整體硬質合金球頭銑刀銑削典型模具鋼4Cr5MoSiV1特性實驗研究

楊小璠 劉菊東 李凌祥 何耿煌

摘?要：以典型熱作模具鋼4Cr5MoSiV1銑削過程為研究對象，采用雙刃球頭銑刀進行高速銑削實驗。通過在不同刀具懸伸L和主軸轉速n條件下，采用激光位移傳感器測定刀具的切削振幅A，同時借助高速攝影系統和3D測力儀實時監測切削過程中銑刀的工作狀態，并結合高精度光學掃描系統獲取工件已加工表面和刀具磨損區域介觀形貌特征，最終獲取球頭刀銑削4Cr5MoSiV1的特性規律曲線。研究表明：直徑Φ20的球頭刀在銑削4Cr5MoSiV1時，切削振幅A、粗糙度Ra和刀具磨損w三個要素的變化與刀具懸伸L、主軸轉速n并非為簡單的線性關系，尤其是切削振幅A和粗糙度Ra這兩個要素在走刀方向上更是呈現出以某一恒定值為中心上下波動的狀態。此外，研究還發現刀具懸伸L并非越短、主軸轉速n越高切削越平穩，針對特定直徑的球頭刀兩者均存一個可實現切削狀態最優化的數值，而這個數值可以通過空載標定結合切削實驗測出。

關鍵詞：整體硬質合金刀具;模具鋼;球頭刀;銑削;切削振幅

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.011

中圖分類號：?TG501

文獻標志碼：?A

文章編號：?1007-2683（2020）03-0068-07

Abstract：The?milling?process?of?4Cr5MoSiV1，?a?typical?hot?work?die?steel，?is?taken?as?the?research?object.?The?high?speed?milling?experiment?is?carried?out?with?the?double?edge?ball?head?milling?cutter.?The?laser?displacement?sensor?is?used?to?measure?the?cutting?amplitude?A?of?the?tool?under?the?different?condition?of?tool?overhang?L?and?spindle?speed?n.?At?the?same?time，?with?the?help?of?high-speed?photography?system?and?3D?force?measuring?instrument，?the?working?state?of?milling?cutter?in?the?cutting?process?is?monitored?in?real?time.?Combined?with?the?high-precision?optical?scanning?system，?the?mesoscopic?morphology?characteristics?of?the?machined?surface?and?tool?wear?are?obtained.?Finally，?the?characteristic?curve?of?4Cr5MoSiV1?milled?by?the?ball?head?cutter?is?obtained.?The?results?show?that?when?milling?4Cr5MoSiV1?with?a?20mm?diameter?ball?head?cutter，?the?variation?of?the?three?elements?of?the?cutting?amplitude?A，?the?roughness?Ra?and?the?tool?wear?w?is?not?a?simple?linear?relationship?with?the?tool?overhang?L?and?the?spindle?speed?n.?In?particular，?the?cutting?amplitude?A?and?roughness?Ra?show?a?state?of?fluctuation?up?and?down?with?a?constant?value?as?the?center?in?the?cutting?direction.?In?addition，?it?is?also?found?that?the?cutting?is?not?more?stable?when?the?tool?overhang?L?is?shorter?and?the?spindle?speed?n?is?higher.?For?ball?end?mill?of?a?specific?diameter，?both?of?them?have?a?value?that?can?optimize?the?cutting?state，?and?this?value?can?be?measured?by?no-load?calibration?and?cutting?experiments.

