高速銑削20CrMnTi 淬硬鋼切削力的試驗研究

趙浩男 金成哲 張文瑞

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159）

淬硬鋼因其良好的機械和物理性能，在汽車制造業、模具加工等行業具有廣闊的使用前景。但在實際生產實踐中，淬硬鋼加工難度大是一個嚴峻的問題。相關研究顯示，在對難加工材料淬硬鋼件進行加工時，由于刀具極易出現微崩現象，從而導致刀具失效，進而影響其使用壽命[1]，因此有必要對其進行深入研究和分析。

目前，國內外眾多學者對于淬硬鋼切削加工進行一些研究，杜凱等[2]通過淬硬45CrNiMoVA 鋼進行硬車削的研究，在硬車削加工中，當切削深度和進給量都增加時，切削力也同樣會增加，但是切削速度的改變對切削力的影響不夠明顯。張鵬等[3]根據涂層PCBN 刀具對淬硬模具鋼（Cr12MoV）進行切削試驗，運用極差分析方法，得出切削深度對切削力影響最為明顯。吳世雄等[4]通過液氮冷卻下的淬硬鋼高速切削研究，通過與干切削比較，得出液氮切削下的切削力增加了10.1%～12.8%。劉獻禮等[5]以汽車覆蓋件模具常用材料淬硬鋼 AISI D2 為研究對象，研究速度效應對淬硬鋼 AISI D2 材料最小切削厚度的影響規律，結果表明：在所選切削參數范圍內，溫度效應對淬硬鋼 AISI D2 材料成屑的影響大于應變率效應的影響，此時隨著切削速度的增加，最小切削厚度值增大。高江雄等[6]采用6 種具有相同涂層和不同刃口倒棱結構的硬質合金數控銑刀，采用正交實驗方法，對S136 淬火模具鋼進行了切削加工，并對其切削性能進行了分析。實驗結果表明：在刀片倒棱角度a1=-15°、倒棱寬度ba1=0.1 mm 時，刀具的切削合力是最小的。唐林虎等[7]通過PCNB 刀具低中高速干式硬態車削高硬高強高耐磨淬硬鋼的車削試驗，揭示了切削速度對切削力的影響規律，試驗結果表明：徑向力最大，主切削力次之，進給力最小。鄔再新等[8]采用了一種正交實驗的方法，使用數據仿真軟件，對PCNB 刀具加工50 HRC 淬硬鋼過程中的切削力和切削溫度進行仿真，計算出了最優刀具幾何參數和切削參數。Konig W 等[9-10]進行了淬硬鋼切削試驗，首先使用了陶瓷刀具進行切削加工。實驗結果表明：軸向切深會使各個方向的切削分力增加，但是軸向切深對各個分力的影響程度有所區別，主切削力是受其影響程度最大的分力；進給量對各切削分力的影響程度無明顯區別，各方向的切削力均隨進給量增加而增大。研究同時使用了PCBN 刀具進行了切削試驗，與陶瓷刀具的結果進行對比分析，得出的結論與陶瓷刀具的影響趨勢一致。Karel O 等[11]通過立方氮化硼加工淬硬鋼100Cr6 試驗，測量12 種切削條件下的切削力，根據獲得的數據構建具有適當常數和指數的結構方程，該實驗證實了當用立方氮化硼車削淬硬鋼時，平均算術輪廓偏差Ra 值在0.3～0.4 μm的可能性。Markopoulos A P 等[12]通過研究了槽銑試驗，對獲得的實驗結果進行了回歸分析，并導出了表面粗糙度、切削力、切削功率和加工成本的非線性數學方程，具有高的確定系數（R2=90.62%～98.74%）。當開槽銑削AISI O1 工具鋼時，獲得了設計變量的最佳和穩定水平的可持續性評估模型。Vallabh D 等[13]采用全因素法設計，在不同的車削速度、進給量、刀尖半徑條件下，對淬火AISI D2鋼（國內對應牌號為Cr12MoV）進行了CBN 刀具精車試驗。在實驗結果的基礎上，建立了切削力與切削速度、進給量和刀尖半徑的函數關系的經驗模型。

綜上所述，國內外學者對淬硬鋼不同加工方法下的切削力進行了一系列的研究，但關于20CrMnTi淬硬鋼銑削試驗方面的研究還較少，因此本文采用四刃CBN 直柄平底立銑刀刀具在不同切削參數條件下銑削材料為20CrMnTi 淬硬鋼的工件，通過對切削力的極差分析，以及單因素法，得出了最優切削參數以及切削參數對切削力的影響規律，為實際生產實踐中切削20CrMnTi 淬硬鋼的切削參數的選擇提供了數據基礎。

