高速铣削AF1410高强度钢的实验研究*

王 曦 黄树涛 许立福 张玉璞 于晓琳

(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

高强度钢具有高强度、高硬度、高韧性和导热率低等特点，广泛应用于兵器、汽车和航空航天等领域，如用于制造汽车悬架、飞机起落架等关键部件[1-2]，在显著降低零部件重量的同时能够提高零件使用性能和可靠性。但高强度钢切削加工过程中存在切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、加工表面质量差和加工效率低等问题[3]，属于典型的难加工材料。

针对高强度钢的加工难点，国内外学者展开了广泛研究。Khawaja H等人[4]研究了MQL和切削液浇注2种润滑方式下高速铣削15CDV6低合金高强度钢的加工表面质量。Le G等人[5]发现低温切削35CrMnSiA高强度钢，能够有效降低加工表面残余应力、粗糙度与显微硬度。Jiang H W等人[6]研究涂层微槽车刀加工高强度合金钢的残余应力分布规律，发现刀具前刀面的微槽能够增加表面层材料的厚度与残余应力的最大值。Ajaja J 等人[7-8]基于PCA的GRA优化方法对硬态切削300M超高强度钢表面粗糙度进行优化，优化结果显著降低了加工表面粗糙度，随后的研究发现300M高强度钢硬态车削条件下的表面粗糙度与疲劳寿命之间存在着显著的相关性。Yang Z C等[9]人研究了铣削参数对高速铣削16Co14Ni10Cr2Mo超高强度钢表面完整性的影响规律，结果表明表面粗糙度随着铣削速度和每齿进给量的提高而降低。张慧萍等人[10]通过仿真分析发现切削300M超高强度钢时刀具增大前、后角能够降低刀具与工件切屑之间的磨损，能够降低切削温度。Akbar F等人[11]提出了一种切削热分布模型，以AISI 4140高强度低合金钢为研究对象，通过实验验证了该模型能够准确预测刀具与切屑之间的温度，精度在-0.8%～6.3%。房友飞[12]研究了300M超高强度钢车削时自组织结构与切削温度的关系，发现400 ℃左右自组织结构最易生成，且生成的自组织结构有利于降低切削温度，提高刀具耐磨性。程红玫等人[13]对比了高强度钢切削温度的仿真值与实验值，发现实验值由于是热像仪测出的场温度对比仿真值偏低。Guo C S等人[14]基于仿真分析发现300M超高强度钢，切削温度随着切削参数提高而提高，切削宽度对切削温度影响最为显著。罗智文等人[15]研究58SiMn高强度钢车削时发现进给量的提高导致了切削力的上升会引起切削温度的上升。

综上，对高强度钢研究主要集中于表面质量变化规律以及切削温度受刀具结构、切削参数等因素的影响规律。缺少对高速切削高强度钢时切削力、切削温度以及刀具磨损受切削长度变化的影响规律研究。本文从实现高强度钢长时间稳定高速切削的实际出发，以AF1410高强度钢为研究对象，使用测力仪、红外热像仪和超景深显微镜等分析涂层硬质合金铣刀高速铣削AF1410高强度钢时的刀具磨损、切削力、切削温度以及已加工表面粗糙度的变化规律，为高速铣削高强度钢提供实践支持与理论参考。

1 实验条件及方案

工件材料为AF1410高强度钢，化学元素成分如表1所示，机械物理性能如表2所示。实验刀具为机夹单刃立铣刀，铣刀直径d=12 mm，刀片几何角度如表3所示，涂层为TiCN和Al2O3CVD涂层组合。

表1 AF1410化学元素表[16]

表2 AF1410机械物理性能表[17]

表3 刀具几何参数表

高强度钢的传统切削加工切削速度较低，一般多为10～30 m/min，加工效率低，表面质量不易控制。本研究采用高速铣削的工艺方法，使用涂层硬质合金刀具对AF1410进行高速铣削。切削参数如表4所示，实验系统如图1所示，机床采用沈阳机床集团生产的立式加工中心，主轴转速50～8 000 r/min；刀具后刀面磨损量测量使用基恩士集团生产VHX-1000C型超景深显微镜；切削力测量使用Kistler集团生产的9123C型旋转测力仪；切削温度记录采用Fluke公司生产的tix 660红外热像仪，量程-40 ℃～1 200 ℃；粗糙度测量使用时代集团生产的TIME3200型粗糙度仪，量程Ra0.025～12.5 μm，分辨率为0.001 μm，误差≤10%。切削实验在干式逆铣条件下进行。

