王 曦 黃樹濤 許立福 張玉璞 于曉琳

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性和導(dǎo)熱率低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于兵器、汽車和航空航天等領(lǐng)域，如用于制造汽車懸架、飛機(jī)起落架等關(guān)鍵部件[1-2]，在顯著降低零部件重量的同時(shí)能夠提高零件使用性能和可靠性。但高強(qiáng)度鋼切削加工過程中存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重、加工表面質(zhì)量差和加工效率低等問題[3]，屬于典型的難加工材料。

針對(duì)高強(qiáng)度鋼的加工難點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者展開了廣泛研究。Khawaja H等人[4]研究了MQL和切削液澆注2種潤滑方式下高速銑削15CDV6低合金高強(qiáng)度鋼的加工表面質(zhì)量。Le G等人[5]發(fā)現(xiàn)低溫切削35CrMnSiA高強(qiáng)度鋼，能夠有效降低加工表面殘余應(yīng)力、粗糙度與顯微硬度。Jiang H W等人[6]研究涂層微槽車刀加工高強(qiáng)度合金鋼的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)刀具前刀面的微槽能夠增加表面層材料的厚度與殘余應(yīng)力的最大值。Ajaja J 等人[7-8]基于PCA的GRA優(yōu)化方法對(duì)硬態(tài)切削300M超高強(qiáng)度鋼表面粗糙度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果顯著降低了加工表面粗糙度，隨后的研究發(fā)現(xiàn)300M高強(qiáng)度鋼硬態(tài)車削條件下的表面粗糙度與疲勞壽命之間存在著顯著的相關(guān)性。Yang Z C等[9]人研究了銑削參數(shù)對(duì)高速銑削16Co14Ni10Cr2Mo超高強(qiáng)度鋼表面完整性的影響規(guī)律，結(jié)果表明表面粗糙度隨著銑削速度和每齒進(jìn)給量的提高而降低。張慧萍等人[10]通過仿真分析發(fā)現(xiàn)切削300M超高強(qiáng)度鋼時(shí)刀具增大前、后角能夠降低刀具與工件切屑之間的磨損，能夠降低切削溫度。Akbar F等人[11]提出了一種切削熱分布模型，以AISI 4140高強(qiáng)度低合金鋼為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)刀具與切屑之間的溫度，精度在-0.8%～6.3%。房友飛[12]研究了300M超高強(qiáng)度鋼車削時(shí)自組織結(jié)構(gòu)與切削溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)400 ℃左右自組織結(jié)構(gòu)最易生成，且生成的自組織結(jié)構(gòu)有利于降低切削溫度，提高刀具耐磨性。程紅玫等人[13]對(duì)比了高強(qiáng)度鋼切削溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值由于是熱像儀測(cè)出的場溫度對(duì)比仿真值偏低。Guo C S等人[14]基于仿真分析發(fā)現(xiàn)300M超高強(qiáng)度鋼，切削溫度隨著切削參數(shù)提高而提高，切削寬度對(duì)切削溫度影響最為顯著。羅智文等人[15]研究58SiMn高強(qiáng)度鋼車削時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量的提高導(dǎo)致了切削力的上升會(huì)引起切削溫度的上升。

綜上，對(duì)高強(qiáng)度鋼研究主要集中于表面質(zhì)量變化規(guī)律以及切削溫度受刀具結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)等因素的影響規(guī)律。缺少對(duì)高速切削高強(qiáng)度鋼時(shí)切削力、切削溫度以及刀具磨損受切削長度變化的影響規(guī)律研究。本文從實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼長時(shí)間穩(wěn)定高速切削的實(shí)際出發(fā)，以AF1410高強(qiáng)度鋼為研究對(duì)象，使用測(cè)力儀、紅外熱像儀和超景深顯微鏡等分析涂層硬質(zhì)合金銑刀高速銑削AF1410高強(qiáng)度鋼時(shí)的刀具磨損、切削力、切削溫度以及已加工表面粗糙度的變化規(guī)律，為高速銑削高強(qiáng)度鋼提供實(shí)踐支持與理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方案

