兩種刀具銑削淬硬不銹鋼的切削力分析

山西煤礦機械制造股份有限公司 山西太原 030031

1 序言

不銹鋼在工業中應用廣泛，隨著工業技術的發展，其性能要求越來越高。3Cr13Cu是一種馬氏體不銹鋼，其化學成分中含碳量高且經熱處理后具有很高的硬度，主要用于制造高硬度耐磨彈簧、量具、刀具、醫療器械及餐具等。馬氏體不銹鋼切削過程中切削力大、切削溫度高且刀具磨損嚴重，是一種典型的難加工材料。

不銹鋼的切削加工過程中切削力和鋸齒形切屑對刀具壽命和已加工表面質量有很大的影響。對于易形成鋸齒形切屑的材料，由于熱塑性失穩導致的切屑變形集中、切屑呈節狀和應變率強化等因素，速度對切削力的影響不會太明顯。高速下切削力隨著切削速度的增加會因材料的熱軟化而呈現下降的趨勢。利用經驗公式對金屬切削加工過程中的切削力進行預測，式中的參數大小和正負代表了不同的物理意義。但考慮刀具磨損的切削力經驗公式很少研究，且刀具磨損時切削參數對切削力的影響同樣很少在文獻中公布。

2 實驗設計

實驗材料為硬度44HRC的馬氏體不銹鋼3Cr13Cu，工件尺寸為50mm×70mm×150mm，熱處理工藝為淬火（950～1000℃保溫后油中冷卻）后經430～480℃回火。實驗刀具采用通用方肩面銑刀CoroMill 290（R290-100Q32-12L），銑刀盤的直徑為100 mm，刀片安裝后的切削刃角Kr為90o，刃傾角12o。選用了2種類型的刀片，分別是金屬陶瓷刀具（R290-12T308M-PM 530）和硬質合金PVD涂層刀具（R290-12T308M-PM 1030，以下稱為硬質合金刀）。工件刀具的裝夾如圖1所示。

加工參數的具體設置見表1，加工過程不使用切削液，每個加工參數使用一個新的刃口，并銑削一個長度150mm工件后測量刀具的磨損。采用Kistler 9253B23測力儀，5070A型電荷放大器及相關的設備采集加工過程中的切削力。

圖1 工件刀具裝夾

表1 加工參數

3 結果及分析

3.1 切削力分析

如圖2所示為銑削示意，圖中A、B所處位置分別為剛切入工件的區域和即將切出工件的區域。對A、B兩個區域的切削力進行統計分析。

2種刀具在A、B 2個區域的切削力對比如圖3所示。2種刀具的切削力隨切削速度的變化規律相似，隨切削速度的增加先增加后減少，最后再增加。金屬陶瓷刀片在切削速度140m/min時切削力達到一個波峰值，在切削速度為230～260m/min時達到一個波谷值。硬質合金刀片在切削速度170m/min時切削力達到一個波峰值，在切削速度為230～260m/min時達到一個波谷值。經分析，切削速度＜140m/min時，切削溫度較低，工件材料保持足夠的硬度，切削速度增加使得單位時間去除的材料增加，導致切削力增加；切削速度為170～260m/min時，切削速度的增加使得切削溫度增加明顯，軟化工件切削區材料，導致切削力降低；當切削速度＞260m/min時，金屬陶瓷刀具在高頻斷續切削過程中，容易產生微裂紋然后擴展成崩刃，造成切削力增大。同樣硬質合金刀具在高速切削下因切削區的高溫，容易造成刀具磨損，導致切削力增大。

如圖3所示，切削一個工件長度后，在切削速度＜140m/min區域，切削力增加相對較少；切削速度為140m/min時，金屬陶瓷刀片3個分力平均增加幅度為22%，硬質合金刀片3個分力平均增加幅度為27.5%；切削速度＞140m/min后，切削力增加明顯，且增大的幅度越來越大；切削速度為290m/min時，金屬陶瓷刀片3個分力平均增加幅度為138.7%，硬質合金刀片3個分力平均增加幅度為72.3%。

圖2 銑削示意

圖3 A、B兩區域的切削力對比

2種刀具不同區域的切削力對比，如圖4所示。由圖4a可知，切削速度在140～230m/min時，2種刀具在A區域切削時硬質合金刀具的切削力較大。由圖4b可知，在B區域切削時，金屬陶瓷刀具的切削力較大。原因是切削速度在140～230m/min時，切削溫度對硬質合金刀具影響更大，使得其磨損更大，導致切削力較大。而在斷續切削加工時切削相同距離后，金屬陶瓷刀具的崩刃或磨損更加嚴重，使得切削力較大。

圖4 2種刀具不同區域的切削力對比

3.2 切削力經驗公式參數分析

在不考慮刀具磨損的情況下，切削力的經驗公式見式（1），考慮刀具后刀面平均磨損時，切削力的經驗公式見式（2）。

式中，F切削力（N）；a是修正系數；b是常數；c是常數；d是常數；v是切削速度（m/min）；ap是切削深度（mm）；f是進給量（mm/z）。

式中，F切削力（N）；a是修正系數；b是常數；c是常數；d是常數；e是常數；v是切削速度；ap是切削深度（mm）；f是進給量（mm/z）；VB是刀具后刀面磨損量（mm）。

采用線性回歸的方法，獲得2種刀具的A、B區域和考慮VB即刀具磨損的切削力計算公式，金屬陶瓷刀具和硬質合金刀具的切削力經驗公式參數見表2和表3。根據參數項的變化分析各因素對切削力的影響，金屬陶瓷刀具切削力經驗公式參數的變化如圖5所示。由圖5a可知Fy的常數a最大，且刀具磨損較大時，常數a也越大。考慮刀具磨損后，公式中的常數a與B區域中的相似。

硬質合金刀具的切削力經驗公式參數如圖6所示，由圖6可知，B區域和考慮刀具磨損的切削力經驗公式參數，趨勢非常相似，且Fx和Fy的b、c和d的數值變化都較小，但常數a的數值減少明顯。由圖5和圖6可知，刀具未磨損時，隨著切削速度的增加切削力整體的趨勢是減少；刀具磨損后，切削速度增加導致切削力增加。

綜上所述，刀具磨損初期，切削速度增加使切削力從整體上減少；刀具磨損后，切削速度增加使切削力從整體上增加。因此，在切削速度較高時，切削一定距離后，刀具磨損急劇增加。

表2 金屬陶瓷刀具的切削力經驗公式參數

表3 硬質合金刀具的切削力經驗公式參數

圖5 金屬陶瓷刀具切削力經驗公式參數的變化

圖6 硬質合金刀具的切削力經驗公式參數

4 結束語

通過實驗及結果分析可知，在切削一個工件長度150mm后，金屬陶瓷刀具的切削力較大，原因是斷續切削加工時，相同切削距離下金屬陶瓷刀具的磨損更加嚴重。刀具磨損初期，切削速度增加使切削力從整體上減少；刀具磨損后，切削速度增加使切削力從整體上增加。從切削力的角度判定，2種刀具適合在切削速度230m/min左右使用，金屬陶瓷刀具不適合在高速斷續切削中使用。