模具鋼球頭銑削加工表面微凹坑形貌形成機理及摩擦特性研究

2021-11-03 09:13:56吳建華

模具工業 2021年10期

郝君，吳建華

（山東省煤田地質局第四勘探隊，山東濰坊 261200）

0 引言

模具零件工作表面的摩擦特性影響成形過程中板料的流動速率，進而影響沖壓件的成形質量[1]。在沖壓成形過程中，為避免沖壓件出現局部開裂、疊料等缺陷，常采用油石對模具零件進行局部打磨拋光處理，該方法對工人技術經驗水平要求高，且花費時間長、成本高。此外，在模具服役過程中，模具零件表面的摩擦系數影響表面應力分布與板料應變率，這將影響模具表面的耐磨性和沖壓件的力學性能。鑒于球頭銑削常被作為模具零件的終加工工序，特別是對于具有復雜曲面的模具零件，現旨在研究淬硬模具鋼球頭銑削加工表面微凹坑形貌的形成機理，分析每齒進給量對球頭銑削加工表面形貌參數的影響規律，并分析形貌參數與表面摩擦特性之間的關系。

研究表明表面織構化有助于改善滑動接觸表面的摩擦學性能，包括凹坑型織構、溝槽型織構、正弦型織構等[2,3]。徐明剛等[4]認為刀具表面織構化能有效降低切屑與刀具前刀面之間的摩擦系數，進而減小切削力，延長使用壽命；屠春娟等[5]采用激光加工技術在陶瓷刀具表面制備凹坑與溝槽織構特征，當采用織構化刀具進行切削模具零件時，切削力減小；李斌斌等[6]通過仿真分析發現，在切削時具有微織構表面的刀具切削力小于無織構刀具；潘有崇等[7]基于切削試驗研究了微凹坑織構刀具與無織構刀具的切削性能，得出微凹坑特征有助于降低摩擦系數、提高刀具耐磨性的結論；T OBIKAWA等[8]發現表面點型與槽型織構能改善切削鋁合金時刀具前刀面的潤滑狀態，且潤滑效果隨著微織構深度的增加而更加明顯；HL COSTA等[9]基于往復滑動摩擦試驗對比分析了3種不同織構表面的摩擦性能，發現V形槽表面織構能顯著增大油膜厚度，微凹坑織構表面次之，直線型微織構表面最小；I ETSION等[10]發現織構化推力軸承表面有助于減小摩擦系數，改善軸承使用性能；于海武等[11]利用光刻腐蝕的方法制備了圓形、橢圓形和正方形微凹坑織構表面，通過對各類型微凹坑織構表面摩擦特性的研究發現，當給定深徑比時，各類型微凹坑織構表面均具有顯著減摩性能的最優面積率，且橢圓型微凹坑表面具有最強的減摩能力；李運璽[12]采用飛秒激光機在硬質合金拉拔模零件表面制備了正方形凹坑特征和三角溝槽型特征，并基于Fluent流體仿真運算發現，三角型織構表面在縱向與橫向截面均有收斂出口，因而表現更高的油膜承載力。

綜上所述，采用光刻腐蝕、激光加工等技術在滑動摩擦表面制備布局合理的微織構特征有助于改善摩擦特性。模具零件表面的加工殘留形貌對其摩擦特性和耐磨性的影響將反映到沖壓件成形質量與模具使用壽命。由于球頭銑刀端部切削刃呈圓弧形，且在銑削加工時刀具不僅作進給運動，還作橫向間歇進給運動，通過調控切削參數，可使球銑加工表面形成具有一定規律的表面形貌[13]。然而，目前關于具有典型形貌特征的球銑加工表面研究相對較少，因此選取常用的冷作模具鋼Cr12MoV為研究對象，研究其球頭銑削加工表面微凹坑形貌的形成機理，并對其摩擦磨損性能進行分析，為實現模具鋼的高性能制造提供指導。

1 試驗設計

1.1 模具鋼銑削加工試驗

選用淬硬模具鋼Cr12MoV為研究對象，經淬火與回火處理后其硬度值約61 HRC。采用兩刃涂層整體硬質合金球頭銑刀（直徑φ10 mm）在五軸數控加工中心DMU 60P上進行模具鋼球頭銑削加工試驗，切削參數如表1所示。

表1 模具鋼球頭銑刀銑削加工參數

1.2 環-塊摩擦磨損試驗

采用電火花線切割機床，根據國標GB/T 12444—2006制備試樣，利用環-塊摩擦磨損試驗機MRH-3進行滑動摩擦磨損試驗。試驗在滴油潤滑狀態下進行，轉速、壓力載荷及對磨時間分別設定為200 r/min、200 N、15 min。試驗過程中借助壓力傳感器獲取摩擦力，根據庫倫摩擦定律換算得出滑動摩擦系數，試驗后借助工具顯微鏡和白光干涉儀分析球頭銑刀銑削加工表面形貌磨損前后的變化。