表4 实验参数表

实验的切削长度L计算式：

(1)

式中：L为切削长度；d为刀具直径；La为刀具中心走刀距离。

2 实验结果及分析

2.1 切削长度对刀具磨损的影响

图2所示为Vc=270 m/min；fz=0.02 mm/z；ap=0.5 mm；ae=10 mm干式逆铣的切削条件下，不同切削长度时后刀面的磨损形貌。从图中看出随着切削长度的增加，刀具后刀面磨损区域逐渐变宽，在不同切削长度除了正常的磨损外，在刀刃上还出现了微小崩刃，在微小崩刃初期产生时尺度很小(图2b)，随着切削距离的增加，刀具磨损加大，微小崩刃也有所增大(图2d)。切削过程中发生了被切削材料在刀刃及前、后刀面的粘附 (图2c)；显然，这种金属粘附一方面减小了刀具的磨损，另一方面，在长时间的切削过程中，金属粘附的频繁脱落也是造成刀刃微小崩刃的原因。

图3为铣削到4 309 m时刀尖部位(图3a)与前刀面(图3b)的磨损区域形貌。从图中可以看出，在刀具前、后刀面均发生了金属粘附，除正常粘附的金属外，还粘附有切屑断裂后残留的根部。由于AF1410高强度钢中含有大量的Ni元素，在提高工件材料的强度、硬度的同时也降低导热系数[18]。导致材料切削过程中切削摩擦区与剪切区产生的大量热量，不能及时扩散。在高速切削条件下，切削剪切滑移区以及前后刀面摩擦区产生的大量热量聚集使的这些局部区域金属软化，并在切削压力和摩擦力的作用下，发生金属粘附，当铣刀切出后，粘附金属硬化，并在后续的切削过程中成为新的金属粘附的基础。

使用超景深显微镜测量后刀面磨损区域最大磨损量，得图4所示后刀面磨损量VBmax随切削长度的变化曲线。从图中看出切削长度为0～2 155 m时磨损速率较快，为初期剧烈磨损阶段。当切削长度达到2 155 m后，也即切削长度为2 155～5 543 m时刀具磨损速率相对稳定，持续时间也相对较长。铣削结束后，切削长度达到5 543 m时，后刀面最大磨损量为142 μm。

2.2 切削长度对切削力变化的影响

图5为Vc=270 m/min、fz=0.02 mm/min、ap=0.5 mm、ae=10 mm、干式逆铣切削条件下，切削力在切削初期(切削长度为163 m(图5a))、切削中期(切削长度为3 038 m(图5b))、切削末期(切削长度为5 543 m(图5c))时取0.1 s时间段的切削力载荷变化曲线。在该条件下，切削力随着刀具的切入、切出工件周期性波动。从图中看出，无论刀具磨损阶段处于何时，径向力Fr由于受到剪切分力、切削层对后刀面的挤压的共同作用，其最大值Frmax最大，最大值的平均值在切削初期、中期、末期分别为182.74 N、271.9 N、301.15 N；轴向力Fz主要受剪切区分力以及已加工表面对副切削刃的挤压作用，其最大值Fzmax相对Frmax要小，最大值平均值在切削初期、中期、末期分别为127.16 N、181.94 N、235.57 N；切向力Ft主要包含剪切分力和切削层对后刀面的摩擦力，一方面，从实验现象分析，图6所示切屑表面由致密剪切滑移导致的锯齿状，说明切削过程中出现绝热剪切效应，切削高温主要聚集在剪切区，高切速导致切削时间降低、切削热不能及时扩散[19-20]，剪切区的高温软化使剪切力大幅下降；另一方面，由于切削深度ap较小，后刀面所受的摩擦力也较小，特别是由于切削深度ap小于刀尖圆弧半径，作用于圆弧刀刃上的轴向分力较大，使得轴向切削分力大于切向力，因此切向力的最大值Ftmax在3个分力中最小，在切削初期、中期、末期最大值的平均值分别为102.80 N、116.23 N、134.94 N。

