切削速度對硬態AISIH13鋼切削性能的影響研究

何光春

（四川工商職業技術學院，都江堰 611830）

隨著航空、汽車、電子電器等行業的飛速發展，人們對模具裝備也提出了更高的要求，如要求其產品質量穩定、效率高、保養維修期長等。因此，淬火工藝廣泛地用于模具制造，但鋼件經淬火處理后，其切削性能表現為切削溫度高、易崩刃、導熱系數低等特點，提高了加工難度。隨著超硬刀具PCBN的出現，淬硬鋼難切削問題正逐漸得到解決。目前，綠色、高效加工技術成為機械制造業的發展趨勢，少用或不用切削液、高速切削、以車代磨及以銑代磨等機加工藝應運而生，PCBN刀具是使這些技術變成現實的關鍵環節[1-2]。

國內外學者對PCBN刀具高速硬態削進行了大量的研究，這對推動PCBN刀具的廣泛應用具有十分重要的意義[3-8]。但在國內，除大型企業外，鮮有中小型機械制造企業使用PCBN刀具進行生產，其根本原因是對PCBN刀具的切削性能特點不清楚。鑒于此，淬硬鋼高速切削技術研究是必要和迫切的。本文以模具行業中常用的熱作模具鋼AISIH13（HRC53）為加工對象，采用PCBN刀具進行高速切削試驗，研究切削速度對切削力、切削溫度及刀具磨損等的影響規律，以期為實際生產提供參考依據。

1 試驗方案

1.1 試驗條件

試驗材料：熱作模具鋼AISIH13棒材，尺寸為φ60mm×300mm，硬度為HRC53。

試驗刀具：PCBN刀片，其型號為CNGA120408-B110T。試驗機床：C2-3250K型數控車床。

試驗參數：采用干切削加工；由于PCBN刀具常常用于精加工，因此，采用低切削深度和進給量，改變切削速度，研究切削過程中的各狀態變量的演變規律，本研究中保持切削深度ap=0.2mm和進給量f=0.1mm/r不變，取切削速度ν=126～331m/min，連續切削時間為240s。

試驗儀器：三向測力儀（YDC-Ⅲ89B）、工具顯微鏡（XGJ-1）等。

1.2 試驗方案

將PCBN刀片固定于刀體上，并把刀體夾持在壓電式三向測力儀（YDC-Ⅲ89B）上的卡槽內，再把測力儀固定于刀架滑座上，并通過電纜使測力儀與電荷放大器、數據采集卡相連接，同時，在PC主機上安裝數據采集軟件，執行切削力的數據采集工作。另外，連接在PC機上的紅外熱成像儀對準切削區域采集溫度數據，如圖1所示。

圖1 車削加工時測力儀與熱成像儀連接圖

試驗過程中，為了獲取準確的試驗數據，每次切削到穩定階段時，讀取測力儀上5個切削力值，作為其均值的原始數據，同時記錄切削溫度。工具顯微鏡（XGJ-1）測量后刀面磨損值，并研究其磨損形貌。

2 結果與討論

2.1 切削力與切削溫度

切削力瞬態圖和曲線圖如圖2所示。從切削力瞬態圖可以看出，在整個切削過程中，切削力一直在波動，表明零件材料不均質性、切削系統不穩定性都可能導致切削力不恒定；切削力曲線是切削力的宏觀表現，可以看出，在切削初期，即刀具接觸、擠壓加工材料端部時，切削力較小，如主切削力只有約16N，切削進行5s時，切削力急劇攀升，主切削力達到約48N，繼而又開始下降，且逐漸趨于平穩。

圖2 切削力瞬態圖和曲線圖

切削力演變態勢與切削過程中的熱-機耦合作用密切相關。開始切削時，零件材料處于冷態，其強度、硬度較高，因此，刀具切入零件時，其切削力增長極快，由此所產生的熱能沿進給方向傳導，加熱靠近切削區的待加工材料，進而切削力略有下降。這樣切削產生的熱量又略為減少，導致熱傳導減弱，對零件材料的軟化作用降低，即使切削力又呈增大趨勢，但對零件材料性能影響不大，因此，切削力總體趨于平穩，直至切削結束。

圖3 主切削力與切削速度的關系曲線

圖3 所示為PCBN高速硬態切削AISIH13鋼時的切削力變化規律。由此可見，隨著切削速度的提高，切削力有逐漸減少的趨勢。研究表明，機械切削加工中的絕大部分能量消耗轉變成了熱能[9]。因此，熱傳導使零件更“軟”，所以增大切削速度，提高了功率消耗，即使切削變得更加容易，切削力也隨之降低，以前研究也得到相同結論[10-11]。

圖4 切削溫度云圖

圖5 切削速度與切削溫度關系曲線

切削溫度云圖如圖4所示。從圖可以看出，切削過程中，切削熱主要集中在切削區，且切削熱絕大部分被切屑帶走，與文獻報道一致[12]。圖5所示為切削速度與切削溫度的關系曲線，從圖中可以看出，切削速度提高，切削溫度逐漸增高，如前所述，切削速度增大導致功耗增多，但進給量和切削深度不變，切削變形本身能耗不變，因此，增加的功耗就主要轉變為熱能，從而導致切削溫度增高。

2.2 切屑形態

圖6所示為AISIH13（HRC53）在不同切削速度時的切屑形態。可見，隨著切削速度的提高，切屑卷曲程度降低，即曲率減小；切屑顏色由淺藍色向深褐色發生轉變，如表1所示。主要原因是切削速度導致切削溫度的變化，其值越大，溫升越高，對切屑的氧化作用越顯著。當然，切削系統其他方面也有可能影響切削溫度分布，如切削速度較低，易形成纏繞切屑，若刀具角度控制不好，積聚在刀具附近，從而使切削區域溫度升高，切屑本身由于散熱不暢而溫度升高，進而影響切屑顏色。因此，在實際加工中，僅僅根據切屑顏色的改變來判斷切削速度是否合適是不可靠的。

圖6 不同切削速度的切屑形態

表1 切屑顏色與切削溫度、速度的關系

2.3 刀具后刀面磨損形態

圖7所示為PCBN刀具后刀面磨損的宏觀形貌。由此可見，后刀面磨損成一個倒三角形，而隨著切削速度提高，磨損寬度呈減小趨勢。主要原因在于：后刀面磨損主要是后刀面與已加工面擠壓摩擦所致。切削速度低時，切削溫升小，對零件加熱程度有限，所以零件軟化小，致使其與后刀面摩擦大，從而導致后刀面磨損較大；相反，切削速度大，零件軟化明顯，而PCBN刀具不懼高溫，因此其后刀面摩擦磨損較小。通過微距測量，得到如圖8所示的后刀面磨損與切削速度的關系曲線。可見，隨著切削速度提高，后刀面磨損并非單一變化，而是先減小后增大，再減小，但總體呈降低趨勢。

圖7 PCBN刀具后刀面磨損的宏觀形貌

圖8 后刀面磨損與切削速度的關系曲線

3 結論

三向切削力均急劇增大到峰值并呈高頻振動狀態。當提高切削速度時，切削力減小，而切削溫度呈線性上升。隨著切削速度的增大，切屑來不及充分卷曲變形而導致切屑逐漸變得伸展。切削溫度的提高，致使切屑被氧化程度不同，使其顏色由淺藍色向褐色轉變。與零件已加工面擠壓摩擦所產生的熱量在刀具后刀面分布不均，導致氧化不均而呈現不同的顏色。隨著切削速度的增加，其后刀面磨損總體呈減小趨勢。