微溝槽織構(gòu)對表面粗糙度和切屑的影響

趙明，馬春露，趙雙悅，魯政熙

長春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林長春，130022

0 引言

在汽車制造中70%左右的金屬零部件需要沖壓加工成型，加工一輛普通民用轎車平均需要約1400-1500個(gè)沖壓件[1]。這些沖壓件的批量加工制造都離不開模具，特別是汽車模具行業(yè)常用的冷作模具。而在汽車?yán)渥髂＞咧校瑳_頭是一個(gè)重要的模具配件，車大梁、車身上的安裝孔都需要使用沖頭。沖頭的公差和壽命直接影響了沖壓件的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。

沖頭的材質(zhì)選擇上以高速鋼為主，常用的材料有Cr12、Cr12MoV、ASP23、SKD11、SKD51、SKD61等。模具沖頭的加工主要以車削加工為主，車削質(zhì)量直接影響了沖頭的加工質(zhì)量并影響到?jīng)_頭的使用壽命[2]。

岳彩旭[3]等在研究PCBN刀具硬態(tài)車削淬硬Cr12MoV模具鋼時(shí)，探討了已加工表面變質(zhì)層形成機(jī)制，之后通過實(shí)際切削試驗(yàn)，間接得到了不同磨損程度的刀具、切削速度、進(jìn)給量、切削深度對白層連續(xù)性、變質(zhì)層厚度及硬度的影響規(guī)律。該研究成果對切削表面質(zhì)量以及切削用量的優(yōu)化有指導(dǎo)作用。

劉思志[4]在研究PCBN刀具硬態(tài)切削用量時(shí)，分別使用刀尖圓弧半徑為0.4、0.6、0.8mm的PCBN刀具干式連續(xù)車削冷作模具鋼Cr12MoV，測得已加工表面的表面粗糙度，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了以切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量和刀尖圓弧半徑為輸入量、表面粗糙度為輸出量的模型，之后，以表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)，利用遺傳算法選擇了合理的切削用量。

1 試驗(yàn)

1.1 試件材料

本次試驗(yàn)采用的工件材料為Cr12MoV冷作模具鋼。工件直徑為50mm，長度為250mm。表1是Cr12MoV的各元素含量。

表1 Cr12MoV冷作模具鋼元素含量

1.2 車削刀具

本次切削實(shí)驗(yàn)中選用的PCBN刀片型號為CNMG120408。圖1是該刀具部分尺寸示意圖，詳細(xì)尺寸可參照表2。PCBN刀具的實(shí)際車削加工時(shí)刀具前角γ0= - 6o，后角α0= 6o，主偏角κr= 95o。

表2 CNMG120408尺寸（mm）

1.3 微織構(gòu)刀具制備

目前，切削刀具表面織構(gòu)的加工方法主要有電火花加工、光刻技術(shù)、激光加工技術(shù)、微小砂輪磨削等。激光加工方法能量密度高、加工可控性好、加工速度快、易實(shí)現(xiàn)精密加工[5]。設(shè)計(jì)并制備出如圖2所示三種微溝槽刀具，溝槽寬度約為70μm，深度約為60μm。溝槽與主切削刃的刃邊距為0.15mm，溝槽的間距為0.30mm。

1.4 試驗(yàn)方案

PCBN刀具車削時(shí)宜采用較高的切削速度、較小的進(jìn)給量和恰當(dāng)?shù)谋吵缘读浚谶_(dá)到車削要求的表面粗糙度的基礎(chǔ)上，還要求容易控制切屑或容易斷屑。近年來，精車表面粗糙度要求越來越高，有望逐漸代替磨削加工，以實(shí)現(xiàn)“以車代磨”并提高產(chǎn)品性能。設(shè)計(jì)切削正交試驗(yàn)，以切削后工件的表面粗糙度為主要優(yōu)化目標(biāo)，選取合理的切削用量，作為后續(xù)微織構(gòu)PCBN刀具車削試驗(yàn)的切削用量。試驗(yàn)采用L9（33）三因素三水平的正交試驗(yàn)，車削正交試驗(yàn)具體方案見表3。切削完成后，采用WYKO N9100型光學(xué)輪廓儀進(jìn)行已加工表面粗糙度的測量。因?yàn)楸砻娲植诙认鄬ξ⒂^，為保證測量結(jié)果準(zhǔn)確，在切削長度內(nèi)測量三次取平均值。另外，本文所有試驗(yàn)都在CA6140-A車床上進(jìn)行。

表3 車削正交試驗(yàn)具體方案

通過極差法對表面粗糙度正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主效應(yīng)分析，確定最佳切削用量。在該切削用量條件下，分別使用無織構(gòu)普通刀具和三種微織構(gòu)刀具進(jìn)行對比切削試驗(yàn)，以研究微織構(gòu)對已加工表面粗糙度和切屑的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