1 試驗條件及方案

1.1 工件材料

試驗所選用的20CrMnTi 淬硬鋼作為工件材料，20CrMnTi 淬硬鋼常用于軸類、活塞類制造以及航空工業中特殊零件的加工制造。其主要化學元素含量成分見表1，工件尺寸為200 mm×50 mm×20 mm，如圖1 所示。

圖1 20CrMnTi 淬硬鋼試驗工件

表1 工件材料20CrMnTi 化學成分

1.2 刀具材料

本次試驗選擇的刀具為四刃焊接式CBN 直柄平底立銑刀，刀具型號為BN-2000，刀具直徑為6 mm，刀具總長為60 mm，如圖2 所示。

圖2 四刃焊接式CBN 直柄平底立銑刀

1.3 試驗設備

試驗機床為VMC850E 立式數控加工中心，如圖3 所示。

圖3 VMC850E 立式數控加工中心

選擇Kistler 9123 C 1011 的測力儀來采集切削力，與電荷放大器和數據采集卡一起使用，將采集的信號輸入DynoWare 測力軟件完成對切削力的數據分析，試驗裝置如圖4 所示。

圖4 切削力采集試驗裝置圖

DynoWare 切削力處理軟件功能豐富強大，可以對采集到的各個方向切削分力進行特定區間求平均值，也能求觀測區間內的最值，對切削力信號進行濾波和去漂移處理。圖5 所示切削參數為vc=50 m/min、fz=0.09 mm/z、ap=0.5 mm 時切削力原始數據。

圖5 DynoWare 軟件銑削力原始數據

以圖5 所示切削參數（vc=50 m/min，fz=0.09 mm/z，ap=0.5 mm）條件為例，用Dynoware 切削力分析軟件來研究X方向銑削力Fx和Y方向銑削力Fy。圖6所示為穩定切削時各切削分力隨時間變化的周期信號圖，可以觀察到，切削分力Fx和Fy也隨著銑削加工的進行呈周期性變化，這是因為銑削加工與車削加工過程不同，車削加工時車刀和工件保持一直接觸的切削轉態，而銑削加工為斷續加工，有顯著的刀齒切入和切出的現象，而且切削力也會隨著刀齒的切削過程而改變，在每個銑削周期內銑削力都會經歷從最小值增加到最大值，再由大到小的過程。

圖6 切削力信號圖

1.4 正交試驗方案設計

本次試驗采用正交試驗法設計銑削試驗切削參數，見表2，采用逆銑銑削加工方式。

表2 正交試驗參數表

2 試驗結果及分析

2.1 切削力Fx 極差分析

對銑削淬硬鋼加工試驗的切削力Fx進行極差分析[14]，得到銑刀銑削加工試驗切削力Fx極差分析表，見表3。

表3 銑削加工試驗切削力Fx 極差分析

從表3 極差分析可知，銑削深度ap是銑削加工淬硬鋼試驗時切削力Fx的首要影響因素，影響較小的是每齒進給量fz，影響最小的是切削速度vc。對于銑削加工淬硬鋼試驗來說，從考慮切削參數對切削力Fx的影響角度來看，選擇合適的銑削深度是首選，然后再考慮選擇進給量，最后才是切削速度，這樣對切削力Fx的影響才能得到有效的降低。根據表3 極差分析得出的結果，從對切削力Fx的影響來看，將vc=100 m/min、fz=0.05 mm/z、ap=0.3 mm作為切削參數優化方案的組合。

2.2 切削力Fy 極差分析

對銑削淬硬鋼加工試驗的切削力Fy進行極差分析，得到銑削加工試驗切削力Fy極差分析表，見表4。

從表4 極差分析得到，銑削深度ap是銑削加工淬硬鋼試驗時切削力Fy的首要影響因素，影響較小的是切削速度vc，影響最小的是每齒進給量fz。對于銑削加工淬硬鋼試驗而言，從切削參數對切削力Fy的影響角度來看，合適的銑削深度ap是首選，然后再考慮降低切削速度vc，最后再考慮每齒進給量fz，這樣對切削力的影響可以得到有效的降低。根據表4 極差分析得出的結果，從對切削力Fy的影響來看，將vc=50 m/min、fz=0.05 mm/z、ap=0.3 mm作為切削參數優化方案的組合。