工件材料為AF1410高強(qiáng)度鋼，化學(xué)元素成分如表1所示，機(jī)械物理性能如表2所示。實(shí)驗(yàn)刀具為機(jī)夾單刃立銑刀，銑刀直徑d=12 mm，刀片幾何角度如表3所示，涂層為TiCN和Al2O3CVD涂層組合。

表1 AF1410化學(xué)元素表[16]

表2 AF1410機(jī)械物理性能表[17]

表3 刀具幾何參數(shù)表

高強(qiáng)度鋼的傳統(tǒng)切削加工切削速度較低，一般多為10～30 m/min，加工效率低，表面質(zhì)量不易控制。本研究采用高速銑削的工藝方法，使用涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)AF1410進(jìn)行高速銑削。切削參數(shù)如表4所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，機(jī)床采用沈陽機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的立式加工中心，主軸轉(zhuǎn)速50～8 000 r/min；刀具后刀面磨損量測(cè)量使用基恩士集團(tuán)生產(chǎn)VHX-1000C型超景深顯微鏡；切削力測(cè)量使用Kistler集團(tuán)生產(chǎn)的9123C型旋轉(zhuǎn)測(cè)力儀；切削溫度記錄采用Fluke公司生產(chǎn)的tix 660紅外熱像儀，量程-40 ℃～1 200 ℃；粗糙度測(cè)量使用時(shí)代集團(tuán)生產(chǎn)的TIME3200型粗糙度儀，量程Ra0.025～12.5 μm，分辨率為0.001 μm，誤差≤10%。切削實(shí)驗(yàn)在干式逆銑條件下進(jìn)行。

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)的切削長度L計(jì)算式：

(1)

式中：L為切削長度；d為刀具直徑；La為刀具中心走刀距離。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 切削長度對(duì)刀具磨損的影響

圖2所示為Vc=270 m/min；fz=0.02 mm/z；ap=0.5 mm；ae=10 mm干式逆銑的切削條件下，不同切削長度時(shí)后刀面的磨損形貌。從圖中看出隨著切削長度的增加，刀具后刀面磨損區(qū)域逐漸變寬，在不同切削長度除了正常的磨損外，在刀刃上還出現(xiàn)了微小崩刃，在微小崩刃初期產(chǎn)生時(shí)尺度很小(圖2b)，隨著切削距離的增加，刀具磨損加大，微小崩刃也有所增大(圖2d)。切削過程中發(fā)生了被切削材料在刀刃及前、后刀面的粘附 (圖2c)；顯然，這種金屬粘附一方面減小了刀具的磨損，另一方面，在長時(shí)間的切削過程中，金屬粘附的頻繁脫落也是造成刀刃微小崩刃的原因。

圖3為銑削到4 309 m時(shí)刀尖部位(圖3a)與前刀面(圖3b)的磨損區(qū)域形貌。從圖中可以看出，在刀具前、后刀面均發(fā)生了金屬粘附，除正常粘附的金屬外，還粘附有切屑斷裂后殘留的根部。由于AF1410高強(qiáng)度鋼中含有大量的Ni元素，在提高工件材料的強(qiáng)度、硬度的同時(shí)也降低導(dǎo)熱系數(shù)[18]。導(dǎo)致材料切削過程中切削摩擦區(qū)與剪切區(qū)產(chǎn)生的大量熱量，不能及時(shí)擴(kuò)散。在高速切削條件下，切削剪切滑移區(qū)以及前后刀面摩擦區(qū)產(chǎn)生的大量熱量聚集使的這些局部區(qū)域金屬軟化，并在切削壓力和摩擦力的作用下，發(fā)生金屬粘附，當(dāng)銑刀切出后，粘附金屬硬化，并在后續(xù)的切削過程中成為新的金屬粘附的基礎(chǔ)。

使用超景深顯微鏡測(cè)量后刀面磨損區(qū)域最大磨損量，得圖4所示后刀面磨損量VBmax隨切削長度的變化曲線。從圖中看出切削長度為0～2 155 m時(shí)磨損速率較快，為初期劇烈磨損階段。當(dāng)切削長度達(dá)到2 155 m后，也即切削長度為2 155～5 543 m時(shí)刀具磨損速率相對(duì)穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長。銑削結(jié)束后，切削長度達(dá)到5 543 m時(shí)，后刀面最大磨損量為142 μm。

