潤滑方式對高速銑削淬硬鋼的影響

謝英星，陳梓英

(中山職業技術學院，廣東 中山 528404)

0 引言

淬硬鋼由于具有高的強度和硬度，在汽車制造及模具加工行業被廣泛采用，用于制造對硬度和耐磨性要求高的模具產業與汽車行業的基礎零部件[1-2]。在高速切削加工淬硬模具鋼時，由于淬硬鋼材料硬度高、切削加工性差等特性，導致切削力和機床切削功率顯著增加，切削區域溫度快速升高，切削過程中產生的周期性循環變換切削力使機床發生強迫振動或顫振，刀具損耗加快，切削刀具提前破損報廢[3-4]。

隨著制造技術向著高效率、低能耗和環保的方向發展，制造過程選用合理的冷卻潤滑方式，從而減小刀具與工件的摩擦，降低刀具磨損，提高加工質量和效率。國內外在高速切削冷卻潤滑技術方面進行了大量的研究。LIAO Y S等[5-6]對最小量潤滑條件下，直徑φ16 mm TiAlN涂層可轉位銑刀高速銑削淬硬模具鋼(NAK80，HRC 41)的刀具磨損機理進行了研究，指出存在最佳速度，可以保證提供給刀屑界面間氧氣以促使氧化保護層的形成。MIA M等[7]人采用干式切削、最小微量潤滑以及帶有壓縮空氣的固體潤滑劑冷卻系統對AISI 1060模具鋼(HRC 40)進行切削加工，對比了切削溫度、表面粗糙度、切屑特性和刀具磨損情況。ZHANG C L等[8]人研究了在低溫最小潤滑條件下用帶有內部冷卻通道的刀具側銑加工H13模具鋼(HRC 50)，發現雙直槽銑刀在延長刀具壽命和減小切削力方面表現最佳。XING Y Q等[9]人采用Al2O3/TiC硬質合金刀具干切削AISI 1045(HRC 40～50)，發現具有波浪形微尺度紋理前刀面刀具在提高切削性能方面最有效。張慧萍等[10]人高速車削300M鋼(HRC 53～56)的切削試驗，研究了在不同加工環境下，切削參數對高速車削300M表面質量的影響，發現低溫微量潤滑環境可有效改善表面微觀結構。王民等[11]人研究了在干式切削條件下涂層刀具切削45#鋼過程中表現出的磨損規律。然而，這些研究都局限于被加工材料硬度偏低的切削情況下進行的，對于工件硬度超過HRC 60以上難加工淬硬鋼的冷卻潤滑技術研究進行得不夠深入。

因此，通過切削試驗了解不同冷卻潤滑條件對淬硬模具鋼(HRC 60以上)的影響，掌握切削難加工淬硬鋼材料合理有效的方法非常有必要。本文對淬硬鋼SKD11(HRC 62)進行銑削試驗，采用單一的切削參數對3種不同冷卻潤滑切削條件下(干切削、冷風切削及微量潤滑MQL)的刀具磨損、切削力、表面粗糙度和切屑形態進行分析，優選能有效改善涂層刀具銑削淬硬鋼切削過程的切削冷卻潤滑方式。

1 試驗環境與方法

1.1 試驗條件

1)加工設備

切削試驗在DECKEL MAHO DMU60T高速加工中心上進行，該機床主軸的電機功率為15 kW，轉速最高可達24 000 r/min，工作臺x、y、z軸行程分別為780 mm、560 mm、560 mm，最大進給速度可達26 m/min。采用Heidehain iTNC 530數控系統，能進行各類插補，如直線、圓弧、螺旋線、樣條插補等，可加工高精度輪廓。采用Cimatron 7.0軟件進行編程和后置處理，銑削試驗原理圖如圖1所示。

圖1高速銑削試驗系統示意圖

2)工件材料

試驗用的淬硬鋼材料是日本牌號高碳高鉻合金鋼SKD11，相當于Cr12Mo1V1，出廠硬度為HRC 62，彈性模量為208 GPa，密度為8.4 g/cm3，熱導率為20.5 W/(mK)，試件尺寸為100 mm×80 mm×40 mm，淬硬鋼工件材料的質量分數如表1所示。

表1 工件材料的質量分數 單位：%

3)刀具材料

試驗用刀具采用某公司的整體硬質合金銑刀，型號為CEPR6060-TH和CEPR6060六刃涂層平頭立銑刀。刀具涂層分別為TiSiN和TiAlN涂層，這兩種涂層材料強度和韌性高，抗熱沖擊性能好，可大幅提高切削速度，適用于高速銑削加工。刀具的切削刃直徑6 mm，刀柄直徑6 mm，最大切深11 mm，總長60 mm，螺旋角30°。

