| 摘要：通过采用直径为1.5mm的TiAlCN涂层硬质合金球头铣刀对S136淬硬模具钢进行中高速干式切削实验，分析了淬硬钢铣削时切削速度、进给速度和切削深度对切削力的影响规律，分析了不同切削用量对铣削过程的振动和噪声的影响，提出了合理选择切削参数的原则和改善加工过程稳定性的途径。 |
1 引言
淬硬钢的延伸率小、塑性低，易于形成高光洁加工表面，这些优良的性能使其在模具行业中得到广泛的应用。但是经淬火或低温去应力退火后本身硬度高(50～65HRC)，切削加工性差，在高速铣削过程中刀具磨损、破损非常严重。在淬硬钢精加工中，如小型模具、曲率半径的圆弧面、清根等，小直径刀具必不可少。小直径铣刀的加工和普通立铣刀加工不只是尺寸上的区别，由于刀具直径小，刀杆力和振动的微小变化可能造成刀具损坏，因此对淬硬材料小直径铣刀加工的研究提出了要求。国内对高速加工淬硬钢的切削机理研究还处于初步探索阶段，淬硬钢铣削加工的研究较少，重点为车削，旨在以车代磨，主要对陶瓷刀具、PCBN刀具和涂层刀具开展淬硬钢切削实验研究 。国外一些者对淬硬模具高速加工的可能性进行了研究，并对硬态切削机理研究现状做了比较系统的总结。从国内外的学者对淬硬钢切削机理的研究方面来看，主要研究对象是切削过程中切削力特征、刀具涂层材料的选择、切屑形成机理、刀具磨损、破损机理、已加工的表面质量、刀具寿命等方面。但所得的结论大多仅限于直线切削的实验(本实验也是直线切槽)，并且多采用直径8mm以上的刀具。Elbestawi用直径为12.7mm的高CBN含量(90% )铣刀加工H13工具钢材料(45HRC和55HRC) ，研究表明，在超高速切削的情况下，平均切削力的幅度减少，其本质与切削过程中金属材料的变形、切屑与刀具、刀具与已加工表面间的摩擦密切相关。也有许多学者从切削温度对工件材料塑性影响的角度来解释这一点，认为提高切削速度使切削力下降的主要原因是切削温度升高使工件塑性增强。切削过程中的许多现象如刀具的磨损、破损和工件的表面加工质量都直接或间接地表现在切削力和加工系统振动的变化上。因此，切削力、振动、噪声信号是加工过程的重要信息，对其分析研究有利于优化切削参数。本文已对小直径涂层硬质合金铣刀中、高速铣削淬硬钢的加工机理和加工工艺进行了初步的探讨，获得了一些优化的切削参数，这项工作还在进一步的研究中。本文主要通过采用小直径(&@216;1.5mm)TiAlCN涂层硬质合金球头铣刀对S136淬硬模具钢进行中高速干式切削实验，分析小直径涂层铣刀干式切削淬硬钢时切削速度、进给速度和切削深度对切削力、振动和噪声的影响规律，从而提出小直径铣刀干式切削加工淬硬钢的合理切削条件和提高加工过程稳定性的加工策略，为下一步刀具磨损的研究提供依据，同时对小直径铣刀加工淬硬钢的实际生产有一定的指导意义。| 表1 试验条件 |
| 试件 | S136 模具钢(较好的抗腐蚀性能，用于制造高精度塑料模具)，淬火加回热处理，硬度达57HRC，化学成分：C 0.38% , Cr 13.6% , Mn0.5% ，V0.3%, Si0.8% |
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| 铣刀 | STANAØ1.5mm TiAlCN涂层两刃球头铣刀 |
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| 机床 | YCM-V85A型立式铣削加工中心 |
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| 切削条件 | 干式切削 |
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| 测量仪器 | YD-1型压电式测力传感器；DHF-6A电荷放大器；ND2型精密声级计及倍频程滤波器；QLV型多功能虚拟式信号分析仪 |
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| 表2 球头铣刀铣槽时改变切削速度试验参数 |
| 切削速度Vc(m/min) | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
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| 主轴转速n(r/min) | 1062 | 2123 | 3185 | 4246 | 5308 | 6369 |
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| 进给速度Vf(mm/min) | 17 | 34 | 51 | 68 | 85 | 102 |