2.2 切削長度對(duì)切削力變化的影響

圖5為Vc=270 m/min、fz=0.02 mm/min、ap=0.5 mm、ae=10 mm、干式逆銑切削條件下，切削力在切削初期(切削長度為163 m(圖5a))、切削中期(切削長度為3 038 m(圖5b))、切削末期(切削長度為5 543 m(圖5c))時(shí)取0.1 s時(shí)間段的切削力載荷變化曲線。在該條件下，切削力隨著刀具的切入、切出工件周期性波動(dòng)。從圖中看出，無論刀具磨損階段處于何時(shí)，徑向力Fr由于受到剪切分力、切削層對(duì)后刀面的擠壓的共同作用，其最大值Frmax最大，最大值的平均值在切削初期、中期、末期分別為182.74 N、271.9 N、301.15 N；軸向力Fz主要受剪切區(qū)分力以及已加工表面對(duì)副切削刃的擠壓作用，其最大值Fzmax相對(duì)Frmax要小，最大值平均值在切削初期、中期、末期分別為127.16 N、181.94 N、235.57 N；切向力Ft主要包含剪切分力和切削層對(duì)后刀面的摩擦力，一方面，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，圖6所示切屑表面由致密剪切滑移導(dǎo)致的鋸齒狀，說明切削過程中出現(xiàn)絕熱剪切效應(yīng)，切削高溫主要聚集在剪切區(qū)，高切速導(dǎo)致切削時(shí)間降低、切削熱不能及時(shí)擴(kuò)散[19-20]，剪切區(qū)的高溫軟化使剪切力大幅下降；另一方面，由于切削深度ap較小，后刀面所受的摩擦力也較小，特別是由于切削深度ap小于刀尖圓弧半徑，作用于圓弧刀刃上的軸向分力較大，使得軸向切削分力大于切向力，因此切向力的最大值Ftmax在3個(gè)分力中最小，在切削初期、中期、末期最大值的平均值分別為102.80 N、116.23 N、134.94 N。

將不同切削長度下測(cè)得的切削力信號(hào)去漂移后截取0.1 s內(nèi)的切削力，求取每個(gè)切削周期的最大值的平均值作為不同切削長度下的切削力最大值，得切削力隨切削長度的變化，如圖7所示。從圖中可以看出，隨著切削長度的增加，切削力逐漸變大，其中徑向力Frmax從182.74 N增至301.15 N，軸向力Fzmax從127.16 N增至235.57 N，切向力Ftmax從102.80 N增至134.93 N。徑向力Frmax與軸向力Fzmax增幅分別為118.41 N和108.41 N，增幅較大；切向力Ftmax增幅最小，僅為32.12 N。這是由于高速銑削AF1410高強(qiáng)度鋼時(shí)，隨著切削長度的增加，刀具后刀面磨損加大，切削層和已加工表面對(duì)刀具主副切削刃的擠壓作用加強(qiáng)，因此徑向力Frmax與軸向力Fzmax的增幅加大，而切向力雖然也有增加，但由于切削深度小，摩擦力較小，而且由于切削溫度較高，與后刀面接觸的切削層軟化，進(jìn)一步減小了摩擦力的增加幅度。

2.3 切削長度對(duì)切削溫度場的影響

圖8為在Vc=270 m/min；fz=0.02 mm/z；ap=0.5 mm；ae=10 mm干式逆銑切削條件下，切削長度為4 200 m時(shí)使用紅外熱像儀測(cè)得的切削溫度場。從標(biāo)記的溫度值可以看出，在跟隨刀具剛剛切出的切屑溫度為整個(gè)切削溫度場溫度最高點(diǎn)，達(dá)到了465.1 ℃；而工件已加工表面的切削溫度較低，僅為72.9 ℃左右，這是因?yàn)楦咚偾邢鲿r(shí)切削速度高，而AF1410中Ni元素含量較高，導(dǎo)致材料的熱導(dǎo)率較低[18]，切削高溫主要集中在剪切滑移區(qū)[21]，大量切削熱隨切屑飛濺擴(kuò)散，導(dǎo)致了已加工表面的溫度遠(yuǎn)低于高溫區(qū)域的最高溫度。切屑在切出工件后，飛濺過程中溫度逐漸擴(kuò)散，降低為373.4 ℃，小于剛切出工件時(shí)的溫度。

