刀具槽型對銑削高強鋼切削力及刀具磨損影響

張串串，許立福，黃樹濤，于曉琳

沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院

1 引言

高強度鋼因具有強度高和韌性高等特點，被廣泛應(yīng)用于船舶、航空航天和武器裝備等領(lǐng)域[1]。但對其進行切削加工的過程中存在加工效率低、切削力大和刀具磨損嚴(yán)重等問題，屬于典型的難加工材料。為解決這些問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。畢仁貴等[2]、Joshi A.等[3]研究了切削參數(shù)對切削32Cr3NiMoVA高強度鋼時刀具磨損的影響，實驗結(jié)果表明，切削速度對刀具磨損的影響最大。宋戈等[4]通過正交實驗研究了涂層硬質(zhì)合金刀具切削AF1410高強度鋼時的刀具磨損情況，發(fā)現(xiàn)刀具磨損隨銑削速度和銑削深度的增加而線性減小。姜增輝等[5]研究了高速車削TC4鈦合金時刀具槽型對刀具磨損的影響，實驗結(jié)果表明，在切削速度為95m/min時，倒棱寬度較小的槽型刀具磨損較小；在切削速度為139m/min時，倒棱寬度較大的槽型刀具磨損較小。Li Y.等[6]研究了不同涂層刀具切削AISI4340高強度合金鋼的切削力和刀具磨損，發(fā)現(xiàn)TiN/TiCN/TiAlN多層涂層刀具更耐磨，且切削力較小。Akash Saini等[7]采用正交試驗法研究了CVD和PVD涂層刀具在切削AISI4340高強度合金鋼時的切削力，結(jié)果表明，PVD涂層刀具切削力較小。李昊澤等[8]利用ABAQUS有限元軟件建立AF1410高強度鋼的二維切削模型，研究了切削參數(shù)對切削力的影響，發(fā)現(xiàn)切削速度和切削深度對切削分力Fx影響較大，對切削分力Fy的影響較小。Xu J.等[9]采用方差分析的方法研究了銑削AF1410超高強度鋼時銑削參數(shù)對銑削力的影響，發(fā)現(xiàn)銑削力隨每齒進給量、銑削深度和銑削寬度的增大而增大。王書利等[10]利用有限元仿真研究了切削34CrNiMo6高強度鋼時刀具幾何參數(shù)對切削力的影響，通過設(shè)計正交實驗和方差分析發(fā)現(xiàn)，前角和刃口半徑對切削力的影響最為顯著。

以上研究都集中在切削參數(shù)、刀具涂層和幾何參數(shù)對刀具磨損和切削力的影響。關(guān)于刀具槽型對刀具磨損影響的研究主要集中于具有連續(xù)切削特征的車削加工，而對高強度鋼高速銑削條件下刀具槽型對切削力和刀具磨損的研究尚有不足。因此，本文采用兩種不同槽型的涂層硬質(zhì)合金刀具對AF1410高強度鋼進行高效銑削試驗，研究刀具槽型對刀具磨損和切削力的影響規(guī)律，為高速銑削高強度鋼的刀具槽型選擇提供實踐參考。

2 試驗條件

試驗所用工件材料為AF1410高強度鋼，力學(xué)性能如表1所示，化學(xué)成分如表2所示。

表1 AF1410的力學(xué)性能[13]

表2 AF1410的化學(xué)成分[14]

試驗選用的刀具材料為涂層硬質(zhì)合金，涂層采用CVD化學(xué)氣相沉積，涂層材料為TiCrN+Al2O3+TiN，銑刀直徑12mm，刀具幾何參數(shù)見表3，刀具槽型見圖1。槽型1刀具負(fù)倒棱寬度較小，切削刃較鋒利，槽型較平緩。槽型2刀具負(fù)倒棱寬度較大，槽型較陡。