Keywords：solid?carbide?tool;?die?steel;?ball-end?mill;?milling;?cutting?amplitude

0?引?言

熱作模具鋼4Cr5MoSiV1是在碳素工具鋼的基礎上加入合金元素冶煉而成的鋼種，其對應的國外牌號有：美國的H13、日本的SKD61、一勝百的8407、韓國的STD61以及瑞典的2242等[1]。與其它合金鋼相比，由于其具有機械強度高、抗高溫裂紋性能強及淬透性能好等優點而成為模具、切削工具及承力結構件等領域不可或缺的材料，被廣泛應用于壓制模具、鍛造模具、金屬切削刀體、抗壓支撐等部件的制造[2]。

熱作模具鋼4Cr5MoSiV1是典型的中等難加工材料之一，主要表現在切削過程中切削高溫易使其硬度急劇下降，因此，斷屑困難、加工表面質量差及刀具壽命短等問題十分突出[3]。此外，此種材料在經過切削加工后已加工表面易出現硬化層和殘余應力，而硬化層和殘余應力對零部件的低周循環強度和持久強度有著顯著的不利影響[4]。因此，以高效切削技術為基礎，從刀具應用技術方面進行研究是實現此類合金鋼高品質加工較為直接和有效的措施之一。

近年來國內外對熱作模具鋼4Cr5MoSiV1的切削加工已經進行了大量的系統性研究工作，實際生產也積累了豐富的切削加工經驗，尤其是對4Cr5MoSiV1的物理性能及切削過程中熱-力載荷等方面的研究更是已經形成了一整套完善的切削數據資料。國外學者Halil?Demir和Süleyman?Gündüz[5]研究了熱處理對AISI?H13熱作模具鋼組織和加工性能的影響，其采用車削法，在不同切削速度vc下進行加工試驗，研究發現熱處理條件和切削速度對試樣表面粗糙度有影響，但切削力除水淬試樣外，不受鋼的顯微組織和切削速度的影響;A.?S.?Awale、A.?Srivastava、M.?Vashista等[6]研究了最小潤滑量對H13熱作模具鋼表面完整性的影響，其發現與干磨相比，微潤滑磨的表面粗糙度降低了近29.88%;Daniel?Hioki和Anselmo?E.?Diniz等[7]研究了高速切削參數對AISI?H13鋼表面完整性的影響，研究表明：切削寬度ae是工件表面光潔度影響最大的要素之一，而每齒進給量fz是型腔形成過程中最重要的切削參數。此外，切削速度vc和切削深度ap對加工表面粗糙度沒有顯著影響，而切削速度vc對殘余應力的影響最大，切削深度ap對白層的形成和表面硬度的提高影響較其它參數大;O.?Olufayo和K.?Abou-El-Hossein[8]采用聲發射監測對H13模具鋼端銑刀具壽命進行預測，其從切削參數的影響來估計刀具的壽命準則，并利用高度相關的聲發射特征來監測硬質合金涂層刀具的高速端銑削H13的過程，從而達到準確預測刀具壽命的目的;R.?Ferreira，Jan?eho和Carlos?H.等[9]通過車削試驗對表面粗糙度和刀具磨損的演變規律以及刀具磨損對表面粗糙度的影響等方面進行研究。

