高速銑削淬硬鋼時的切屑形態試驗研究

龐俊忠，牛苜森，黃曉斌，李鵬飛

（中北大學機械工程學院，山西 太原 030051）

1 引言

切削加工過程就是切屑的形成過程，高速銑削也不例外，切屑的形態保留著諸多的切削加工信息，不同程度地影響著切削力、切削溫度、已加工表面質量等。

通常，高速切削加工可產生帶狀切屑、鋸齒形切屑，帶有絕熱剪切帶的鋸齒形切屑通常是在高速切削熱導率低、比熱容小的材料時產生[1-3]，像鈦合金，熱導率僅有 7W·（m·K）-1，普通鋼的熱導率一般是35～48W·（m·K）-1。文獻[4-5]研究了高速端銑淬硬熱作模具鋼的切屑變形和刀具磨損，在所實驗的切削速度下并沒有觀察到鋸齒形切屑的形成，也沒給出切屑形態的演化過程。文獻[5-6]研究了高速車削鈦合金、Inconel718 等難加工材料時材料動態力學性能及切削速度對切屑形成的影響，文獻[7-8]對切削鈦合金和高溫合金時的鋸齒形切屑形成進行了仿真，這些材料也是易于形成鋸齒形切屑的材料。材料本身的機械及物理性能對切屑的形成有著極大的影響，特別是硬度、熱導率等。除此之外，刀具刃型及切削參數也是重要影響因素，像立銑刀直線刃和球銑刀圓弧刃，切削參數中的切削速度。對于高速端銑導熱率高的淬硬鋼，像45 淬硬鋼，還沒有發現對其高速銑削加工時產生的切屑形態的相關報告，針對淬硬的3Cr2Mo 鋼和45 鋼進行了高速銑削試驗，切屑形態采用影像工具顯微鏡和高溫金相顯微鏡來測量，再現了各種切削條件下的切屑形態，并對所獲得的切屑形態光學照片進行了分析研究。

2 試驗設備及試驗條件

高速銑削試驗在OKUMA 公司的MB56VA-R 三軸高速銑削中心上進行（機床主軸最高轉速25000r/min）。刀具為直徑12mm、2 刃納米結構TiAlN 涂層的整體超微粒圓柱立銑刀，螺旋角30°，前角0°。試件材料為3Cr2Mo 鋼和45 鋼，3Cr2Mo 鋼熱處理硬度為 31HRC 和 42HRC，45 鋼熱處理硬度為 42HRC 和 52HRC，試件尺寸同為（160×110×42）mm。試驗原理，如圖1 所示。銑削參數，如表1 所示。工件材料性能，如表2 所示。

收集各種切削條件下的切屑，切屑宏觀形態在蘇州歐卡精密光學儀器有限公司生產的VTM-3020F 數字式影像工具顯微鏡上測量。切屑微觀形貌在奧地利徠卡公司的MeF-3 型（放大倍數從40 到1500）高溫金相顯微鏡下進行觀察，樣件用環氧樹脂固化、拋光、腐蝕（3%的硝酸酒精），如圖2 所示。

圖1 試驗原理圖Fig.1 Schematic of the Experiment Setup

圖2 切屑試樣Fig.2 A Specimen of the Chips

表1 銑削參數Tab.1 Cutting Parameters Used in the Experimen

表2 工件材料的機械物理性能Tab.2 The Mechanical And Physical Properties of Workpiece Materials

3 試驗結果

3.1 高速銑削淬硬鋼的宏觀切屑形態

對試件進行高速銑削實驗，測量其切屑宏觀形態分別，如圖3～圖6 所示。切屑端面形貌，如圖7～圖9 所示。圖中未注標尺長度單位為1mm。

圖3 高速銑削3Cr2Mo（31HRC）鋼的宏觀切屑形態Fig.3 Macro Chip Generated in High Speed Milling of 3Cr2Mo Steel at 31HR（ap=1mm，ac=1mm，fz=0.1mm/z）

圖4 高速銑削3Cr2Mo（42HRC）鋼的切屑形態Fig.4 Macro Chip Generated in High Speed Milling of 3Cr2Mo Steel at 42HRC