表3刀具幾何參數(shù)和槽型

圖1 刀具槽型

試驗所使用機床為VMC850E立式數(shù)控加工中心，主軸轉(zhuǎn)速為50～8000r/min，主軸功率為11kW。測力系統(tǒng)由KISLTER-9123C旋轉(zhuǎn)式測力儀、RCD型多通道電荷放大器、5679A數(shù)據(jù)采集器和計算機組成，測量時采樣頻率設(shè)為6000Hz。采用KEYENCE公司的VHX1000C型超景深顯微鏡系統(tǒng)測量刀具磨損。試驗系統(tǒng)如圖2所示。在干式條件下進行試驗，銑削速度為V=200m/min，銑削深度為ap=3mm，銑削寬度ae=10mm，每齒進給量fz=0.08mm/z，每次銑削弧長如圖3所示。

圖2 試驗系統(tǒng)

刀具的切削路徑長度根據(jù)式(1)和式(2)計算，有

(1)

(2)

式中，d為刀具直徑；ae為銑削寬度；L為刀具切削路徑長度；S為刀具中心行程；l為銑削弧長。

圖3 銑削弧長計算

3 試驗結(jié)果分析

3.1 刀具槽型對刀具磨損的影響

圖4為兩種槽型刀具銑削不同路徑長度時前后刀面的磨損形貌，圖5為兩種槽型刀具后刀面磨損量隨切削路徑長度的變化。

由圖4可以看出，兩種槽型刀具的磨損均主要發(fā)生在刀具后刀面，在前刀面負(fù)倒棱上磨損均勻，且磨損量較小。從刀具磨損形貌圖可以看出，槽型1刀具切削過程中在刀尖處有明顯因微小蹦刃造成的較深磨損凹坑，而槽型2刀具整體表現(xiàn)為均勻的正常磨損，這主要是由于槽型1刀具的負(fù)倒棱較窄，刀刃強度相對較低，在切削高強度鋼時，在切削力作用下容易發(fā)生微小蹦刃，并且后期在較大接觸壓力作用下沿微崩刃口形成較深的磨損溝痕。而槽型2刀具的刃口強度高，不易發(fā)生微崩。

從圖5可以看出，在切削前期，兩種槽型刀具的磨損量增加較快，槽型1刀具的磨損量大于槽型2刀具；當(dāng)切削路徑長度超過317m時，切削進入中后期，槽型2刀具的磨損量大于槽型1刀具。從圖4可以看出，兩種槽型刀具在切削前期和中后期的磨損特征不同，在切削前期，槽型1刀具出現(xiàn)微小蹦刃，其磨損凹坑較大，而槽型2刀具磨損均勻，只在負(fù)倒棱鄰近后刀面的位置產(chǎn)生了均勻磨損。在切削中后期，雖然槽型1刀具的后刀面磨損寬度較小，但磨損溝痕較深；槽型2刀具的后刀面磨損寬度較大，但磨損較為均勻，沒有較深的磨損溝痕。顯然，槽型1刀具由于負(fù)倒棱較窄，刀刃強度較低，切削刃在切削初期容易產(chǎn)生微崩，并在后續(xù)切削摩擦中形成較深的磨損溝痕，因此切削初期槽型1刀具的磨損量較大；而槽型2刀具由于負(fù)倒棱較寬，切削刃強度較大，切削過程中磨損較為平穩(wěn)，但較寬的負(fù)倒棱導(dǎo)致切削過程中的切削力較大，加大了其磨損，因此，在切削中后期其磨損量較槽型1的刀具要大。