圖9所示為不同切削長度下的切削溫度場變化云圖，從圖中看出，隨著切削長度的增加，高溫區(qū)域逐漸變大，溫度逐步升高。其中切屑剛剛切出點(diǎn)溫度變化最大，由切削長度為323 m時(shí)的280.7 ℃升至切削長度為5 543 m時(shí)的486.7 ℃，增幅明顯，這主要是由于隨著切削距離的增加，刀具磨損變大，切削區(qū)的擠壓摩擦作用加大造成的；而已加工表面溫度受到絕熱剪切效應(yīng)的作用，測(cè)得溫度僅從48.1 ℃升至81.5 ℃，變化幅度不大。

對(duì)不同切削長度下記錄的切削溫度數(shù)據(jù)，隨機(jī)標(biāo)記3個(gè)時(shí)刻高溫區(qū)域切屑剛切出工件位置的最高溫度(Tcmax)以及已加工表面溫度(Tms)分別取平均值，得圖10所示溫度(Tcmax、Tms)變化曲線。圖中切屑剛切出工件位置的溫度(Tcmax)隨著切削長度的增加逐漸升高，從278.1 ℃升至482.4 ℃，這是因?yàn)樵龃蟮那邢髁ι吡说毒吆蟮睹媾c過渡表面間擠壓、摩擦發(fā)熱以及刀具磨鈍之后的剪切變形熱，致使切削溫度(Tcmax)上升；對(duì)比之下，已加工表面溫度Tms溫度穩(wěn)定在50 ℃～90 ℃范圍內(nèi)受切削長度的變化影響不大。

2.4 已加工表面粗糙度隨切削長度的變化

在不同切削長度下，任取5個(gè)位置測(cè)量已加工表面的粗糙度Ra取平均值，作為不同切削長度下已加工表面粗糙度值，得圖11所示已加工表面粗糙度(Ra)隨切削長度的變化曲線。從圖中可以看出整個(gè)切削過程中已加工表面粗糙度穩(wěn)定。雖然隨切削長度變化有一定的波動(dòng)，但變化幅度不大，獲得了較好的表面粗糙度。

3 結(jié)語

本文針對(duì)高強(qiáng)度鋼的傳統(tǒng)切削加工，加工效率低的問題，使用涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)AF1410高強(qiáng)度鋼進(jìn)行高速銑削實(shí)驗(yàn)。研究其高速切削高強(qiáng)度鋼時(shí)的刀具磨損、切削力、切削溫度以及已加工表面粗糙度的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)高速銑削AF1410時(shí)，刀具前后刀面存在較多的被加工材料粘附，刀具磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為后刀面的正常磨損和刀刃的微崩，以TiCN和Al2O3組合的CVD涂層刀具可以適應(yīng)AF1410高強(qiáng)度鋼的長時(shí)間穩(wěn)定切削。

(2)在本文實(shí)驗(yàn)條件下，高速銑削AF1410高強(qiáng)度鋼時(shí)，徑向力Fr最大、軸向力Fz次之、切向力Ft最小。隨著切削長度的增加，徑向力Fr、軸向力Fz和切向力Ft均有增加，其中徑向力Fr與軸向力Fz的增幅較大，切向力Ft變化較小。

(3)高速銑削過程中，隨著切削長度的增加，剛被刀具切出的切屑溫度逐漸上升，對(duì)比之下，由于絕熱剪切效應(yīng)的作用，工件已加工表面溫度的增幅較小。

(4)使用TiCN和Al2O3組合的CVD涂層刀具長時(shí)間高速銑削AF1410高強(qiáng)度鋼時(shí)，可以獲得較好的已加工表面粗糙度，已加工表面粗糙度隨切削長度的變化波動(dòng)較小。