2.3 切削參數對切削力的影響

2.3.1 切削速度對切削力的影響規律

為了研究切削速度對切削力的影響規律，應排除其他因素對實驗結果影響，在試驗過程中每齒進給量、銑削深度及其他參數保持不變，只改變切削速度的大小，切削速度分別選擇50 m/min、75 m/min、100 m/min、125 m/min 和150 m/min。設定進給量fz=0.05 mm/z，銑削深度ap=0.3 mm。表5 為不同切削速度對應的切削力Fx和切削力Fy。

表5 不同切削速度對應切削力Fx 和Fy

CBN 刀具在切削淬硬鋼時，其切削力Fx和Fy與切削速度的關系如圖7 所示，可以看出，在切削速度由小到大的過程中，切削力Fx和Fy呈現出與之相反的趨勢，也就是隨著切削速度的增大而降低，其中切削力Fy下降的趨勢更為明顯，而切削力Fx隨著切削速度的增加而變化的幅度相對較小。對導致這一現象的原因進行了分析：當切削速度大幅增加時，變形區內的溫度大幅升高，材料的軟化作用增強而硬化作用減弱；當達到絕熱剪切條件之后，金屬材料內部出現絕熱滑移，導致切削力減小。

圖7 切削速度對切削力的影響

2.3.2 每齒進給量對切削力的影響規律

為了研究每齒進給量對切削力的影響規律，應排除其他因素對實驗結果影響，在實驗過程中切削速度、銑削深度及其他參數保持不變，只改變每齒進給量的大小，每齒進給量分別選擇0.05 mm/z、0.07 mm/z、0.09 mm/z、0.11 mm/z 和0.13 mm/z，設定其中切削速度vc=50 m/min，銑削深度ap=0.3 mm。表6 為不同每齒進給量對應的切削力Fx和切削力Fy。

表6 不同進給量對應切削力Fx 和Fy

CBN 刀具在切削淬硬鋼時，其切削力Fx和Fy與每齒進給量的關系如圖8 所示，可以看出，當每齒進給量由0.05 mm/z 增至0.13 mm/z 時，切削力Fx和Fy均呈上升趨勢。產生這種現象的原因是：隨著每齒進給量的增大，會使銑刀每轉去除工件材料的厚度與面積增大，銑刀克服工件材料塑性變形的阻力增加，進給量的增加還會使切屑與工件分離所需要的摩擦力增加，并使工件與刀具間的摩擦增加，從而使切削力提高。

圖8 進給量對切削力的影響

2.3.3 銑削深度對切削力的影響規律

為了研究銑削深度對切削力的影響規律，應排除其他因素對實驗結果影響，在實驗過程中切削速度、每齒進給量及其他參數保持不變，只改變銑削深度的大小，銑削深度分別選擇0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm 和0.7 mm，設定vc=50 m/min、fz=0.05 mm/z。表7 為不同銑削深度對應的切削力Fx和切削力Fy。

表7 不同銑削深度對應切削力Fx 和Fy

CBN 刀具在切削淬硬鋼時，其切削力Fx和Fy與銑削深度的關系如圖9 所示，可以看出，當銑削深度增大時，切削力Fy會快速上升，切削力Fx雖然也呈上升趨勢，但是增長速率低于Fy。產生這種現象的原因是：隨著銑削深度的不斷增大，刀具在去除工件材料時所受的阻力增加，并且因為淬硬鋼材料本身硬度大，切削過程中由于刀具與工件之間的作用力的增強，使得接觸區域的摩擦變得更大，從而使切削力變得更大。

圖9 銑削深度對切削力的影響

3 結語

（1）通過極差分析得出銑削深度ap是銑削加工淬硬鋼試驗時切削力Fx的首要影響因素，其次是每齒進給量fz，最后是切削速度vc。同樣銑削深度ap也是切削力Fy的首要影響因素，其次是切削速度vc，每齒進給量fz的影響最小。

（2）由極差分析得出，從對切削力Fx的影響來看，將vc=100 m/min、fz=0.05 mm/z、ap=0.3 mm作為切削參數優化方案的組合。從對切削力Fy的影響來看，將vc=50 m/min、fz=0.05 mm/z、ap=0.3 mm作為切削參數優化方案的組合。

（3）切削力Fx和Fy隨著切削速度從50 m/min增加到150 m/min 整體趨勢上均減小；每齒進給量fz隨著從0.05 mm/z 增至0.13 mm/z 時，切削力Fx和Fy均增加；切削力Fy隨著銑削深度從0.3 mm 至0.7 mm 迅速增加，切削力Fx雖然也增加，但增長速率低于Fy。