國內學者Mei?Wang和Wei?Li等[10]進行了AISI?H13熱作工具鋼選擇性激光熔煉的高溫性能及組織穩定性方面的研究，發現采用激光熔煉的方法由于晶粒細化、固溶強化和殘余應力的作用，H13的力學性能優于鍛造的同類材料;Feng?Gong和Jun?Zhao等[11]研究了H13鋼和SKD11淬硬鋼銑削時涂層硬質合金刀具的磨損與斷裂，實驗結果表明：工件硬度對刀具失效模式有顯著影響。H13鋼在整個銑削過程中都會形成波形切屑，而SKD11淬硬鋼在銑削時，前刀面的斷裂會導致鋸齒形切屑的卷曲和分離;Hongjun?Hu和Zhiye?Zhai[12]采用有限元建模的方法進行微米級陶瓷刀具微切削H13鋼的物理場演化研究，發現在微切削過程中隨著切削速度的提高，切削力波動增大刀具磨損隨切削速度的增加而增加，刀具/工件的最高溫度存在微小差異，偏差值約為10℃;Du?Jin和Zhang?Jingjie[13]進行了涂層刀具加工H13鋼時的熱分配和前刀面溫度方面的研究，其發現隨著涂層厚度和切削速度的增加，在TiC、TiN、TiAlN、Al2O3四種涂層刀具中刀具的熱分配均呈下降趨勢，并且Al2O3涂層刀具前刀面最高;Xiaobin?Cui，Jun?Zhao和Xianhua?Tian[14]進行了CBN刀具高速銑削AISI?H13鋼的切削力、切屑形成和刀具磨損方面的研究，通過對不同切削速度下刀具磨損機理的分析，發現隨著切削速度的增加，由機械載荷引起的斷裂和碎裂對刀具磨損的影響減小，而高切削溫度加速了粘附、氧化和熱裂紋的發展。此外，切削力、切屑形成和刀具磨損之間存在明顯的相關性;山東大學的胡瑞澤、張松[15]研究了硬態銑削H13鋼表面變質層的形成機理，通過實驗發現變質層厚度越大，工件已加工表面晶粒細化程度越高，其中白層的產生會弱化晶粒細化程度;上海工程大學的信麗華，王琰，胡天宇等[16]進行了刀具因素對H13鋼切削性能的影響研究，其研究結果表明：TiAlN涂層最適合H13的切削加工;西北工業大學的李茂偉等[17-18]以2A12航空鋁銑削過程為研究對象，分析了銑刀懸伸和主軸轉速對銑削力的影響，研究表明銑削力和刀具懸伸長度沒有正比或反比關系。

綜上所述，目前針對熱作模具鋼4Cr5MoSiV1的研究主要還是集中在物理性能、切削加工硬化及刀具壽命等方面;在切削機理方面的研究多數還是以切削參數或刀具因素對加工質量的影響為主，而針對高速銑削4Cr5MoSiV1切削特性方面的研究尚少見詳細報道。因此，進行典型熱作模具鋼4Cr5MoSiV1切削實驗，分析不同工藝條件下的切削特性是一項解決實際加工問題的關鍵性技術工作。

1?銑削實驗

1.1?銑削實驗原理

選用典型熱作模具鋼4Cr5MoSiV1進行銑削實驗，采集銑刀在不同懸伸條件下振動特性和工件已加工表面粗糙度。同時，借助高速攝影系統和3D測力儀實時監測切削過程中銑刀的工作狀態，可有效避免銑刀過度磨損失效而影響實驗精度。

此外，通過圖像捕捉及切削過程載荷波形圖可有效獲取刀具懸伸變化與振動幅度大小的整個演變過程信息。最后通過高精度光學掃描系統觀測分析實驗工件已加工表面的介觀形貌特征，從而揭示不同懸伸條件下整體銑刀銑削典型熱作模具鋼4Cr5MoSiV1銑削特性。

1.2?實驗方案

切削實驗件：典型熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，化學成分和物理性能如表1和表2所示。

銑削實驗刀具：選用直徑為D=20mm的2刃球頭涂層立銑刀SH300H-BH2020。其中，切削部位均采用模具鋼銑削專用切削刃設計;刀具涂層為模具鋼專用牌號TiAlCrSiN。在切削實驗開始前預先標定實驗工件和實驗刀具的熱力學數據，目的是為了降低刀具材質與工件材質熱力學差異性、刀具基體的抗高溫與抗磨性作用對切削區域載荷的影響;此外，還進行了銑刀在空載條件下動態特性的標定從而降低實驗過程中的干擾因素，最終實現精確分析不同懸伸球頭銑刀銑削4Cr5MoSiV1特性的目標（銑削實驗參數如表3所示）。每組實驗參數均采用多次重復實驗方式進行以有效剔除異常數據，從而達到最大限度降低系統誤差的目的。

實驗機床：福裕立式加工中心QP2033-L，工作臺尺寸為810mm×510mm;工作臺最大載荷500kg;最大行程Xmax=850mm、Ymax=530mm、Zmax=510mm;主軸最高轉速nmax=18000r/min;重復定位精度±0.003mm。

