淬硬模具钢极速切削之试验分析

1绪论     1.1高速切削加工技术概述 1931年，德国切削物理学家CarlJ.Salomon通过圆锯片对不同材料进行高速切削试验，试验材料的切削速度如下:切削普通钢铁、非铁族及轻金属材料的切削速度为440m/min，青铜的切削速度为1600m/min;紫铜的切削速度为2840m/min;铝的切削速度高达16500m/minC试验结果表明，当切削速度超过某一数值时，切削温度会随着切削速度的进一步提高呈现下降趋势，如图1.1所示。 Salomon的基础研究表明，切削温度会随着切削速度的提高逐渐上升到一个无法继续切削的温度区域(美国称之为“死区”(valleyofdeath))，但是切削温度并不是一直上升的而是当切削速度超过某一临界切削速度后开始降低。目前，由于各国对高速切削加工的研究程度和理解差异较大，因此高速切削加工技术还没有一个确切的定义。现在一般是根据德国生产工程与机床(PTW)研究所的定义，认为当切削速度超过传统切削速度的5-10倍时即认为是进入了高速切削加工阶段。当然也有人认为，只要材料在切削加工过程中发生了切削机理的变化就进入了高速切削加工阶段，这种说法也许更合理。同时从图1.1中还可以看出不同材料切削温度进入所谓的“死区”的速度是不一样的，这也说明了不同材料由于本身物理化学性能和力学性能的不同进入高速切削的速度是不一样的，这己经在试验中得到证实c     1.1.2高速切削加工技术的优势 较之传统的切削加工方法，高速切削加工具有明显的优势： (1)切削效率显著提高。 (2)能够获得高的加工精度和低的表面粗糙度。 (3)较小的切削力和工件变形。 (4)工件无飞边、毛刺，切屑易处理。 (5)可完成高硬度材料的加工。 如采用带有特殊涂层的硬质合金刀具，在高速、大进给量和小切削深度的条件下，可完成硬度高达40-62HRC的淬硬钢的加工，效率高出电加工(EDM)的3-6倍，而且可获得很高的表面粗糙度(Rao.4)。     1.1.3高速切削加工技术的研究体系及关键技术 高速切削技术是一项复杂的系统工程，跟其有密切关系的机床、刀具等方方面面组成了高速切削技术的研究体系，见图1.2。从图1.2中可以看出，高速切削技术是一个庞大的系统，几乎涉及到了现代各种先进的科学技术。高速切削关键技术主要包括高速机床技术、高速切削刀具技术、高速切削机理、高速切削工艺技术和高速切削监控与测试技术这么几大类，当然其中又包含许多小的关键技术。这些关键技术往往也是制约高速切削加工技术向前发展的瓶颈，比如高速切削刀具材料、机床主轴系统等。因此高速切削技术的研究重点和热点总是围绕着这些关键技术不断深入的。     2试验设计与试验步骤     试验设计部分介绍了试验中所使用的刀具材料、工件材料和对研究切屑形成机理的切屑采集试验以及采用正交试验方法确定适合高速切削高淬硬模具钢的切削用量和刀具合理几何参数，试验步骤部分对试验的过程进行了详细的说明。     2.1试验设计     2.1.1工件材料的选择 本试验使用的工件材料为CrlZMoV。由于CrlZMOV钢具有高淬透性，截面为300-40Omm以下者可以完全淬透，在300-400OC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，因此被广泛用来制造断面较大、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。为了满足现代冷作模具钢高硬度的要求，对退火状态的CrlZMOV试验工件进行如下热处理工艺，980-1O40oC淬火，Z000C回火两次，每次两小时，硬度为59.5-6O.SHRC。工件实际检测硬度为60HRC。其化学成分见表2.1，力学性能见表2.2。工件采用直径小120mm，长度为300mm的圆棒料进行外圆车削试验，工件实物见图2.1。     3 高速切削淬硬钢切屑形成机理分析................. 33-50      3.1 高淬硬难切削材料高速切削切屑................. 33-36          3.1.1 热塑剪切失稳理论................. 33-34          3.1.2 金属热软化效应 ................. 34-35          3.1.3 材料热导率变化.................  35-36      3.2 高速切削时切削区的材料变形.................  36-38      3.3 高淬硬材料高速切削时切屑变形规律.................  38-46          3.3.1 切屑形态随切削用量的变化规律.................  