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| 每齿进给量fz=0.008mm/z，轴向切深Ad=0.05mm |
2 试验
2.1 试验条件
实验采用单因素法，分别研究切削速度Vc(m/min)、每齿进给量fz (mm/齿)、轴向切深Rd(mm)对切削力、振动、噪声的影响规律。试验系统示意。试验条件如表1。2.2 试验参数
- 铣槽时改变切削速度每齿进给量及轴向切深恒定，改变切削速度，考察切削速度变化对切削力、振动、噪声的影响。采用的实验参数如表2所示。因球头铣刀铣槽过程中，最大切削速度与切削点到端部的距离有关，表中给出的切削速度均指刀具侧刃上的线速度。
- 铣槽时改变进给速度切削速度及轴向切深恒定，改变进给速度，考察进给速度变化对切削力、振动、噪声的影响。采用的实验参数如表3所不。
- 铣槽时改变轴向切深切削速度及进给速度恒定，改变轴向切深，考察轴向切深变化对切削力、振动、噪声的影响。采用的试验参数如表4所示。
表3 球头铣刀铣槽改变进给速度试验参数| fz(mm/z) | 0.002 | 0.004 | 0.006 | 0.008 | 0.01 | 0.012 |
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| Vfmm/min) | 21 | 42 | 64 | 85 | 106 | 127 |
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| n=6369r/min，Vf=102mm/min，切入切出Vf=32mm/min |
表4 球头铣刀铣槽改变切削深度试验参数| Ad(mm) | 0.02 | 0.025 | 0.03 | 0.035 | 0.04 | 0.045 | 0.055 | 0.06 |
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| 每齿进给量fz=0.008mm/z，轴向切深Ad=0.05mm |
3 试验结果与讨论
3.1 切削速度的影响
- 切削力与切削速度关系
- 实验过程获得的各切削分力原始信号(测试时为便于分辨各信号，将凡设为负值，以下相同)，球头铣刀铣槽时沿刀具轴向的力凡最大，其次为垂直进给方向的力凡，进给方向的力凡最小。根据各力的平均值作出切削力与切削速度曲线。可以看出，在所选的速度范围内，由于速度较小，切削力的变化不大，切削速度对切削力的影响并不显著。
- 轴向力Fz无论是平均值还是变化幅度都比另外两个方向大，因此减小Fz意义重大。轴向力Fz大的原因主要是切削过程加工表面垂直于刀具轴线，在球头顶端实际切削速度为零，工件受挤压力作用，该力的方向与Fz相同；同时其它部位的切削力也因球头结构的影响会在轴线方向产生很大的分力。为减小Fz，可改进刀具结构，在制造刀具时有意将球头顶端内凹一定深度，但会增加刀具制造的复杂性；另外也可在加工过程中使刀具与工件倾斜一定角度(避免相互垂直)，避免采用切削速度为零的球头顶端加工，此方法使加工环境得到一定改善，但增加了编程的困难程度，且刀具容易与工件发生干涉。
- 切削速度对振动的影响
- 表2试验条件下得到的切削过程振动信号及其功率谱，振动频率主要分布在低频和中频段(73.24Hz 和IO69.34Hz附近)。随着转速的提高，低频部分的功率减小，中频成份功率增加；转速大于4246r/min时，中频处的功率明显大于低频，但增加的强度不大，而且振动主峰频率分布相对稳定，说明在试验范围内，切削速度对系统稳定性的影响不大，这也表明通过增加切削速度来提高生产率是可行的。
- 切削速度对噪声信号的影响
- 为了分析不同转速下的噪声信号，分别对刀具未切入工件前和在表2实验条件下的切削过程中的噪声进行了检测，获得各转速下噪声功率谱。铣槽时改变切削速度的噪声功率谱。主峰频率为58.59Hz的低频部分谱值与切削速度的关系；刀具未切入工件时，在所有的转速下均含有频率值为58.59Hz的主峰成份，且该主峰谱值在n=4246r/min时功率最大。
对噪声信号的功率谱分析表明：切削过程中的噪声包含的频率成份及变化规律与未切时基本相同，噪声主要由主轴旋转产生，与转速有关；n=4246r/min为机床的一个转折点，该转速下的低频噪声明显强于其它转速，且开始出现高频成分；随着转速的增加，信号中的高频成分随之加强。n=5308r/min时，3193.36Hz处的噪声功率谱幅值增大为24.76 ，而低频减弱；n=6369r/min时，117、673、3925、7646Hz均有相应的峰值，但低频、高频噪声谱值均减弱。从减少噪声考虑，该加工系统采用低于4246r/min或高于6369r/min的转速较为有利。以上实验表明：当切削速度Vc=30m/min时，除了噪声信号，不同转速引起的检测信号(切削力、振动)并无明显差异。在选择切削速度时，考虑噪声对操作人员的影响，可使用低于4246r/min的转速；从提高效率和减少噪声考虑，可采用6369r/min或更高的转速。3.2 进给速度的影响