4)冷卻設備

微量潤滑(minimal quantity lubrication, MQL)設備和冷風設備采用某公司生產的微量潤滑外冷霧化系統External MQL和型號為SMVT10035M的冷風槍。MQL采用的潤滑油參數如表2所示。

表2 潤滑油液特性

5)測量裝置

試件加工表面的表面粗糙度測量采用德國Mahr perthometer PGK120表面粗糙度儀，可測量的表面粗糙度和波紋度長達120 mm。同一切削區間選取3個不同位置進行測量，并取平均值。切削力測量采用由Kistler type 5070三向動態壓電式測力儀、5070A 10100電荷放大器、Data Translation DT9816數據采集儀器及其他處理軟件等組成的系統。刀具磨損采用某公司XT53022-CTV體視顯微圖像采集系統，連續觀察銑刀磨損過程中的側刃磨損情況。

1.2 試驗方案

切削試驗采用槽銑方式，順銑，刀具直徑為φ6 mm，刀具懸伸量為L=20 mm。設定的固定切削工藝參數為：切削速度v=200 m/min，每齒進給量fz=0.025 mm/z，軸向銑削深度ap=3 mm，徑向銑削深度ae=0.1 mm。在冷風切削條件下，采用熱電偶測得冷風槍噴嘴的溫度并設定為2℃，同時使用多個干燥管串聯，逐級對氣泵輸出的空氣進行干燥除濕，以保證冷風槍噴嘴的冷風干燥，防止結冰堵塞；在最小量潤滑MQL切削條件下，空氣壓力設定為0.3 MPa，微量潤滑油液的流出速度為80 mL/h。試驗分別在干切削、冷風和MQL 3種冷卻方式下進行，并對加工后的表面粗糙度、三向切削力、銑刀后刀面磨損以及切屑的形態進行數據采集，并進行對比分析。

2 試驗結果及分析

2.1 刀具后刀面磨損的對比

涂層刀具銑削淬硬鋼時，銑刀受到強烈的熱沖擊和機械沖擊，切削刃附近存在較高的熱應力與機械應力，這將影響刀具的磨損與刀具的使用壽命。銑刀刀齒磨損量按照刀具側刃1/2切削深度處的后刀面磨損帶寬度VB來判定。TiSiN和TiAlN涂層銑刀在干切削、冷風切削以及MQL潤滑方式下銑削硬度為HRC62的淬硬鋼SKD11，每次切削長度為5 m，直到刀具破損。

圖2為不同冷卻條件下刀具后刀面磨損VB值隨切削長度的變化曲線圖，圖3為不同冷卻條件下刀具不同切削長度后刀面磨損的變化圖。從圖2可以看出，TiAlN涂層刀具在3種切削潤滑條件下和TiSiN涂層刀具在MQL條件下，最大的切削長度都<30 m，而TiSiN涂層刀具在干切削條件下達到了40 m，僅次于在冷風切削條件下的45 m。TiSiN和TiAlN涂層刀具在MQL潤滑方式下的刀具磨損急劇增加，遠遠大于干切削和冷風切削條件下的刀具磨損，其中刀具磨損程度在冷風切削條件下最小。TiAlN涂層刀具在MQL潤滑方式下，切削長度在20 m的時候，刀具后刀面磨損就已經達到0.21 mm，切削刃迅速進入急劇磨損階段。這個試驗結果與本文圖4切削力的曲線圖是一致的，刀具磨損越大，前刀面與工件的切削摩擦就越大，導致切削力增大。

圖2 不同冷卻條件下刀具磨損VB值隨切削長度的變化曲線圖

在圖3(a)中切削長度為5 m切削長度的刀具后刀面磨損形態顯示，初期磨損的過程中，銑刀的刀尖已經磨掉，TiAlN涂層銑刀的磨損比TiSiN涂層嚴重；圖3(b)是切削長度為20 m切削長度的刀具后刀面磨損形態，TiAlN涂層在MQL條件下，后刀面磨損已經很嚴重；冷風條件下，刀具磨損最小，刀具的切削長度增加。這是因為低溫氣體加大了與加工區的溫差，熱傳遞速率加快，而且冷風采用射流沖擊的形式，增大了動態的換熱面積，降低了切削區的溫度；在干切削條件下，切削刃出現不同程度的切屑粘附[2]。