圖5 高速銑削45（42HRC）鋼的宏觀切屑形態Fig.5 Macro Chip Generated in High Speed Milling of 45 Steel at 42HR（ap=1.5mm，ac=1.75mm，fz=0.1mm/z）

圖6 高速銑削45（52HRC）鋼的宏觀切屑形態Fig.6 Macro Chip Generated in High Speed Milling of 45 Steel at 52HRC（ap=1mm，ac=1mm，fz=0.1mm/z）

3.2 高速銑削淬硬鋼的微觀切屑形態

圖7 高速銑削3Cr2Mo（42HRC）鋼時的切屑端面形態Fig.7 Micro Chip Generated in High Speed Milling of 3Cr2Mo Steel at 42HRC（ap=1.5mm，ac=1.75mm，fz=0.1mm/z）

圖8 高速銑削45（42HRC）鋼時的切屑端面形態Fig.8 Micro Chip Generated in High Speed Milling of 45 Steel at 42HRC（ap＝1.5mm，ac=1.75mm，fz=0.15mm/z）

圖9 高速銑削3Cr2Mo 鋼時的鋸齒型切屑Fig.9 Serrated Chip Generated in High Speed Milling of 3Cr2Mo Steel

4 試驗結果分析與討論

4.1 切屑宏觀形態的演變及分析

對于3Cr2Mo 鋼而言，從圖3、圖4 可看出，切屑宏觀形態隨切削速度的增加，切屑的卷曲程度經歷了從大到小的演化過程，對于31HRC 的3Cr2Mo 鋼而言，當切削速度達到754m/min 及以后，切屑表現得更為平坦，有的切屑甚至產生了碎斷的情況。而對于42HRC 的3Cr2Mo 鋼，切屑形態隨切削速度的增加，從一開始，切屑的卷曲程度就小，相比之下，切屑從卷曲到平坦的演變不是很劇烈。

由此可得出，同樣的切削條件，硬度的增加，切屑的卷曲程度減小，切屑的整體變形減小，而切屑的剪切局部化加強。

對比圖4（a）和圖4（b），切屑的厚度對切屑形態的影響，切屑厚度愈大，也即每齒進給量即切削寬度愈大切屑卷曲越嚴重。

對于45#鋼，從圖5 和圖6 可看出，切屑的卷曲程度隨切削速度的增加變化不太明顯，這和材料本身的機械物理性能有關。和3Cr2Mo 鋼相比，同樣切削條件下，45 鋼由于熱傳導率高，屈服強度低，切屑不易于產生剪切局部化，熱軟化作用不強所致。

對于切屑的底面和自由表面，不管切屑是卷曲的還是平坦的，在所試驗的切削條件下，所獲得切屑的底面都是光滑的，自由表面是隨著切削速度的增加，從光滑向粗糙表面演化，如圖7、圖8 所示。

對比圖7 和圖8，由于工件材料的不同，切屑的自由表面表現出很大的不同，都是隨著切削速度的增加而變得越來越粗糙。對于3Cr2Mo 鋼，同樣切削條件下，自由表面相對粗糙，并隨著切削速度的增加，粗糙程度越來越大，并最終形成明顯均勻的鋸齒形切屑（如圖8 中最右邊圖），由于銑削所形成的切屑，是厚度從最大逐步變成零的過程，也可以看出切削厚度對鋸齒形切屑的影響程度，從圖中并沒有看出切屑厚度對鋸齒形切屑產生了很大的影響，或者說，其影響程度遠遠小于切削速度這一參數。同時也可看出，切屑厚度隨切削速度的增加而變薄，切屑由整體均勻變形的帶狀切屑向鋸齒形切屑轉變，也即切屑變形向著局部剪切化變形而演化。

4.2 切屑微觀形態的演變及分析

在使用圓柱立銑刀進行的高速端銑試驗中，硬度為31HRC的3Cr2Mo 鋼，在切削速度為848m/min 及942m/min 時形成了帶有明顯絕熱剪切帶的鋸齒形切屑，而硬度42HRC 的3Cr2Mo 鋼，在754m/min 及以上，即形成了帶有明顯絕熱剪切帶的鋸齒形切屑，如圖9 所示；而對于45 鋼，在所試驗的切削條件下，并沒有發現帶有絕熱剪切帶的鋸齒形切屑，需要說明的是，對于硬度為52HRC 的45 鋼，試驗速度只達到678m/min，而沒有達到942m/min 或更高，這是由于采用的刀具承受不了這個切削速度下的切削溫度所致。