2 結果與分析

2.1 微凹坑形貌形成機理

圖1所示為每齒進給量fz=0.24 mm/z時模具鋼球頭銑削加工表面形貌及其X、Y方向的典型輪廓曲線，沿X方向與Y方向表面輪廓呈現近似周期性的峰谷分布特點，這表明球頭銑削加工表面可產生具有近似微凹坑特征的形貌。X方向為銑削過程中的進給運動方向，X方向輪廓波長對應每齒進給量；Y方向為銑削過程中的間歇進給運動方向，Y方向輪廓波長對應徑向切削深度。微凹坑邊緣完整性由進給運動和間歇進給運動引入的殘留材料決定，當給定銑削速度與軸向切深時，增大徑向切削深度會使間歇進給殘留材料高度增加，而當增大每齒進給量會使進給方向的殘留材料高度增加。結合圖1可推斷，當每齒進給量與徑向切削深度數值相當時，有利于產生微凹坑特征表面形貌，且采用較大的每齒進給量與較大的徑向切削深度組合能獲得更大深度的表面微凹坑。

圖1 模具鋼球頭銑削加工表面形貌及X、Y方向輪廓曲線

2.2 每齒進給量對微凹坑表面形貌參數的影響

圖2所示為模具鋼球頭銑削表面輪廓均方根偏差、偏態及峰態隨每齒進給量變化，均方根偏差隨每齒進給量的增大而緩慢增大，但當每齒進給量超過fz=0.24 mm/z時，均方根偏差快速增大。峰態SKu常用來表示表面粗糙峰的尖峭程度，對于高斯表面形貌其值為3，當SKu＜3時為低峰態，當SKu＞3時為尖峰態。圖2中峰態值SKu小于3，且隨著每齒進給量fz的增大而逐漸減小，這表明表面形貌低峰態越來越顯著，凹坑邊緣變矮變厚。偏態Ssk可用來反映表面形貌關于中性面的對稱性，Ssk＜0時表明表面以凹谷為主，相反則以凸峰為主。由圖2可知，偏態隨每齒進給量fz的增大近似呈增大趨勢，表明該表面凸峰增多。綜上所述，隨著每齒進給量的增大，球頭銑削加工表面微凹坑深度變淺，但因低峰態顯著，微凹坑邊緣等高程度較好。

圖2 球頭銑削表面形貌參數隨每齒進給量的變化

2.3 每齒進給量對球銑加工表面摩擦系數的影響

圖3所示為在潤滑工況下以不同每齒進給量銑削加工的試塊與試環對磨時的滑動摩擦系數。隨著每齒進給量的逐漸增大，滑動摩擦系數呈現下降趨勢，且當每齒進給量超過0.24 mm/z時，摩擦系數下降趨勢變緩。此外，在相同試驗條件下，拋光試樣與試環對磨的滑動摩擦系數為0.121，該值高于采用球頭銑削加工表面與試環對磨時的滑動摩擦系數。與采用每齒進給量0.3 mm/z銑削的試塊相比，拋光試樣摩擦系數高18.1%。

圖3 球頭銑削加工表面摩擦系數隨每齒進給量的變化

球頭銑削加工表面存在微米級的凹坑，其縱橫為比0.01～0.05，在潤滑滑動摩擦工況下，該類型特征的表面具有流體動壓潤滑效果。每齒進給量對球頭銑削加工表面微凹坑形貌影響顯著，每齒進給量越大，表面微凹坑越完整。微凹坑完整性越好，則儲存潤滑油能力越強，使局部流體動壓潤滑效應加強，增加潤滑膜的厚度，在一定程度上提高了承載能力。此外，微凹坑具備一定的體積空間，可容納摩擦接觸表面產生的微小磨屑，有利于減輕表面磨粒磨損現象。由于微小磨屑容納能力與流體動壓潤滑效應，球頭銑削加工表面的減摩性能優于拋光試樣。

每齒進給量通過改變銑削加工表面形貌參數影響表面摩擦特性，對比圖2和圖3可知，隨著每齒進給量的增大，滑動接觸表面摩擦系數與表面形貌參數均方根偏差及偏態具有相反的變化趨勢，而與峰態變化趨勢相同。對于給定加工方式，表面粗糙度越大，則滯留潤滑劑能力越強，有利于減輕摩擦。此外，偏態的升高與峰態的降低使微凹坑邊緣等高程度提高，同時厚度增加，延長了微凹坑相對作用時間，有利于提高耐磨性。

2.4 表面磨損形貌分析

圖4所示為采用工具顯微鏡獲取的球頭銑削加工表面和拋光試樣表面磨損形貌，滑動摩擦試驗后球頭銑削加工表面形貌出現一定程度的磨損甚至消失，且采用較小的每齒進給量加工的表面磨損嚴重；表面拋光試驗后表面出現明顯磨坑，坑內存在大量劃痕，磨損程度高于球頭銑削表面試樣。

圖4 球頭銑削加工表面和拋光試樣表面磨損形貌

利用白光干涉儀對比分析了fz=0.18、0.24 mm/z銑削加工的表面磨損后的形貌，如圖5所示。在兩球頭銑削試樣表面的磨痕區域，由銑削加工引入的殘留材料高度均降低，且采用較大每齒進給量加工的表面其殘留凹坑深度更深，這是由于其具有相對更大更均勻的微凹坑，潤滑油儲存能力更強，有利于形成流體動壓潤滑，同時容納磨屑能力強，有利于減輕磨粒磨損，故表面磨損程度相對較輕。而對于以較小每齒進給量加工的表面，其微凹坑完整性相對較弱，滑動摩擦過程中流體動壓潤滑效果不顯著，容納磨屑能力差，表面殘留材料承受的壓力載荷大，導致磨損相對嚴重。對于表面拋光試樣，如圖4（c）所示，其表面滯留潤滑劑能力差，磨屑夾雜與試環-試塊接觸表面形成三體摩擦狀態，導致犁耕作用加劇，表面磨損嚴重。