切削參數對P20 模具鋼的表面粗糙度影響*

王敏毅，黃 穎，韓正威，林有希

(1.福州職業技術學院 交通工程系，福州 350108;2. 福建師范大學 化學與材料學院，福州350007;3.福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350108)

0 引言

自硬型或預硬型模具鋼由于在供貨時就達到了用戶需要的組織結構和狀態，可直接加工成模具而不需要再進行熱處理，避免了熱處理操作所造成的變形等缺陷而得到了廣泛的應用。P20 預硬型模具鋼就是其中典型的代表［1-2］，目前對P20 鋼的研究主要集中在材料的改性、熱處理工藝方面，并獲得了比較成熟的技術和工藝;但對于高速切削模具鋼的研究，一般集中在冷作模具鋼和熱作模具鋼等高硬度鋼的高速切削研究［3-6］;對于硬度通常在HRC30-42、使用最廣泛的P20模具鋼，與之有關的高速切削研究比較少，也缺乏針對性、系統性的闡述。本文以高速銑削P20 鋼的基礎性研究為出發點，研究多種涂層刀具高速銑削P20 鋼時工藝參數和刀具磨損對工件表面粗糙度的影響，以期為高速、高效、干切削P20 模具鋼提供工藝參數和理論支持，并為刀具設計和選擇提供減摩和抗磨實驗依據，具有重要的實際應用價值。

1 實驗方法

1.1 試樣的制備

實驗材料采用預硬化硬度為HRC28～32 的P20預硬型模具鋼，材料的尺寸為:160 ×120 ×40(mm)，其化學成分如表1 所示、常溫下的機械和物理性能如表2 所示。

表1 P20 模具鋼的主要化學成分(wt%)

表2 P20 機械和物理性能

1.2 實驗刀具的選擇

1.2.1 刀桿的選擇

實驗刀桿選用舍棄式直角銑刀桿SKE-2030，表3為刀桿主要參數，圖1 為刀桿及刀片裝夾示意圖。

表3 刀桿主要參數

圖1 刀桿及刀片裝夾示意圖

1.2.2 刀片的選擇

本實驗選擇了三種具有代表性的TiN、TiAlN、TiN/Al2O3/TiCN 涂層刀具進行高速銑削實驗。實驗刀片選用三菱(Mitsubishi)公司數控刀片，型號為TPMN160308。刀片的幾何角度和材質分別如表4、表5 所示，其中TiAlN 涂層中膜層成分的原子分數約穩定為:Ti27%、Al24%、N49%。

表4 刀片的幾何角度

表5 刀片的材質

1.3 實驗主要儀器與設備

1.3.1 加工設備

加工設備為XH715D 型立式加工中心。主軸最高轉速為8000r/min，工作臺X向/Y向/Z向行程為880/600/510mm。

1.3.2 主要檢測儀器

S-3000N/H 型掃描電子顯微鏡。15～30 萬倍分辨率，高真空3.5nm，低真空5.0nm。用于觀測和分析切屑和刀具磨損的微觀形貌。

M2 型便攜式粗糙度測量儀，用于P20 模具鋼表面粗糙度測量。

1.4 切削參數的選擇

采用單因素法進行切削實驗［7-8］，為了使實驗研究更加系統性和對比性，采用不同材質刀具(TiN、TiAlN、TiN/Al2O3/TiCN 涂層刀具)進行切削加工，切削速度ν采用從低速(80m/min)到高速(600m/min)涵蓋了不同范圍。重點是在高速切削范圍內的研究，其余的切削參數如表6 所示。

表6 實驗切削參數

1.5 刀具磨損的檢測

在進行切削實驗的同時，按照每個固定間隔時間(1min)段對各中刀具的磨損量進行測量，同時收集切屑并對切屑表面進行SEM 微觀分析，對比不同刀具磨損階段的切屑微觀形貌，研究刀具磨損對工件表面粗糙度的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 切削速度對表面粗糙度的影響

圖2 為每齒進給量f=0.1mm/tooth、切削深度ap=0.3mm 的條件下，P20 模具鋼已加工表面粗糙度Ra值隨切削速度ν 的變化曲線。

從a、b、c 三條曲線整體趨勢上可以看出，隨著ν的提高，加工表面粗糙度值逐漸降低。尤其在低速向中等速度轉變的過程中，Ra值隨ν 的增加而顯著下降。這主要是因為加工塑性材料時，低速下容易形成積屑瘤從而使加工表面的質量較差;而從較低切削速度向高速切削過渡的階段會遠離這個速度區域，表面粗糙度值因此而降低，隨著ν 的進一步增加，Ra值并沒有明顯的上升或者下降趨勢，而是在一個較低的范圍內波動，此時切削速度ν 對表面粗糙度Ra的影響程度較小［9-11］。

