高速铣削淬硬钢时的切屑形态试验研究

2021-01-27庞俊忠牛苜森黄晓斌李鹏飞

机械设计与制造 2021年1期

庞俊忠，牛苜森，黄晓斌，李鹏飞

（中北大学机械工程学院，山西太原 030051）

1 引言

切削加工过程就是切屑的形成过程，高速铣削也不例外，切屑的形态保留着诸多的切削加工信息，不同程度地影响着切削力、切削温度、已加工表面质量等。

通常，高速切削加工可产生带状切屑、锯齿形切屑，带有绝热剪切带的锯齿形切屑通常是在高速切削热导率低、比热容小的材料时产生[1-3]，像钛合金，热导率仅有 7W·（m·K）-1，普通钢的热导率一般是35～48W·（m·K）-1。文献[4-5]研究了高速端铣淬硬热作模具钢的切屑变形和刀具磨损，在所实验的切削速度下并没有观察到锯齿形切屑的形成，也没给出切屑形态的演化过程。文献[5-6]研究了高速车削钛合金、Inconel718 等难加工材料时材料动态力学性能及切削速度对切屑形成的影响，文献[7-8]对切削钛合金和高温合金时的锯齿形切屑形成进行了仿真，这些材料也是易于形成锯齿形切屑的材料。材料本身的机械及物理性能对切屑的形成有着极大的影响，特别是硬度、热导率等。除此之外，刀具刃型及切削参数也是重要影响因素，像立铣刀直线刃和球铣刀圆弧刃，切削参数中的切削速度。对于高速端铣导热率高的淬硬钢，像45 淬硬钢，还没有发现对其高速铣削加工时产生的切屑形态的相关报告，针对淬硬的3Cr2Mo 钢和45 钢进行了高速铣削试验，切屑形态采用影像工具显微镜和高温金相显微镜来测量，再现了各种切削条件下的切屑形态，并对所获得的切屑形态光学照片进行了分析研究。

2 试验设备及试验条件

高速铣削试验在OKUMA 公司的MB56VA-R 三轴高速铣削中心上进行（机床主轴最高转速25000r/min）。刀具为直径12mm、2 刃纳米结构TiAlN 涂层的整体超微粒圆柱立铣刀，螺旋角30°，前角0°。试件材料为3Cr2Mo 钢和45 钢，3Cr2Mo 钢热处理硬度为 31HRC 和 42HRC，45 钢热处理硬度为 42HRC 和 52HRC，试件尺寸同为（160×110×42）mm。试验原理，如图1 所示。铣削参数，如表1 所示。工件材料性能，如表2 所示。

收集各种切削条件下的切屑，切屑宏观形态在苏州欧卡精密光学仪器有限公司生产的VTM-3020F 数字式影像工具显微镜上测量。切屑微观形貌在奥地利徕卡公司的MeF-3 型（放大倍数从40 到1500）高温金相显微镜下进行观察，样件用环氧树脂固化、抛光、腐蚀（3%的硝酸酒精），如图2 所示。

图1 试验原理图Fig.1 Schematic of the Experiment Setup

图2 切屑试样Fig.2 A Specimen of the Chips

表1 铣削参数Tab.1 Cutting Parameters Used in the Experimen

表2 工件材料的机械物理性能Tab.2 The Mechanical And Physical Properties of Workpiece Materials

3 试验结果

3.1 高速铣削淬硬钢的宏观切屑形态

对试件进行高速铣削实验，测量其切屑宏观形态分别，如图3～图6 所示。切屑端面形貌，如图7～图9 所示。图中未注标尺长度单位为1mm。

图3 高速铣削3Cr2Mo（31HRC）钢的宏观切屑形态Fig.3 Macro Chip Generated in High Speed Milling of 3Cr2Mo Steel at 31HR（ap=1mm，ac=1mm，fz=0.1mm/z）

图4 高速铣削3Cr2Mo（42HRC）钢的切屑形态Fig.4 Macro Chip Generated in High Speed Milling of 3Cr2Mo Steel at 42HRC

图5 高速铣削45（42HRC）钢的宏观切屑形态Fig.5 Macro Chip Generated in High Speed Milling of 45 Steel at 42HR（ap=1.5mm，ac=1.75mm，fz=0.1mm/z）

图6 高速铣削45（52HRC）钢的宏观切屑形态Fig.6 Macro Chip Generated in High Speed Milling of 45 Steel at 52HRC（ap=1mm，ac=1mm，fz=0.1mm/z）

3.2 高速铣削淬硬钢的微观切屑形态

图7 高速铣削3Cr2Mo（42HRC）钢时的切屑端面形态Fig.7 Micro Chip Generated in High Speed Milling of 3Cr2Mo Steel at 42HRC（ap=1.5mm，ac=1.75mm，fz=0.1mm/z）

图8 高速铣削45（42HRC）钢时的切屑端面形态Fig.8 Micro Chip Generated in High Speed Milling of 45 Steel at 42HRC（ap＝1.5mm，ac=1.75mm，fz=0.15mm/z）

图9 高速铣削3Cr2Mo 钢时的锯齿型切屑Fig.9 Serrated Chip Generated in High Speed Milling of 3Cr2Mo Steel

