復(fù)合涂層銑刀高速銑削淬硬鋼的切削性能研究.pdf

1、淬硬鋼具有較高的強度和硬度,廣泛應(yīng)用于航空航天以及汽車制造行業(yè),在其高速加工過程中,由于產(chǎn)生的切削力和沖擊載荷都很大,且切削溫度高,易導(dǎo)致刀具磨損、破損、崩刃,嚴(yán)重制約了銑刀在高速銑削加工的應(yīng)用。隨著高速切削設(shè)備的不斷增加,難切削技術(shù)的發(fā)展,要求刀具有高切削速度、高進(jìn)給速度、高可靠性、長壽命和良好的切削性能。涂層刀具的出現(xiàn),有效的解決了這些問題,它將具有較高強度和良好韌性的基體與高耐磨的硬質(zhì)薄膜表層相結(jié)合。涂層對刀具切削性能的改善和加工

2、技術(shù)的進(jìn)步起到了非常重要的作用,提高了加工精度和加工效率,延長刀具使用壽命,并且保證了工件的表面質(zhì)量,降低成本。高性能涂層刀具已成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志,其應(yīng)用范圍覆蓋了切削加工的大多數(shù)領(lǐng)域。
　　 本論文在課題組相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,拓展研究了使用不同的切削參數(shù)和不同的復(fù)合涂層硬質(zhì)合金銑刀高速銑削不同硬度的四種淬硬鋼,分析了其對銑削過程中切削力、切削振動、切削溫度以及切屑形態(tài)的影響,更進(jìn)一步揭示了在影響高速銑削淬硬鋼過程的各種影響參數(shù)及

3、影響規(guī)律,并通過正交實驗,極差和方差分析了各種主要的加工條件對切削力和切削振動的影響程度,提出了刀具選擇原則并對加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,通過實例驗證了其有效性。這對實現(xiàn)復(fù)合涂層高速銑削淬硬鋼的高效、高精度切削加工提供了良好的研究基礎(chǔ)。論文的主要結(jié)論如下：
　　 1、切屑形貌分析：(1)在V=300rn/min時,隨著工件材料硬度增加,淬硬鋼鋸齒狀切屑分離的趨勢加強,齒根厚度逐漸變薄,齒距明顯增大,這個結(jié)論與本課題組里研究S136

4、(51HRC)和SKD11(55HRC)切屑形態(tài)的變化規(guī)律基本相同。當(dāng)工件的硬度低于55HRC時,產(chǎn)生鋸齒狀切屑主要呈梯形狀；當(dāng)硬度高于62HRC時,切屑以三角形鋸齒狀為主。當(dāng)每齒進(jìn)給量較小時,切屑仍為變形均勻的連續(xù)帶狀。(2)不同的涂層刀具銑削同一硬度材料時,切屑形態(tài)不同。從宏觀上看,切屑呈卷曲狀,且較為短碎；從微觀上觀察,TiAIN與TiCrAlN涂層刀具形成切屑呈梯形鋸齒狀,而TiSiN與TiAlSiN涂層刀具產(chǎn)生三角形鋸齒狀切屑

5、。在涂層成分中加入適量的Si元素后,鋸齒狀切屑的齒根厚度明顯的變薄,切屑變形分離的趨勢加強,更有利于淬硬鋼材料的銑削加工。(3)在高速銑削S790實驗中發(fā)現(xiàn)：在較小的切削速度下,切屑為變形均勻的連續(xù)帶狀,當(dāng)切削速度達(dá)到100m/min時,產(chǎn)生了鋸齒狀切屑,切屑頂面存在明顯的剪切滑移,項面由多層剪切滑移面分割的金屬層單元相疊而成,底面由于與前刀面發(fā)生強烈擠壓和滑動摩擦,呈現(xiàn)光亮平滑的表面；隨著每齒進(jìn)給量的增加,切削力明顯增大,切屑形態(tài)開始

6、由連續(xù)帶狀向鋸齒狀轉(zhuǎn)變,切屑項面變形加劇,鋸齒的齒根厚度明顯變薄,齒高厚度增加,齒距增大,鋸齒化程度加重；軸向切削深度很小時,切屑以變形均勻的連續(xù)帶狀為主。當(dāng)軸向切深大于0.1mm小于0.4mm時,切屑主要呈梯形鋸齒狀,淬硬鋼材料的切屑基體形狀均由梯形向三角形發(fā)展,剪切帶的高度逐漸減小,鋸齒節(jié)距增大,齒根高減小。當(dāng)軸向切深大于0.6mm時,切屑的鋸齒化程度加劇。
　　 2、從切削振動分析結(jié)果表明：(1)淬硬模具鋼的鋸齒狀切屑生成

7、頻率在4kHz以上,振動功率譜的峰值主要出現(xiàn)在頻率為1000HZ和1500Hz附近,當(dāng)切削速度V=200m/min時,振動功率譜兩個主頻幅值都有一個極大值。(2)銑削P20（50HRC）時振幅最平穩(wěn),幾乎隨每齒進(jìn)給量線性增加,而銑削S136(55HRC)時振幅隨每齒進(jìn)給量的增加上下波動。(3)從振動功率譜圖中可以看出,TiAlN涂層刀具在每齒進(jìn)給量0.025mm/z時,其主頻率f0附近有712.89Hz和1914.06Hz的旁瓣出現(xiàn)。而

8、TiAISiN在每齒進(jìn)給量0.045mm/z時,未見其主頻率f0附近712.89Hz和1914.06Hz有明顯旁瓣,所以TiAlSiN涂層刀具更適于高速銑削淬硬鋼。
　　 3、切削力分析：(1)隨著工件材料硬度提高,切削分力明顯增大,振動加強,其中徑向分力Fy增幅明顯,S790（68HRC）的徑向分力Fy是相同條件下P20（50HRC）的5-6倍。(2)隨著切削速度的提高,切削力逐漸減小。(3)當(dāng)每齒進(jìn)給量達(dá)0.025mm/z時

9、,TiAISiN涂層刀具銑削產(chǎn)生的銑削力突然增大,切削合力F大小為：TiAlN>TiCrAIN>TiSiN>TiAlSiN。(3)通過紅外熱像儀的觀察發(fā)現(xiàn),隨著材料硬度的增加,刀具與工件接觸面間的切削溫度增加,高速銑削P20(50HRC)、S790(68HRC)時,刀具與工件接觸面之間的切削溫度分別為570℃和620℃；工件表面瞬時最高溫度分別達(dá)到了405℃和440℃,平均溫度在190℃～225℃之間變化。
　　 4、通過正交實

10、驗的極差和方差分析：涂層刀具、每齒進(jìn)給量、切削速度和材料硬度是影響切削力和切削振動的主要因素。材料硬度對切削力和切削振動的影響最大,它們之間的影響程度是：涂層成份<每齒進(jìn)給量<切削速度<材料硬度,涂層成份與切削速度的交互作用不明顯。隨著材料硬度增加,切削速度對切削力和切削振動的影響變得更加顯著,當(dāng)材料硬度增加到68HRC時,涂層刀具對切削力和切削振動的影響加劇,并且顯著程度超過每齒進(jìn)給量的影響。
　　 5、在上述研究基礎(chǔ)上,本文