在其后用球刀高速端銑硬度52HRC 的45 鋼時，在切削速度達到816 m/min 時，發現了帶有明顯絕熱剪切帶的鋸齒形切屑，如圖10 所示。球刀切削刃為圓弧刃，在靠近刀尖處區域，主偏角較小，對切屑的擠壓作用加強，容易形成鋸齒形切屑。仔細觀察這個圖片，也發現了一些值得深思探討的問題，在靠近絕熱剪切帶的自由表面處，都有明顯的裂口，裂紋的方向并不像通常所認為的是沿絕熱剪切帶方向，且裂口也并沒有向刀尖處進一步擴展而形成鋸齒形切屑，而是在靠近其后部，由于變形剪切局部化而形成了較為明顯的絕熱剪切帶。探究其原因，由于工件材料熱處理硬度較高，在剛開始形成切屑時，由于工件材料表面脆性較大，產生了裂紋，但隨著切削溫度的升高，熱軟化加強，絕熱剪切占了主導地位，裂紋不再進一步擴展，而形成光學照片上所看到的裂紋與絕熱剪切同時發生的狀況，即開始遵從脆性斷裂理論[9]，其后遵從絕熱剪切理論[10]，但最終是絕熱剪切占了主導地位。進一步地，如果工件材料的硬度進一步提高，達到60HRC 以上，像軸承鋼，鋸齒形切屑的形成機理將會更傾向于周期性脆性斷裂理論。

圖10 球刀高速銑削鋼時切屑顯微照片Fig.10 Serrated Chip Generated in High Speed Ball Milling 45 Steel（ap=3mm，ac=1mm，fz=0.1mm/z）

再進一步地觀察圖10 中四個切屑節塊間的絕熱剪切帶，最右邊的第一個節塊和它相鄰的節塊間產生了兩個絕熱剪切帶，沿裂紋擴展方向的絕熱剪切帶雖然貫串了整個切屑，但最終切屑還是沿其左邊的剪切帶變形而形成鋸齒形節塊。

4.3 切屑形態整體演變

從以上分析，高速端銑淬硬鋼所產生的切屑形態可以分成以下幾種，如圖11 所示。各種類型切屑的形成，取決于工件材料的機械物理性能（特別是硬度、屈服強度、熱傳導率）、切削參數（尤其是切削速度）、刀具材料及幾何參數（尤其是刃型、刀具角度）。工件材料越硬、熱傳導率越低、切削速度越高、切屑厚度越薄，越容易形成平坦而帶有絕熱剪切帶的鋸齒形切屑；反之，越容易形成卷曲而平滑的帶狀切屑。

圖11 高速端銑淬硬鋼時的切屑形態Fig.11 Chip Morphology in High Speed Milling of Hardened Steel

5 結論

高速端銑3Cr2Mo 和45 淬硬鋼的切削試驗表明：

（1）高速端銑淬硬鋼的切屑形態，取決于工件材料的機械物理性能、切削參數以及刀具幾何；

（2）切屑形態與工件材料有著緊密的聯系，高的硬度及屈服強度、低的熱傳導率有利于平坦形的鋸齒形切屑形成。

（3）切削速度對切屑的形態有著重要的影響，切削速度的增加及切削厚度的減小，有利于形成平坦的帶狀切屑或鋸齒形切屑。

（4）在所試驗的條件下，獲得了帶有絕熱剪切帶的鋸齒形切屑，這也證明，鋸齒形切屑不僅僅局限于熱傳導率低的材料（像鈦合金、因瓦合金等）。對于普通鋼，只要切削速度足夠，也可以獲得鋸齒形切屑，當切削速度再繼續增加，切屑節塊間的絕熱剪切帶完全拉開，即形成單元切屑，這也提供了一種自然斷屑的有效途徑。