切削過程監測：切削過程機械載荷的實時監測采用Kistler?9255C多分量測力計，最大力Fmax=60KN;刀具工作狀態與切屑流監測采用MEGA高速攝影機;切削振動采用激光位移傳感器。

采樣分析：實驗工件已加工表面介觀形貌特征采用BRUKER?NPFLEX?3D光學掃描系統，系統最高垂直分辨率≤0.1nm，實驗裝置如圖1所示。

2?實驗結果分析

2.1?空載條件下的特性標定

圖2為空載條件下銑刀懸伸L和機床主軸轉速n兩個要素對刀具振幅A的影響規律曲線。

從圖2（a）可知，在主軸轉速n=6000r/min時不管是走刀方向還是切寬方向，振幅A均出現了隨懸伸L增加而先減少后增加的情況。其中，比較特殊的是在懸伸L=95mm的時候，振幅A95比在懸伸L=100mm的振幅A100大。分析其原因主要是懸伸過短的時候，刀具與刀柄系統的振幅頻率接近，空轉時系統不平穩度增加，而隨著懸伸的增加兩者的振幅頻率開始出現差異，從而使空轉振幅減少。隨著懸伸的繼續增加，此時刀柄剛性對振幅的影響程度開始增強，所以出現了振幅A隨懸伸L增加而先減少后增加的情況。

從圖2（b）可知，在懸伸L=100mm條件下，振幅A隨著轉速的增加而出現增大的情況，主要是因為轉速n越高，刀具工作端部承受的離心力越大，因此振幅A也會越大。

此外，走刀方向的振幅要大于切寬方向的振幅，主要原因是銑刀在走刀方向移動，增加了該方向的不平穩度。綜合圖2可知，球頭銑刀要在一定的懸伸和轉速的充分配合下才能表現出較高的平穩性。例如，實驗所用的Φ20其最佳懸伸長度為L=100mm。

2.2?銑削過程中的特性

2.2.1?切削振幅特性

圖3為銑削過程中銑刀懸伸L和機床主軸轉速n兩個要素對刀具振幅A的影響規律曲線。圖3（a）所示，在銑削過程中刀具振幅A在走刀方向的變化情況與空載的相識，都是出現振幅A隨懸伸L增加而先減少后增加的情況;而在此條件下切寬方向的振幅A則是隨著懸伸L的增加而呈現出遞增的情況，同時與空載情況相反的是走刀方向的振幅均小于切寬方向的振幅。主要原因是走刀方向直接與工件材料擠壓接觸，切削阻力在一定程度上抑制了刀具的振動，從而使刀具的動態特性趨向平穩，圖中曲線的波動幅度就很好的證明了這一點。

圖3（b）為不同主軸轉速n對銑削過程中刀具振幅的影響曲線。從圖中可以看出，在走刀方向上切削振幅隨著轉速n的增加而出現先增大后減小的情況，尤其是當n=12000r/min的時，切削振幅A較n=8000～10000r/min的小。出現這種情況主要是轉速n增加到一定程度時，切削區域的溫度上升，工件材料發生小幅度軟化，從而使走刀方向的顫振載荷被工件材料吸收轉化為塑性變性能。而在切寬方向由于工件材料的作用程度比較小，因此受高速旋轉離心力的作用會比較明顯。

2.2.2?已加工表面粗糙度分析

圖4為銑削過程中銑刀懸伸L和機床主軸轉速n兩個要素對工件表面粗糙度Ra的影響規律曲線。圖4曲線顯示，走刀方向的表面粗糙度均高于切寬方向的，這也進一步印證了銑削過程中進給量fz對工件已加工表面質量影響起主要作用的理論。

圖4（a）走刀方向上工件表面粗糙度Ra隨著懸伸的增加而出現先增加而后減小的情況。證明切削振幅A在懸伸L≤100mm的條件下對工件已加工表面粗糙度的影響較小。因為從圖3可以看出，在主軸轉速n=6000r/min條件下，雖然振幅A95>振幅A100，但是粗糙度Ra95