圖3 不同冷卻條件下不同切削長度刀具后刀面磨損形態

2.2 切削力大小對比

切削力是加工過程的一個重要參數。涂層刀具銑削淬硬鋼是一個斷續切削過程，存在高頻沖擊現象。在涂層刀具銑削淬硬鋼SKD11過程中，同時測量進給分力Fx(沿進給方向)、徑向分力Fy(垂直于進給方向)和軸向分力Fz(沿銑刀軸線方向)，各通道采樣頻率設定為5 kHz。圖4為不同冷卻條件下切削力隨切削長度的變化曲線圖。從圖4可以看出，切削力在MQL潤滑方式下變化范圍為15～125 N，而冷風切削條件下變化范圍為5～55 N，干切削條件下的切削力值則處于中間水平；TiAlN涂層銑刀在干切削和冷風冷卻試驗條件下的切削力都普遍高于TiSiN涂層的切削力值；同時，進給分力Fx和軸向分力Fz的切削力比徑向分力Fy小。這是因為TiAlN涂層銑刀在銑削淬硬鋼時，涂層與被切削材料的摩擦加劇，產生了大量的切削熱，而TiAlN涂層散熱能力較差，通過涂層切削熱向刀具的硬質合金基體滲透，導致刀具磨損非常嚴重。在試驗過程中，TiAlN涂層銑刀的刀頭被切削溫度迅速加熱到紅色。此時，微量潤滑的潤滑油噴射到加熱的銑刀頭上，相當于熱處理“淬火”效應，加劇了刀具的磨損，進而導致切削力的增大。而在冷風切削條件下，冷風帶走銑刀的摩擦熱，并吹走前刀面的切屑，改善了切削環境，減小了切削力3個方向的分力。

圖4 不同冷卻條件下切削力隨切削長度的變化曲線圖

2.3 表面粗糙度值的對比

表面粗糙度反映零件已加工表面的微觀高低不平的高度差。圖5為已加工淬硬鋼表面粗糙度隨切削長度增加的變化曲線圖。由圖5可以看出，工件表面粗糙度值都隨切削長度的增加而增加，而且TiAlN涂層銑刀加工SKD11的表面粗糙度明顯高于TiSiN涂層銑刀，其中TiAlN涂層銑刀在干切削和冷風切削條件下的表面粗糙度值高于MQL潤滑方式下的測量值。這是因為設計的TiAlN涂層主要針對硬度值HRC 50左右的模具鋼，而TiSiN涂層主要針對硬度值HRC 60左右的材料。由于MQL潤滑方式下，微量潤滑油液緩解了銑刀與已加工表面的摩擦，減小了表面粗糙度值。

圖5 不同冷卻條件下表面粗糙度值隨切削長度的變化曲線圖

2.4 切屑形態的對比

收集處于穩定切削過程中產生的切屑，并利用XT53022-CTV體視顯微圖像采集系統對切屑形態進行觀察，如圖6所示。TiAlN涂層刀具在干切削條件下產生了藍色的卷曲狀切屑，說明切削溫度很高，切屑在這個過程中被氧化；在MQL潤滑方式下，切屑也變成卷曲狀，但顏色介于藍色與金黃色之間，說明溫度比干切削稍低一點；冷風冷卻條件下，切屑是普通顏色的碎屑，說明冷風槍吹入切削區的冷風對降低切削區的切削溫度有著明顯改善效果。TiSiN涂層刀具在干切削條件下也產生了藍色的切屑，但氧化程度優于TiAlN涂層刀具，說明涂層在銑削淬硬鋼材料過程中，該涂層能有效減少材料與刀具之間的摩擦，有效抵抗切削熱，刀具的抗氧化性能表現良好。TiSiN涂層在冷風和MQL潤滑方式下，切屑形態差異不明顯，都是金黃色的C型切屑。

圖6 不同冷卻條件下切屑形態

3 結語

本文使用TiSiN和TiAlN兩種涂層刀具在3種不同冷卻潤滑方式下(干切削、冷風切削及微量潤滑)高速銑削淬硬鋼SKD11(HRC 62)，研究了淬硬鋼工件材料的表面粗糙度、切削力、刀具磨損及切屑形態的不同，得出如下結論：

1)對于模具鋼SKD11，TiSiN涂層銑刀相對于TiAlN涂層在降低已加工表面粗糙度，減小切削力，降低刀具的磨損方面均更有優勢；

2)在MQL方式下，已加工表面粗糙度值相對于干切削和冷風切削有所降低，微量的潤滑油改善了刀具與工件的接觸，降低了已加工表面粗糙度值；

3)冷風切削在降低切削區溫度、減小切削力、有效抑制刀具磨損、提高刀具耐用度以及改善切屑形態方面優于干切削；MQL方式增大了刀具切削力，這與淬硬鋼SKD11硬度太高，導致切削環境惡劣，切削溫度急劇升高有關；在MQL方式下，由于是在非封閉式機床上操作加工，整個加工環境中有微量油霧的產生，須對加工環境進一步優化；

4)通過對采集的切屑形態比較分析，冷風切削條件下的切屑溫度相對于干切削和MQL方式均較低，冷風切削的冷卻潤滑效果較明顯。