39-41          3.3.2 切削速度对锯齿化程度、锯齿频率.................  41-43          3.3.3 进给量对锯齿化程度、锯齿频率.................  43-45          3.3.4 被吃刀量对锯齿化程度、锯齿频率.................  45-46      3.4 高淬硬材料高速切削时切屑形成机理分析.................  46-49          3.4.1 高淬硬材料高速切削时切屑................. 46-47          3.4.2 高淬硬材料高速切屑时切屑形成.................  47-49      3.5 本章小结 ................. 49-50  4 切削用量和刀具几何参数优化结果分析.................  50-60      4.1 切削用量和刀具几何参数优化的意义.................  50      4.2 高淬硬材料高速切削时合理切削用量................. 50-56      4.3 刀具几何参数优化的进一步试验分析 ................. 56-59  4.4 本章小结.................  59-60     结论     木文利用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具对高淬硬模具钢CrlZMoV进行高速切削试验，分析了高淬硬材料在高速切削时的切屑形成机理、优化了高淬硬材料在高速切削时的合理切削用量和刀具合理几何参数。切屑形成机理的研究进一步丰富了高速切削技术的切削机理理论，优化高速切削时的切削用量和刀具合理几何参数的研究为推动高速切削技术应用到高淬硬难切削材料领域奠定了必要的基础。本文主要得到以下几条有价值的结论: (l)研究了高淬硬材料在高速切削时其切屑形成机理，通过切屑形态随切削用量的变化规律并通过对金相组织变化的观察，认为高淬硬材料在高速切削时其切屑形成机理是绝热剪切作用、金属热软化和材料热导率变化共同作用的结果，在中低速切削速度下，金属热软化和热导率作用在一定程度上相互抵消，绝热剪切作用占主导地位，高切削速度时，金属热软化作用占主导地位。 (2)在切屑形成机理研究中，首次发现高淬硬材料在高速切削时，随着切削速度的增大，切屑形态从常见的锯齿型切屑变成带状切屑这一重要现象，其发生变化的切削速度介于267-339m/min。 (3)通过对切屑金相组织和试验观察可以看出，绝热剪切带与切屑底部具有相同的金相组织。随着切削速度增大，切屑发生金相转变的范围越来越大，当切削速度足够高时，切削热足以使切屑全部发生金相转变，绝热剪切作用也越来越弱，形成带状切屑后能够看到明显的塑性流动区域。 (4)在锯齿型切屑形成阶段，切削速度对切屑形成的影响最大，其次为进给量，被吃刀量在增大到一定程度后对其影响越来越小。 (5)切削用量对工件表面粗糙度和切削路程的影响，除了切削速度的影响与传统理论有差别外，其余的基本一致。即要获得高的表面粗糙度可以选择较低或较高的切削速度，小的进给量和小的被吃刀量。本次试验中认为，合理的切削速度介于118-150m/min之间，进给量小于等于o.lmm/r，小于0.15mm。     参考文献 1艾兴等.高速切削加工技术[J].第1版.北京:国防工业出版社，2003 2H.Sehulz.T.Moriwaki.Highspeedmaehining.AnnalofCIPR.1992，41(2):637-64 3.袁峰，王太勇，王双利.高速切削技术的发展与研究[J].机床与液压.2005(12):8-10 4艾兴，刘战强等.高速切削综合技术[J].航空制造技术.2002(3):专题综述 5KingPl，VaughnRL.ASynaptieviewofhigh speed Maehininghttp://www.dxlws.com/mjbylw/ from SalmontoPresent.HighsPeedmaehining.editedbyKomanduri，SubramanianKetal.ASME，U.5.A.1984，1-13 6汪木兰，左建民等.高速切削温度场的三维有限元建模与动态仿真[J].现代制造工程.2010(2):80-84 7RameshMV，SeetharamuK，GanesamN，etal.FiniteElementModelingofHeatTransferAnalysisinMaehiningofIsotropieMaterials[J].工nternationa1JournalofHeatandMassTransfer，1999(42):1569-1583. 8李园园.高速切削淬硬钢切屑形成过程及温度场有限元模拟研究[J]:硕士学位论文.大连:大连理工大学，2007 9杨广勇.超高速切削时的关系与切削[J].北京理工大学学报，1996，(03) 10尚晓峰，贾春德等.锯齿型切屑形成原因的研究[J].第二届海峡两岸制造技术研究会议论文集.大连理工大学，2001(9)335-338