- 切削力与进给速度关系切削力与进给速度关系曲线和改变铣削速度实验时类似，Fz在三个方向上的切削力最大，Fx次之，Fy最小。各方向力的平均值变化规律，切削力Fx、Fy变化不大，不过都略有增加；相比之下，切削分力凡变化比较明显，呈上升趋势。
- 进给速度对振动信号的影响
- 表3实验条件下的振动功率谱。可以看出，振动功率谱主峰值主要分布在3017.58Hz以下的频段，高频段没有振动峰值出现，并且随着进给速度的提高，振动功率谱主峰有前移迹象。根据作出主要峰值出现的频率处功率谱幅值与进给速度变化关系。可以看出，在低频段(87.89Hz , 175.78 Hz , 351.56 Hz )各振动主峰处的振幅总体上是随每齿进给量的增大而变化很小，在中频段(1064.45Hz , 1240.23Hz) ，最大值出现在进给速度Vf=85～106mm/min附近。所以在加工时，应尽量避开此范围。高频段的振幅是随每齿进给量的增大而减小。
- 进给速度对噪声信号的影响
| 表5 最大主峰频率1064.45Hz在各轴向切深下的功率谱幅值 |
| Ad | 0.02 | 0.025 | 0.03 | 0.035 | 0.04 | 0.045 | 0.055 | 0.06 |
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| 谱值 | 0.08 | 0.10 | 0.10 | 0.14 | 0.35 | 0.048 | 0.5 | 0.4 |
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表3实验条件下的噪声功率谱。可以看出，频率主要分布在低频58.59Hz、中频3193.36Hz和高频6357.42Hz处。各主峰的功率谱值，表明进给速度的增加，噪声功率谱幅值变化不大，低频和中频处的谱值只是在一个很小的范围内变化；高频处的幅值在进给速度为85m/min时有个峰值，但变化不大，总体来讲，噪声功率谱比较稳定。随着进给速度的提高，X、Y、Z方向切削力均有增加，噪声变化不大，振动随之增加，振动和噪声最大值出现在进给速度Vf=85 ～106mm/min附近。综合考虑，以fz<0.006mm/z为较佳的进给量范围。3.3 轴向深度的影响
- 切削力与轴向切深的关系
- 切削过程中测得的各切削分力信号，表明轴向深度增加，切削力上升非常显著，当Ad=0.06mm时，因切削力过大刀具被折断，此时切削分力Fx、Fy和Fz的最大值分别为255N、－539N、145ON。对各向切削力取平均值，可得到曲线。表明改变轴向切深时对径向力Fx影响不大，而轴向力Fz和进给力Fy增加很快，尤其是Z方向，Fy与Fz是造成刀具折断的主要原因。实际应用中为了刀具安全，轴向切深Ad应小于0.04mm。
- 轴向切深对振动信号的影响
- 表4实验条件下测得的振动功率谱。根据各轴向切深下的功率谱图得知，最大主峰均在频率IO64.45Hz处，相应各谱值见表5，由表5可知，随着轴向切深的增加，振动增大，当Ad=0.055时达到最大值。
- 轴向切深对噪声信号的影响
- 表4试验条件下测得的噪声功率谱。可以看出，随着切削深度的增加，噪声功率谱在高频7646.48Hz 处的噪声主峰消失，噪声功率谱最大主峰均在3808.59H ，处，当Ad=0.045mm达到最大，之后随着切削深度的增加，噪声减小。
试验表明球头铣刀铣槽时轴向切深对切削力影响显著，进行数控编程时应注意防止以过大的切深进行加工，可以采用一些CAM软件提供的余量分析功能，有效降低这种现象发生的几率。轴向切深增加到一定值，振动、噪声达到最大，之后减少。为保证刀具安全，铣槽时轴向切深应小于0.04mm。4 结语
- 在用小直径球头铣刀铣削淬硬钢(铣槽)时，切削参数对切削力的影响大小依次为：轴向深度、每齿进给量和切削速度；切削分力中Fz最大，这主要是由于球头铣刀顶端实际切削速度为零，使得工件受挤压力作用特别大。
- 改变切削速度时，在试验范围内，切削速度对切削力、系统稳定性的影响不大，可见通过增加切削速度来提高生产率是可行的。在试验范围内，从提高效率和减少噪声考虑可采用6369r/min或更高的转速。
- 随着进给速度的提高，X、Y、Z方向切削力均有增加，噪声变化不大，振动随之增加。本试验中振动和噪声最大值出现在进给速度Vf=85～106mm/min附近。综合考虑，以fz<0.006mm/z，为较佳的进给量范围。
- 球头铣刀铣槽时轴向切深对切削力影响显著，轴向切深增加到一定值，切削力明显增加，而振动、噪声达到最大值，之后减少。为保证刀具安全，本加工条件下轴向切深应小于0.04mm，即约为刀具直径的3%。