圖2 切削速度對表面粗糙度的影響

2.2 進給量對表面粗糙度的影響

圖3 為切削速度ν =320m/min、切削深度ap=0.3mm 的條件下，P20 鋼已加工表面粗糙度Ra值隨每齒進給量f的變化曲線。從圖中的曲線可以看出，各種刀具加工的進給量存在一個臨界值，當進給量小于此臨界值時，加工的材料表面Ra值與f之間并不是完全的單調關系。特別是取較小的進給量f= 0.05 mm/tooth時，Ra值的波動幅度很大。這一方面原因可能當每齒進給量f取值過小，切削厚度太薄，由于存在切削刃鈍圓半徑，使得表面粗糙度Ra值變大［9］;另一方面，減小進給量f可以降低殘留面積的高度，此時材料的塑性變形會占主導地位，因此Ra值反而會有所上升［12］。當進給量f大于臨界值時，Ra值隨f的增加幾乎呈線性關系而急劇增加。

2.3 切削深度對表面粗糙度的影響

圖4 顯示了表面粗糙度Ra值隨切削深度ap的變化曲線。圖中各曲線均呈現“兩頭大”的形狀。說明當切削深度太大或太小時，工件表面粗糙度都會有較大的變化。主要原因有兩個方面:ap取較小值時，主要是刀尖部位進行切削，由于切削刃處圓弧半徑的存在，使得切削過程是在擠壓作用下進行材料的切除，不容易切下切屑，同時引起了加工表面附加的塑性變形，已加工表面會產生隆起、側流等現象，使Ra值增大;而當ap取較大值時，產生的切削熱、切削力會劇烈增加，并引起設備的振動，從而使表面粗糙度Ra值上升［12-13］。因此，必須結合刀具的切削速度、進給量選擇適當的切削深度以利于提高切削效率和工件的表面質量，在本實驗中選用切削深度ap=0.25～0.35mm 較為合適。

在以上對P20 鋼的針對性研究中可以發現:在中、高速度下，對表面粗糙度影響最大的是進給量f，切削速度ν 的影響相對f要小，而切削深度ap的影響不明顯，這與目前大多數研究結論相一致［14-15］。

圖3 進給量對表面粗糙度的影響

圖4 切削深度對表面粗糙度的影響

2.4 刀具磨損對表面粗糙度的影響

刀具磨損到一定限度就不能繼續使用，這個限度稱為磨鈍標準。在實際的測量中，經常拆下刀具測量VB值是不現實的，應該根據切削過程中被加工零件的精度和加工系統的聲音、振動等狀況進行判斷和測試。本實驗是以精加工狀態下工件的表面粗糙度為主要研究對象，所以根據ISO8688-2 的標準規定，采用表面粗糙度Ra≥1.0μm 為限的較小刀具磨鈍標準［16］。

圖5 為切削速度ν =320m/min、切削深度ap=0.3mm、每齒進給量f=0.1mm/tooth 條件下刀具后刀面磨損量VB對表面粗糙度Ra值影響的變化曲線。從中可見涂層刀具的Ra隨VB值的增加而在一定范圍內波動。在刀具磨損初期，由于其表面存在毛刺和微凸起部分［17］，造成表面粗糙度隨著VB值的增加而提高;在正常磨損階段，Ra隨VB值的變化幅度很小;而在刀具后期磨損階段，由于刀具的劇烈摩擦磨損，Ra急劇上升，當刀具的VB值大于磨鈍標準時，Ra值均超過了1.6μm，說明此時刀具已經失效。

圖5 刀具磨損對表面粗糙度的影響

為進一步觀察刀具的磨損對工件表面質量的影響，通過掃描電子顯微鏡仔細觀察了不同磨損階段下切屑底面的SEM 微觀形貌，從圖6 的觀測結果可以發現，磨損初期和磨損后期的切屑底面并不光滑且出現較多磨痕，磨損初期切屑底部的磨痕相對磨損后期的要小得多。這說明在這兩個階段磨損情況比較嚴重而且刀具后期的磨損要比初期劇烈的多，而在磨損中期切屑底面的SEM 微觀形貌較初期和后期要光滑得多。這驗證了切削過程中有三個磨損階段的存在，也直觀形象地解釋了Ra值隨VB 值的變化規律。

圖6 不同磨損階段下切屑底面微觀形貌

3 結論

(1)用涂層刀具高速切削P20 模具鋼，在低速向中等速度轉變的過程中，工件表面粗糙度隨著切削速度的增加而顯著下降。在單因素實驗條件下，以300-500m/min 最為合適。

(2)在高速切削加工時，必須結合刀具的切削速度、進給量選擇適當的切削深度以利于提高切削效率和工件的表面質量，在本實驗中選用切削深度ap=0.25～0.35mm 較為合適。

(3)高速切削P20 鋼時，刀具的進給量存在一個臨界值，當進給量f大于此臨界值時，表面粗糙度會隨著進給量的增加而急劇上升。

(4)在中、高速度切削P20 鋼時，對表面粗糙度影響最大的是進給量f，其次是進給速度ν，刀具的切削深度ap的影響最小。

(5)涂層刀具在正常磨損范圍內，工件表面的粗糙度Ra隨著刀具磨損量VB值的變化幅度很小。

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