槽型1槽型2(a)L1=34.03m

槽型1槽型2(b)L2=90.13m

槽型1槽型2(c)L3=158.82m

槽型1槽型2(d)L4=317.55m

槽型1槽型2(e)L5=486.6m

槽型1槽型2(f)L6=683.71m

槽型1槽型2(g)L7=833.7m

圖4銑削不同路徑長度時前后刀面磨損形貌對比

圖5 刀具后刀面磨損量隨切削路徑長度的變化

3.2 刀具槽型對切削力的影響

圖6為不同切削路徑長度時兩種槽型刀具的切削力波形變化，圖7為兩種槽型刀具切削過程中各切削分力隨切削路徑長度的變化趨勢，圖中各切削分力均為其峰值的平均值。可以看出，槽型2刀具的各切削分力均大于槽型1刀具，其中徑向力最為顯著，即負(fù)倒棱寬度較大，刀具的切削力更大；而負(fù)倒棱寬度小，刀具的切削刃較鋒利，切削力較小。隨著切削路徑長度的增加，槽型1刀具和槽型2刀具的切向切削力Ft基本沒有變化，軸向切削力Fz略有增加，徑向切削力Fr總體呈增加趨勢，在切削前期增加較為明顯，而后增加較為平緩，而槽型2的刀具整個切削過程增加得都較為明顯。

槽型1

槽型2

槽型1

槽型2

槽型1

槽型2

由于銑削試驗的每齒進給量較小，切削過程中參與切削的副切削刃主要是與已加工表面接觸的圓弧刃的一小部分，其磨損對軸向切削力的影響較小，表現(xiàn)為軸向切削力Fz隨著切削路徑長度的增加而有所增加，但增加幅度很??；切削過程中作用于刀具負(fù)倒棱的力沿切向和徑向的分力是切向力和徑向力的主要組成部分，從圖4前刀面磨損狀態(tài)看，整個切削過程負(fù)倒棱磨損很小，因此作用于負(fù)倒棱上的切削力變化不大。切向切削力Ft的另一個組成部分是刀具后刀面與加工表面的摩擦力，雖然隨著切削路徑長度的增加，刀具后刀面磨損也有一定增大，但在本試驗高速切削高強鋼條件下，工件與刀具后刀面的接觸表面在切削高溫作用下處于軟化狀態(tài)，摩擦力較小，以上綜合作用導(dǎo)致切向力在整個切削過程中幾乎沒有多大變化。徑向力的另一個組成部分是切削層材料對刀具后刀面的徑向擠壓力，由圖6和圖7可以看出，在切削前期，切削路徑長度達(dá)到317m左右時，兩種槽型刀具的徑向力增加較大，而在此后，雖然槽型1刀具的徑向力隨切削路徑長度的增加而增加，但增加較為平緩。而槽型2刀具的徑向力隨切削路徑的增加而增大較為明顯。對比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，切削前期，兩種槽型刀具磨損增加較快，徑向力增加較大；在切削中后期，由于槽型1刀具磨損增加較為緩慢，因此徑向力的增加也較為平緩，而槽型2刀具磨損進一步加劇，因此徑向力的增加也較為明顯。

圖7 兩種槽型刀具切削分力隨切削路徑長度的變化

4 結(jié)語

通過研究分析AF1410高強度鋼的銑削試驗中刀具槽型對切削力和刀具磨損的影響，主要得出如下結(jié)論。

(1)在整個切削過程中，兩種槽型刀具的前刀面負(fù)倒棱磨損均勻且磨損量較小，主要磨損均發(fā)生在刀具后刀面；在切削前期，負(fù)倒棱較窄的刀具存在微小蹦刃，磨損量較大；在切削路徑長度超過317m后，切削進入中后期，負(fù)倒棱較寬的刀具磨損量大于負(fù)倒棱較窄的刀具。

(2)在整個切削過程中，負(fù)倒棱較寬的刀具的各銑削分力均大于負(fù)倒棱較窄的刀具，兩種槽型刀具軸向和切向銑削分力隨切削路徑的變化較小，在切削前期兩種槽型刀具的磨損增加較快，徑向力增加也較大；在切削中后期，槽型1刀具磨損增加較為緩慢，徑向力的增加也較為平緩，而槽型2刀具磨損較快且徑向力增加也較快。