高速铣削20CrMnTi 淬硬钢切削力的试验研究

赵浩男 金成哲 张文瑞

（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159）

淬硬钢因其良好的机械和物理性能，在汽车制造业、模具加工等行业具有广阔的使用前景。但在实际生产实践中，淬硬钢加工难度大是一个严峻的问题。相关研究显示，在对难加工材料淬硬钢件进行加工时，由于刀具极易出现微崩现象，从而导致刀具失效，进而影响其使用寿命[1]，因此有必要对其进行深入研究和分析。

目前，国内外众多学者对于淬硬钢切削加工进行一些研究，杜凯等[2]通过淬硬45CrNiMoVA 钢进行硬车削的研究，在硬车削加工中，当切削深度和进给量都增加时，切削力也同样会增加，但是切削速度的改变对切削力的影响不够明显。张鹏等[3]根据涂层PCBN 刀具对淬硬模具钢（Cr12MoV）进行切削试验，运用极差分析方法，得出切削深度对切削力影响最为明显。吴世雄等[4]通过液氮冷却下的淬硬钢高速切削研究，通过与干切削比较，得出液氮切削下的切削力增加了10.1%～12.8%。刘献礼等[5]以汽车覆盖件模具常用材料淬硬钢 AISI D2 为研究对象，研究速度效应对淬硬钢 AISI D2 材料最小切削厚度的影响规律，结果表明：在所选切削参数范围内，温度效应对淬硬钢 AISI D2 材料成屑的影响大于应变率效应的影响，此时随着切削速度的增加，最小切削厚度值增大。高江雄等[6]采用6 种具有相同涂层和不同刃口倒棱结构的硬质合金数控铣刀，采用正交实验方法，对S136 淬火模具钢进行了切削加工，并对其切削性能进行了分析。实验结果表明：在刀片倒棱角度a1=-15°、倒棱宽度ba1=0.1 mm 时，刀具的切削合力是最小的。唐林虎等[7]通过PCNB 刀具低中高速干式硬态车削高硬高强高耐磨淬硬钢的车削试验，揭示了切削速度对切削力的影响规律，试验结果表明：径向力最大，主切削力次之，进给力最小。邬再新等[8]采用了一种正交实验的方法，使用数据仿真软件，对PCNB 刀具加工50 HRC 淬硬钢过程中的切削力和切削温度进行仿真，计算出了最优刀具几何参数和切削参数。Konig W 等[9-10]进行了淬硬钢切削试验，首先使用了陶瓷刀具进行切削加工。实验结果表明：轴向切深会使各个方向的切削分力增加，但是轴向切深对各个分力的影响程度有所区别，主切削力是受其影响程度最大的分力；进给量对各切削分力的影响程度无明显区别，各方向的切削力均随进给量增加而增大。研究同时使用了PCBN 刀具进行了切削试验，与陶瓷刀具的结果进行对比分析，得出的结论与陶瓷刀具的影响趋势一致。Karel O 等[11]通过立方氮化硼加工淬硬钢100Cr6 试验，测量12 种切削条件下的切削力，根据获得的数据构建具有适当常数和指数的结构方程，该实验证实了当用立方氮化硼车削淬硬钢时，平均算术轮廓偏差Ra 值在0.3～0.4 μm的可能性。Markopoulos A P 等[12]通过研究了槽铣试验，对获得的实验结果进行了回归分析，并导出了表面粗糙度、切削力、切削功率和加工成本的非线性数学方程，具有高的确定系数（R2=90.62%～98.74%）。当开槽铣削AISI O1 工具钢时，获得了设计变量的最佳和稳定水平的可持续性评估模型。Vallabh D 等[13]采用全因素法设计，在不同的车削速度、进给量、刀尖半径条件下，对淬火AISI D2钢（国内对应牌号为Cr12MoV）进行了CBN 刀具精车试验。在实验结果的基础上，建立了切削力与切削速度、进给量和刀尖半径的函数关系的经验模型。

综上所述，国内外学者对淬硬钢不同加工方法下的切削力进行了一系列的研究，但关于20CrMnTi淬硬钢铣削试验方面的研究还较少，因此本文采用四刃CBN 直柄平底立铣刀刀具在不同切削参数条件下铣削材料为20CrMnTi 淬硬钢的工件，通过对切削力的极差分析，以及单因素法，得出了最优切削参数以及切削参数对切削力的影响规律，为实际生产实践中切削20CrMnTi 淬硬钢的切削参数的选择提供了数据基础。

