模具鋼高速硬銑削加工表面完整性及其耐磨性研究 *

郝 君

(山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊(duì)，山東 濰坊261200)

淬硬模具鋼Cr12MoV不僅具有高硬度和高強(qiáng)度，還兼具良好的韌性，在沖壓模具行業(yè)應(yīng)用廣泛，如拉延模、冷擠壓模[1]。在傳統(tǒng)模具制造過(guò)程中，該類模具切削加工前需進(jìn)行退火處理以降低其硬度與強(qiáng)度，從而保證理想的刀具壽命。近年來(lái)，隨著先進(jìn)刀具技術(shù)和高速切削加工機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展[2]，以及國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者對(duì)高速切削技術(shù)和硬切削技術(shù)研究的不斷深入[3]，高速硬切削技術(shù)在模具制造行業(yè)的應(yīng)用可行性逐漸提高。

于英釗等人[4]研究了高速干銑削高強(qiáng)鋼AISI 4340時(shí)切削參數(shù)對(duì)表面完整性的影響，結(jié)果表明，銑削速度對(duì)加工硬化影響最為顯著，銑削速度的提高會(huì)顯著降低表面加工硬化程度和硬化層深度；模具鋼高速干銑削加工表面呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，當(dāng)銑削速度高于400 m/min時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力隨銑削速度的提高而減小。張慧萍等人[5]研究了超高強(qiáng)鋼300M車削加工時(shí)切削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響，得出車削速度和進(jìn)給量的提高會(huì)降低工件加工后的表面硬度；隨著切削速度的不斷提高，表面殘余壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力；切削深度與切削速度對(duì)表面粗糙度的影響不明顯。謝英星[6]研究了立銑削淬硬模具鋼Cr12MoV時(shí)切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。楊浩亮[7]借助AdvantEdge軟件研究了模具鋼Cr12MoV切削力與切削溫度的隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，基于車削加工試驗(yàn)，分析了切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，并優(yōu)化了切削參數(shù)。Gaitonde V N等人[8]通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)展響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，研究了切削速度、每齒進(jìn)給量和切削深度對(duì)切削溫度和表面粗糙度的影響規(guī)律，得出切削溫度隨切削速度的提高而線性增加，而表面粗糙度隨切削速度的變化呈非線性增加；當(dāng)選擇一定的每齒進(jìn)給量與軸向切深時(shí)，增大切削速度有助于減小切削力。Hosseini A等人[9]通過(guò)開(kāi)展正交車削實(shí)驗(yàn)，研究了淬硬模具鋼AISI D2切削加工性，他們發(fā)現(xiàn)，在不改變切削時(shí)間的條件下，增大進(jìn)給量與切削深度會(huì)加速刀具磨損，進(jìn)而導(dǎo)致切小功率增加與表面粗糙度的增大。

綜合現(xiàn)階段關(guān)于淬硬模具鋼高速切削加工的研究已有很多報(bào)道，但已有的研究更多從車削加工角度，而從銑削加工角度的研究相對(duì)較少。淬硬模具鋼Cr12MoV憑借其優(yōu)良的力學(xué)性能，常被用來(lái)制作具有復(fù)雜曲面的冷作模具，如高檔拉延模具。該類模具終加工工序需采用球頭銑刀銑出復(fù)雜曲面或型腔，而現(xiàn)階段關(guān)于淬硬模具鋼高速銑削加工表面完整性及其對(duì)耐磨性影響的研究相對(duì)較少。因此，本文以淬硬狀態(tài)的模具鋼Cr12MoV為研究對(duì)象，分析采用球頭銑刀進(jìn)行高速銑削加工時(shí)，銑削速度對(duì)工件表面完整性及其耐磨性的影響規(guī)律，從而為實(shí)際生產(chǎn)中的模具制造提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法與檢測(cè)

1.1 高速銑削加工試驗(yàn)

本文選用塊狀淬硬模具鋼Cr12MoV作為工件材料，該種模具鋼在冷沖壓模具中應(yīng)用廣泛。經(jīng)淬火與回火處理后，工件基體組織由回火馬氏體、殘留奧氏體和碳化物構(gòu)成，其硬度和屈服強(qiáng)度分別可達(dá)61±1 HRC、1 200 MPa。

采用山高兩刃涂層整體硬質(zhì)合金球頭銑刀進(jìn)行高速銑削加工試驗(yàn)，所用機(jī)床為五軸加工中心DMU60P duoBlock (主軸最高轉(zhuǎn)速12 000 r/min)，球頭銑刀(111L00-MEGA-64)直徑為10 mm。根據(jù)刀具生產(chǎn)廠家切削參數(shù)的推薦值，確定球頭銑刀切削過(guò)程的每齒進(jìn)給量fz、徑向切削深度ae以及軸向切削深度ap。本文所采用的切削參數(shù)配置如表1所示。

表1 淬硬模具鋼高速銑削加工切削參數(shù)組合

1.2 往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)

淬硬模具鋼高速銑削加工表面的耐磨性通過(guò)干摩擦工況下的往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)進(jìn)行。利用電火花線切割機(jī)床切割制備檢測(cè)試樣，在室溫條件下，利用UMT-3型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。由于淬硬模具鋼加工表面具有高硬度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，本文選用直徑為9.525 mm的Al2O3陶瓷球作為對(duì)磨件，以保證足夠高的接觸應(yīng)力和清晰地磨痕。在滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦速度v、壓力載荷F、單行程摩擦距離L和總摩擦?xí)r間分別設(shè)定為10 mm/s、10 N、5 mm和10 min。圖1所示為往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)示意圖。