圖4（b）為主軸轉速對工件表面粗糙度Ra的影響規律曲線。從走刀方向曲線可看出：隨著主軸轉速n的增加，粗糙度Ra呈現出以恒定值Ra≈0.60μm的界線上下波動。結合圖3（b）曲線，當n=6000r/min時，切削振幅A最小，表面粗糙度Ra相對較小;隨著主軸轉速n增大，振幅A隨之緩慢增加，切削溫度上升，當n=8000r/min時切削振動頻率增高，切削區域材料擠壓變形不平穩，表面粗糙度Ra增大;當n=8000r/min增加到n=10000r/min時，刀體承受的離心力增大，振幅A加速增大，此時切削振動頻率也隨之驟增，切削區域承受的熱-力耦合作用加劇，從而促進切屑的折斷，工件表面粗糙度Ra減小;當主軸轉速n繼續增大時，切削區域的溫度急速上升，切削區域材料軟化嚴重，切屑韌性增大，銑刀斷屑難度增加，因此表面粗糙度Ra增大，如圖5所示。由于在切寬方向上刀具對工件材料擠壓不明顯，所以在此方向上粗糙度Ra的增長趨勢與振幅A的趨勢相似。

3）刀具磨損情況分析

銑削過程中對刀具的磨損數據進行采集，表4為刀具懸伸L對刀具磨損量w的影響統計表。圖6為不同懸伸L條件下刀具磨損曲線及形貌圖。

從圖6曲線生長趨勢分析可知：無論是刀具的前刀面還是后刀面磨損量w均會出現隨刀具懸伸L增加而先增加后減小的情況，并且前后刀面出現最高磨損值wmax的懸伸量出現在同一個數據點上，這與圖4（a）的增長趨勢相一致。說明刀具銑削阻力受懸伸量L的影響，也很好地證明了刀具剛性對切削平穩性起著至關重要的作用。

因此，在實際加工過程中應當根據刀具的直徑、工件表面質量要求以及機床系統性能來選擇刀具懸伸，有條件的可以在加工前進行懸伸L最優數值的標定。

3?結?論

本文針對典型熱作模具鋼4Cr5MoSiV1進行切削實驗，從而研究不同工藝條件下雙刃整體硬質合金球頭銑刀銑削此種材料的銑削特性。獲得結論如下：

1）在空載條件下球頭銑刀切削振幅A隨懸伸量L的增加呈現出先減小后增加的狀態，證明了穩定性與懸伸量L并非簡單的反比關系，同時也說明了回轉類刀具的穩定性有一個理想的懸伸量L，并非懸伸越短越好。此外，在最優懸伸量L=100mm條件下，球頭銑刀的切削振幅A總體趨勢是隨著主軸轉速的增加而增加，說明轉速在一定條件下對刀具剛性有較大的影響。

2）在銑削過程中，切寬方向上切削振幅A受懸伸量L和主軸轉速n的影響較為明顯，而在走刀方向上的影響較為平緩。因此，單從切削平穩性出發，實驗刀具最佳的懸伸量L=95～100mm，最佳主軸轉速n=6000～8000r/min。

3）從加工表面光潔度出發，切寬方向上Ra受懸伸量L的影響較小，而走刀方向上當懸伸量L>100mm時，Ra變化程度較大，因此，實驗刀具最佳懸伸量L≤100mm;而Ra受主軸轉速n的影響較為特殊，呈現出以恒定值Ra≈0.60μm的界線上下波動。綜合考慮切削平穩性、加工品質以及刀具壽命，主軸轉速的最佳值范圍為：n=6000～7000r/min。

4）回轉類刀具的切削特性可以通過切前標定和實驗標定兩種方式來選擇最佳懸伸量和最佳切削參數，從而實現最高切削效率條件下的高品質加工。

5）通過此類方法，可以將不同刀具的切削特性以及同一類刀具切削不同材料的切削特性進行標定，為實際生產提供可靠的數據支撐。

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（編輯：溫澤宇）