4 试验结果分析与讨论

4.1 切屑宏观形态的演变及分析

对于3Cr2Mo 钢而言，从图3、图4 可看出，切屑宏观形态随切削速度的增加，切屑的卷曲程度经历了从大到小的演化过程，对于31HRC 的3Cr2Mo 钢而言，当切削速度达到754m/min 及以后，切屑表现得更为平坦，有的切屑甚至产生了碎断的情况。而对于42HRC 的3Cr2Mo 钢，切屑形态随切削速度的增加，从一开始，切屑的卷曲程度就小，相比之下，切屑从卷曲到平坦的演变不是很剧烈。

由此可得出，同样的切削条件，硬度的增加，切屑的卷曲程度减小，切屑的整体变形减小，而切屑的剪切局部化加强。

对比图4（a）和图4（b），切屑的厚度对切屑形态的影响，切屑厚度愈大，也即每齿进给量即切削宽度愈大切屑卷曲越严重。

对于45#钢，从图5 和图6 可看出，切屑的卷曲程度随切削速度的增加变化不太明显，这和材料本身的机械物理性能有关。和3Cr2Mo 钢相比，同样切削条件下，45 钢由于热传导率高，屈服强度低，切屑不易于产生剪切局部化，热软化作用不强所致。

对于切屑的底面和自由表面，不管切屑是卷曲的还是平坦的，在所试验的切削条件下，所获得切屑的底面都是光滑的，自由表面是随着切削速度的增加，从光滑向粗糙表面演化，如图7、图8 所示。

对比图7 和图8，由于工件材料的不同，切屑的自由表面表现出很大的不同，都是随着切削速度的增加而变得越来越粗糙。对于3Cr2Mo 钢，同样切削条件下，自由表面相对粗糙，并随着切削速度的增加，粗糙程度越来越大，并最终形成明显均匀的锯齿形切屑（如图8 中最右边图），由于铣削所形成的切屑，是厚度从最大逐步变成零的过程，也可以看出切削厚度对锯齿形切屑的影响程度，从图中并没有看出切屑厚度对锯齿形切屑产生了很大的影响，或者说，其影响程度远远小于切削速度这一参数。同时也可看出，切屑厚度随切削速度的增加而变薄，切屑由整体均匀变形的带状切屑向锯齿形切屑转变，也即切屑变形向着局部剪切化变形而演化。

4.2 切屑微观形态的演变及分析

在使用圆柱立铣刀进行的高速端铣试验中，硬度为31HRC的3Cr2Mo 钢，在切削速度为848m/min 及942m/min 时形成了带有明显绝热剪切带的锯齿形切屑，而硬度42HRC 的3Cr2Mo 钢，在754m/min 及以上，即形成了带有明显绝热剪切带的锯齿形切屑，如图9 所示；而对于45 钢，在所试验的切削条件下，并没有发现带有绝热剪切带的锯齿形切屑，需要说明的是，对于硬度为52HRC 的45 钢，试验速度只达到678m/min，而没有达到942m/min 或更高，这是由于采用的刀具承受不了这个切削速度下的切削温度所致。

在其后用球刀高速端铣硬度52HRC 的45 钢时，在切削速度达到816 m/min 时，发现了带有明显绝热剪切带的锯齿形切屑，如图10 所示。球刀切削刃为圆弧刃，在靠近刀尖处区域，主偏角较小，对切屑的挤压作用加强，容易形成锯齿形切屑。仔细观察这个图片，也发现了一些值得深思探讨的问题，在靠近绝热剪切带的自由表面处，都有明显的裂口，裂纹的方向并不像通常所认为的是沿绝热剪切带方向，且裂口也并没有向刀尖处进一步扩展而形成锯齿形切屑，而是在靠近其后部，由于变形剪切局部化而形成了较为明显的绝热剪切带。探究其原因，由于工件材料热处理硬度较高，在刚开始形成切屑时，由于工件材料表面脆性较大，产生了裂纹，但随着切削温度的升高，热软化加强，绝热剪切占了主导地位，裂纹不再进一步扩展，而形成光学照片上所看到的裂纹与绝热剪切同时发生的状况，即开始遵从脆性断裂理论[9]，其后遵从绝热剪切理论[10]，但最终是绝热剪切占了主导地位。进一步地，如果工件材料的硬度进一步提高，达到60HRC 以上，像轴承钢，锯齿形切屑的形成机理将会更倾向于周期性脆性断裂理论。

图10 球刀高速铣削钢时切屑显微照片Fig.10 Serrated Chip Generated in High Speed Ball Milling 45 Steel（ap=3mm，ac=1mm，fz=0.1mm/z）

再进一步地观察图10 中四个切屑节块间的绝热剪切带，最右边的第一个节块和它相邻的节块间产生了两个绝热剪切带，沿裂纹扩展方向的绝热剪切带虽然贯串了整个切屑，但最终切屑还是沿其左边的剪切带变形而形成锯齿形节块。

4.3 切屑形态整体演变

从以上分析，高速端铣淬硬钢所产生的切屑形态可以分成以下几种，如图11 所示。各种类型切屑的形成，取决于工件材料的机械物理性能（特别是硬度、屈服强度、热传导率）、切削参数（尤其是切削速度）、刀具材料及几何参数（尤其是刃型、刀具角度）。工件材料越硬、热传导率越低、切削速度越高、切屑厚度越薄，越容易形成平坦而带有绝热剪切带的锯齿形切屑；反之，越容易形成卷曲而平滑的带状切屑。