佳组合方案，是一种高效率、快速、经济的试验设计方法。本节根据j 下交试验法的原 理，设计正交试验方案。在试验中，以铣削力、切削振动为试验指标，以涂层刀具、切 削速度、每齿进给量为影响因素，对淬硬钢p 2 0 ( 5 0 h r