将不同切削长度下测得的切削力信号去漂移后截取0.1 s内的切削力，求取每个切削周期的最大值的平均值作为不同切削长度下的切削力最大值，得切削力随切削长度的变化，如图7所示。从图中可以看出，随着切削长度的增加，切削力逐渐变大，其中径向力Frmax从182.74 N增至301.15 N，轴向力Fzmax从127.16 N增至235.57 N，切向力Ftmax从102.80 N增至134.93 N。径向力Frmax与轴向力Fzmax增幅分别为118.41 N和108.41 N，增幅较大；切向力Ftmax增幅最小，仅为32.12 N。这是由于高速铣削AF1410高强度钢时，随着切削长度的增加，刀具后刀面磨损加大，切削层和已加工表面对刀具主副切削刃的挤压作用加强，因此径向力Frmax与轴向力Fzmax的增幅加大，而切向力虽然也有增加，但由于切削深度小，摩擦力较小，而且由于切削温度较高，与后刀面接触的切削层软化，进一步减小了摩擦力的增加幅度。

2.3 切削长度对切削温度场的影响

图8为在Vc=270 m/min；fz=0.02 mm/z；ap=0.5 mm；ae=10 mm干式逆铣切削条件下，切削长度为4 200 m时使用红外热像仪测得的切削温度场。从标记的温度值可以看出，在跟随刀具刚刚切出的切屑温度为整个切削温度场温度最高点，达到了465.1 ℃；而工件已加工表面的切削温度较低，仅为72.9 ℃左右，这是因为高速切削时切削速度高，而AF1410中Ni元素含量较高，导致材料的热导率较低[18]，切削高温主要集中在剪切滑移区[21]，大量切削热随切屑飞溅扩散，导致了已加工表面的温度远低于高温区域的最高温度。切屑在切出工件后，飞溅过程中温度逐渐扩散，降低为373.4 ℃，小于刚切出工件时的温度。

图9所示为不同切削长度下的切削温度场变化云图，从图中看出，随着切削长度的增加，高温区域逐渐变大，温度逐步升高。其中切屑刚刚切出点温度变化最大，由切削长度为323 m时的280.7 ℃升至切削长度为5 543 m时的486.7 ℃，增幅明显，这主要是由于随着切削距离的增加，刀具磨损变大，切削区的挤压摩擦作用加大造成的；而已加工表面温度受到绝热剪切效应的作用，测得温度仅从48.1 ℃升至81.5 ℃，变化幅度不大。

对不同切削长度下记录的切削温度数据，随机标记3个时刻高温区域切屑刚切出工件位置的最高温度(Tcmax)以及已加工表面温度(Tms)分别取平均值，得图10所示温度(Tcmax、Tms)变化曲线。图中切屑刚切出工件位置的温度(Tcmax)随着切削长度的增加逐渐升高，从278.1 ℃升至482.4 ℃，这是因为增大的切削力升高了刀具后刀面与过渡表面间挤压、摩擦发热以及刀具磨钝之后的剪切变形热，致使切削温度(Tcmax)上升；对比之下，已加工表面温度Tms温度稳定在50 ℃～90 ℃范围内受切削长度的变化影响不大。

2.4 已加工表面粗糙度随切削长度的变化

在不同切削长度下，任取5个位置测量已加工表面的粗糙度Ra取平均值，作为不同切削长度下已加工表面粗糙度值，得图11所示已加工表面粗糙度(Ra)随切削长度的变化曲线。从图中可以看出整个切削过程中已加工表面粗糙度稳定。虽然随切削长度变化有一定的波动，但变化幅度不大，获得了较好的表面粗糙度。

3 结语

本文针对高强度钢的传统切削加工，加工效率低的问题，使用涂层硬质合金刀具对AF1410高强度钢进行高速铣削实验。研究其高速切削高强度钢时的刀具磨损、切削力、切削温度以及已加工表面粗糙度的变化规律，得到如下结论：

(1)高速铣削AF1410时，刀具前后刀面存在较多的被加工材料粘附，刀具磨损形态主要表现为后刀面的正常磨损和刀刃的微崩，以TiCN和Al2O3组合的CVD涂层刀具可以适应AF1410高强度钢的长时间稳定切削。

(2)在本文实验条件下，高速铣削AF1410高强度钢时，径向力Fr最大、轴向力Fz次之、切向力Ft最小。随着切削长度的增加，径向力Fr、轴向力Fz和切向力Ft均有增加，其中径向力Fr与轴向力Fz的增幅较大，切向力Ft变化较小。

(3)高速铣削过程中，随着切削长度的增加，刚被刀具切出的切屑温度逐渐上升，对比之下，由于绝热剪切效应的作用，工件已加工表面温度的增幅较小。

(4)使用TiCN和Al2O3组合的CVD涂层刀具长时间高速铣削AF1410高强度钢时，可以获得较好的已加工表面粗糙度，已加工表面粗糙度随切削长度的变化波动较小。