1 试验条件及方案

1.1 工件材料

试验所选用的20CrMnTi 淬硬钢作为工件材料，20CrMnTi 淬硬钢常用于轴类、活塞类制造以及航空工业中特殊零件的加工制造。其主要化学元素含量成分见表1，工件尺寸为200 mm×50 mm×20 mm，如图1 所示。

图1 20CrMnTi 淬硬钢试验工件

表1 工件材料20CrMnTi 化学成分

1.2 刀具材料

本次试验选择的刀具为四刃焊接式CBN 直柄平底立铣刀，刀具型号为BN-2000，刀具直径为6 mm，刀具总长为60 mm，如图2 所示。

图2 四刃焊接式CBN 直柄平底立铣刀

1.3 试验设备

试验机床为VMC850E 立式数控加工中心，如图3 所示。

图3 VMC850E 立式数控加工中心

选择Kistler 9123 C 1011 的测力仪来采集切削力，与电荷放大器和数据采集卡一起使用，将采集的信号输入DynoWare 测力软件完成对切削力的数据分析，试验装置如图4 所示。

图4 切削力采集试验装置图

DynoWare 切削力处理软件功能丰富强大，可以对采集到的各个方向切削分力进行特定区间求平均值，也能求观测区间内的最值，对切削力信号进行滤波和去漂移处理。图5 所示切削参数为vc=50 m/min、fz=0.09 mm/z、ap=0.5 mm 时切削力原始数据。

图5 DynoWare 软件铣削力原始数据

以图5 所示切削参数（vc=50 m/min，fz=0.09 mm/z，ap=0.5 mm）条件为例，用Dynoware 切削力分析软件来研究X方向铣削力Fx和Y方向铣削力Fy。图6所示为稳定切削时各切削分力随时间变化的周期信号图，可以观察到，切削分力Fx和Fy也随着铣削加工的进行呈周期性变化，这是因为铣削加工与车削加工过程不同，车削加工时车刀和工件保持一直接触的切削转态，而铣削加工为断续加工，有显著的刀齿切入和切出的现象，而且切削力也会随着刀齿的切削过程而改变，在每个铣削周期内铣削力都会经历从最小值增加到最大值，再由大到小的过程。

图6 切削力信号图

1.4 正交试验方案设计

本次试验采用正交试验法设计铣削试验切削参数，见表2，采用逆铣铣削加工方式。

表2 正交试验参数表

2 试验结果及分析

2.1 切削力Fx 极差分析

对铣削淬硬钢加工试验的切削力Fx进行极差分析[14]，得到铣刀铣削加工试验切削力Fx极差分析表，见表3。

表3 铣削加工试验切削力Fx 极差分析

从表3 极差分析可知，铣削深度ap是铣削加工淬硬钢试验时切削力Fx的首要影响因素，影响较小的是每齿进给量fz，影响最小的是切削速度vc。对于铣削加工淬硬钢试验来说，从考虑切削参数对切削力Fx的影响角度来看，选择合适的铣削深度是首选，然后再考虑选择进给量，最后才是切削速度，这样对切削力Fx的影响才能得到有效的降低。根据表3 极差分析得出的结果，从对切削力Fx的影响来看，将vc=100 m/min、fz=0.05 mm/z、ap=0.3 mm作为切削参数优化方案的组合。

2.2 切削力Fy 极差分析

对铣削淬硬钢加工试验的切削力Fy进行极差分析，得到铣削加工试验切削力Fy极差分析表，见表4。

从表4 极差分析得到，铣削深度ap是铣削加工淬硬钢试验时切削力Fy的首要影响因素，影响较小的是切削速度vc，影响最小的是每齿进给量fz。对于铣削加工淬硬钢试验而言，从切削参数对切削力Fy的影响角度来看，合适的铣削深度ap是首选，然后再考虑降低切削速度vc，最后再考虑每齿进给量fz，这样对切削力的影响可以得到有效的降低。根据表4 极差分析得出的结果，从对切削力Fy的影响来看，将vc=50 m/min、fz=0.05 mm/z、ap=0.3 mm作为切削参数优化方案的组合。