按表3設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行9組正交試驗(yàn)，觀察獲得表面粗糙度數(shù)值如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過極差法對表面粗糙度正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主效應(yīng)分析，結(jié)果見表5。表中為i水平的平均值。從上表可以看出對已加工表面粗糙度影響最大的是背吃刀量，其次為切削速度，進(jìn)給量對其影響最小。隨著切削速度的提高，表面粗糙度先增大后減小。這是因?yàn)殡S著切削速度由113m/min提高到141m/min，切削溫度上升，由于積屑瘤的作用，使得表面粗糙度增大，而當(dāng)切削速度由141m/min提高到176m/min時(shí)，積屑瘤不再產(chǎn)生，切屑和加工表面的塑性變形程度越小，從而使表面粗糙度降低。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，最優(yōu)切削速度為176m/min。隨著進(jìn)給量的增大，表面粗糙度整體升高，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，最優(yōu)進(jìn)給量為0.08mm/r。隨著背吃刀量的增大，表面粗糙度整體升高。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，最優(yōu)的背吃刀量為0.10mm。

表5 表面粗糙度極差分析

2.2 微溝槽對已加工表面粗糙度的影響

圖3是無織構(gòu)刀具和微織構(gòu)刀具切削后已加工表面形貌。圖4是無織構(gòu)刀具和微織構(gòu)刀具切削后已加工表面粗糙度曲線圖。由圖中可以看出：在三種微織構(gòu)中，平行槽刀具切削的工件表面粗糙度最小，垂直槽次之，圓弧槽最差；但三種微織構(gòu)刀具切削的工件表面質(zhì)量均優(yōu)于無織構(gòu)刀具。

微織構(gòu)刀具車削的工件已加工表面粗糙度低主要是因?yàn)樵诘毒叩那暗睹嬷萌胛喜郏瑴p少了刀具和工件之間的接觸面積和刀-屑接觸長度，減少了切削過程中的切削力，特別是與進(jìn)給方向相垂直的切深抗力，有利于減輕刀具刃口圓角及后刀面的擠壓和摩擦作用，從而使得工件材料塑性變形減少，因而降低了表面粗糙度。在切削過程中，高速旋轉(zhuǎn)的工件對刀片的表面造成沖擊，微織構(gòu)刀片上的溝槽能夠減緩沖擊影響，提高表面質(zhì)量。

由于溝槽的槽型不同，切削時(shí)切屑的流動(dòng)方向與溝槽的夾角不同，切屑受到的“二次切削”不同，加之不同槽型對切削沖擊的吸納能力不同，因此其對表面粗糙度的降低程度也不同。平行槽刀具對切屑的“二次切削”輕，且平行槽對進(jìn)給方向的沖擊吸納能力較強(qiáng)，因此，平行槽刀具切削的工件表面粗糙度最低。垂直槽刀具對切削的“二次切削”高于平行槽，但垂直槽刀具對背吃方向的沖擊吸納能力較強(qiáng)，因此垂直槽刀具切削的工件表面粗糙度適中。圓弧槽刀具對切屑的“二次切削”嚴(yán)重，且由于切削沖擊的作用面較小，主要集中在刀尖處，離溝槽距離較遠(yuǎn)。因此圓弧槽刀具對切削沖擊的吸納能力差，因此圓弧槽刀具切削的工件表面粗糙度較大。

2.3 微溝槽對切屑的影響

圖5是無織構(gòu)刀具和微織構(gòu)刀具的切屑形貌圖。從圖中可以看出：無織構(gòu)刀具切削過程并不平穩(wěn)，所以其切屑的卷曲半徑隨著切削溫度的升高由小變大；圓弧槽刀具的切屑較為統(tǒng)一，為纏繞型的螺卷屑，且實(shí)際切削過程中觀察發(fā)現(xiàn)圓弧槽會(huì)擾亂切屑的流向，切削時(shí)切屑容易纏繞工件，影響已加工表面，且容易傷人，因此需要增加輔助斷屑設(shè)備。垂直槽刀具的切屑較為統(tǒng)一，為細(xì)小的螺卷屑，且切屑不纏繞工件，不容易傷人，而且斷屑性能良好。平行槽刀具的切屑為細(xì)長的螺卷屑，但略有纏繞。因此，垂直槽刀具的切屑最好。

3 結(jié)語

通過正交切削試驗(yàn)，研究了不同的切削用量對工件已加工表面的表面粗糙度的影響規(guī)律并獲得了試驗(yàn)范圍內(nèi)最優(yōu)切削用量。在最優(yōu)切削用量下，研究了三種微溝槽PCBN刀具切削Cr12MoV冷作模具鋼的已加工表面質(zhì)量和切屑，得到如下結(jié)論：

（1）在刀具的前刀面加工出微溝槽，能夠降低切削力，提高刀具吸納沖擊的能力，改善刀具的切削性能，降低已加工表面的表面粗糙度。

（2）三種微溝槽刀具中，平行槽刀具切削的表面粗糙度最低，垂直槽次之，圓弧槽最差。

（3）三種微溝槽刀具中，垂直槽刀具和平行槽刀具能改善切屑形貌，使得切屑更細(xì)小更穩(wěn)定；垂直槽刀具斷屑能力最好，圓弧槽刀具切削時(shí)的切屑容易纏繞傷人。