1.3 表面完整性檢測(cè)及磨痕寬度測(cè)量

表面完整性常用表面粗糙度、表面硬度、殘余應(yīng)力等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文分別利用白光干涉儀Veeco NT9300、顯微硬度計(jì)FM700和Xstress3000 X射線應(yīng)力分析儀檢測(cè)模具鋼高速硬銑削加工表面的表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力，并分別取5次測(cè)量的平均值作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終數(shù)值。

由于氧化鋁陶瓷球硬度遠(yuǎn)高于淬硬模具鋼高速銑削加工表面硬度，摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中不易磨損，故可認(rèn)為各試樣表面磨痕具有近似相同的曲率半徑，因此，本文采用磨痕寬度評(píng)價(jià)試樣表面的耐磨性，并借助白光干涉儀觀察和測(cè)量試樣磨損后的表面磨痕，圖2所示為試樣磨痕寬度的測(cè)量方式。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面完整性典型指標(biāo)參數(shù)表征

表面粗糙度是常用來(lái)評(píng)價(jià)表面完整性的重要參數(shù)之一。淬硬模具鋼Cr12MoV高速銑削加工表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化如圖3所示，可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，表面粗糙度呈下降趨勢(shì)。將主軸轉(zhuǎn)速由3 000 r/min提高至8 000 r/min時(shí)，表面粗糙度降低28%。由于淬硬模具鋼強(qiáng)度高、硬度高的特點(diǎn)，當(dāng)采用較低的主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，切削力及機(jī)床振動(dòng)相對(duì)較大，易引起加工表面產(chǎn)生較大的表面粗糙度，而對(duì)于高主軸轉(zhuǎn)速情況，硬切削過(guò)程切削能量消耗增加，產(chǎn)生大量的切削熱，這種切削熱可在一定程度上降低切削區(qū)域的硬度，切削過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)，故而表面粗糙度較小。

圖4所示為表面顯微硬度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化，可以看出，與工件初始表面硬度(720 HV)相比，淬硬模具鋼經(jīng)高速銑削加工后，其表面硬度顯著提高，且提高程度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在高速硬銑削過(guò)程切削力的作用下，工件表面層會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的彈塑性變形，引發(fā)表面層內(nèi)位錯(cuò)堆積、晶粒拉長(zhǎng)破碎等一系列物理變化，造成表面加工硬化。隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，產(chǎn)生的切削熱逐漸增加，球頭銑刀與工件之間的摩擦作用逐漸減弱，切削力減小，加工硬化程度減弱。

圖5所示為表面殘余應(yīng)力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化，可以看出，淬硬模具鋼高速銑削加工表面殘余應(yīng)力呈壓應(yīng)力狀態(tài)，且隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，表面殘余壓應(yīng)力逐漸減小。工件銑削加工表面殘余應(yīng)力是銑削過(guò)程熱力耦合場(chǎng)綜合作用的結(jié)果。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高時(shí)，切削力出現(xiàn)下降，對(duì)已加工表面的擠壓作用減弱，再加之銑削過(guò)程產(chǎn)生更多的熱量，這兩方面原因共同導(dǎo)致表面殘余壓應(yīng)力的降低。

2.2 高速銑削加工表面耐磨性分析

試樣表面磨痕寬度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化情況如圖6所示，可以看出，試樣表面磨痕寬度隨主軸轉(zhuǎn)速的提高總體呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，這表明耐磨性與主軸轉(zhuǎn)速具有一定的相關(guān)性。

磨痕寬度越大，則耐磨性越差；反之，則耐磨性越好。根據(jù)圖6可知，以較低主軸轉(zhuǎn)速銑削的試樣表面磨痕寬度相對(duì)較大，而由圖4和圖5可知，該類試樣具有較高的表面加工硬化程度與殘余壓應(yīng)力，這表明對(duì)于高速硬銑削加工表面來(lái)說(shuō)，高硬度高殘余壓應(yīng)力不一定具有高耐磨性。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，磨痕寬度相比低速時(shí)呈現(xiàn)一定程度的下降，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為7 000 r/min時(shí)，磨痕寬度最小，耐磨性最好。然而，隨著主軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高，磨痕寬度又開(kāi)始增大。

盡管高速硬銑削加工過(guò)程會(huì)降低表面粗糙度、引入表面加工硬化和殘余壓應(yīng)力，但與此同時(shí)，表面脆性增強(qiáng)，且容易存在微凹坑、微裂紋等表面缺陷，這些因素均可影響高速銑削加工表面的耐磨性。隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，表面加工硬化程度減弱，表面缺陷得益于軟化作用而減少，故而耐磨性增強(qiáng)。但隨著主軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，表面加工硬化程度顯著下降，致使表面硬度及強(qiáng)度降低，耐磨性變差。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了淬硬模具鋼Cr12MoV高速硬銑削加工表面完整性及其耐磨性隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，得到的結(jié)論主要有以下幾點(diǎn)：

(1)表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的提高而下降。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速由3 000 r/min提高到8 000 r/min時(shí)，表面粗糙度下降28%。

(2)高速硬銑削加工表面會(huì)出現(xiàn)顯著的加工硬化現(xiàn)象和殘余壓應(yīng)力，且隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，表面加工硬化程度及表面殘余壓應(yīng)力均會(huì)減弱。

(3)高速硬銑削加工表面耐磨性隨主軸轉(zhuǎn)速的提高總體呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的規(guī)律。表面耐磨性是表面硬度、表面殘余應(yīng)力、表面缺陷等多因素協(xié)同作用下的結(jié)果。對(duì)于模具鋼高速硬銑削加工表面來(lái)說(shuō)，高硬度與高殘余壓應(yīng)力并不意味著較高的耐磨性，還需考慮表面缺陷的影響。