2.3 切削参数对切削力的影响

2.3.1 切削速度对切削力的影响规律

为了研究切削速度对切削力的影响规律，应排除其他因素对实验结果影响，在试验过程中每齿进给量、铣削深度及其他参数保持不变，只改变切削速度的大小，切削速度分别选择50 m/min、75 m/min、100 m/min、125 m/min 和150 m/min。设定进给量fz=0.05 mm/z，铣削深度ap=0.3 mm。表5 为不同切削速度对应的切削力Fx和切削力Fy。

表5 不同切削速度对应切削力Fx 和Fy

CBN 刀具在切削淬硬钢时，其切削力Fx和Fy与切削速度的关系如图7 所示，可以看出，在切削速度由小到大的过程中，切削力Fx和Fy呈现出与之相反的趋势，也就是随着切削速度的增大而降低，其中切削力Fy下降的趋势更为明显，而切削力Fx随着切削速度的增加而变化的幅度相对较小。对导致这一现象的原因进行了分析：当切削速度大幅增加时，变形区内的温度大幅升高，材料的软化作用增强而硬化作用减弱；当达到绝热剪切条件之后，金属材料内部出现绝热滑移，导致切削力减小。

图7 切削速度对切削力的影响

2.3.2 每齿进给量对切削力的影响规律

为了研究每齿进给量对切削力的影响规律，应排除其他因素对实验结果影响，在实验过程中切削速度、铣削深度及其他参数保持不变，只改变每齿进给量的大小，每齿进给量分别选择0.05 mm/z、0.07 mm/z、0.09 mm/z、0.11 mm/z 和0.13 mm/z，设定其中切削速度vc=50 m/min，铣削深度ap=0.3 mm。表6 为不同每齿进给量对应的切削力Fx和切削力Fy。

表6 不同进给量对应切削力Fx 和Fy

CBN 刀具在切削淬硬钢时，其切削力Fx和Fy与每齿进给量的关系如图8 所示，可以看出，当每齿进给量由0.05 mm/z 增至0.13 mm/z 时，切削力Fx和Fy均呈上升趋势。产生这种现象的原因是：随着每齿进给量的增大，会使铣刀每转去除工件材料的厚度与面积增大，铣刀克服工件材料塑性变形的阻力增加，进给量的增加还会使切屑与工件分离所需要的摩擦力增加，并使工件与刀具间的摩擦增加，从而使切削力提高。

图8 进给量对切削力的影响

2.3.3 铣削深度对切削力的影响规律

为了研究铣削深度对切削力的影响规律，应排除其他因素对实验结果影响，在实验过程中切削速度、每齿进给量及其他参数保持不变，只改变铣削深度的大小，铣削深度分别选择0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm 和0.7 mm，设定vc=50 m/min、fz=0.05 mm/z。表7 为不同铣削深度对应的切削力Fx和切削力Fy。

表7 不同铣削深度对应切削力Fx 和Fy

CBN 刀具在切削淬硬钢时，其切削力Fx和Fy与铣削深度的关系如图9 所示，可以看出，当铣削深度增大时，切削力Fy会快速上升，切削力Fx虽然也呈上升趋势，但是增长速率低于Fy。产生这种现象的原因是：随着铣削深度的不断增大，刀具在去除工件材料时所受的阻力增加，并且因为淬硬钢材料本身硬度大，切削过程中由于刀具与工件之间的作用力的增强，使得接触区域的摩擦变得更大，从而使切削力变得更大。

图9 铣削深度对切削力的影响

3 结语

（1）通过极差分析得出铣削深度ap是铣削加工淬硬钢试验时切削力Fx的首要影响因素，其次是每齿进给量fz，最后是切削速度vc。同样铣削深度ap也是切削力Fy的首要影响因素，其次是切削速度vc，每齿进给量fz的影响最小。

（2）由极差分析得出，从对切削力Fx的影响来看，将vc=100 m/min、fz=0.05 mm/z、ap=0.3 mm作为切削参数优化方案的组合。从对切削力Fy的影响来看，将vc=50 m/min、fz=0.05 mm/z、ap=0.3 mm作为切削参数优化方案的组合。

（3）切削力Fx和Fy随着切削速度从50 m/min增加到150 m/min 整体趋势上均减小；每齿进给量fz随着从0.05 mm/z 增至0.13 mm/z 时，切削力Fx和Fy均增加；切削力Fy随着铣削深度从0.3 mm 至0.7 mm 迅速增加，切削力Fx虽然也增加，但增长速率低于Fy。