淬硬模具钢高速铣削机理研究
淬硬模具钢的硬度在50 HRC以上，常用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的零件。采用高速铣削方法直接加工淬硬模具钢，不仅可以提高淬硬模具钢零件的加工精度和表面质量，同时还可大幅度提高加工效率。
针对淬硬模具钢高速铣削过程中锯齿状切屑如何形成并影响切削过程、刀具磨损严重、刀具选择和加工工艺参数缺乏理论指导等问题，本文综合利用力学、机械加工理论、高速摄影技术、红外测温技术、材料测试分析技术和信号测试技术等，对淬硬模具钢高速铣削过程进行全面完整的系统研究。研究了淬硬模具钢高速铣削过程中连续带状和锯齿状两种切屑形态的形成条件；研究了锯齿状切屑的各种特征，建立了锯齿状切屑形成的几何模型，提出了锯齿状切屑形成机理；分析了淬硬模具钢高速铣削过程中切削力、切削振动、工件表面质量和切削温度的特征，以及锯齿状切屑生成对上述特征的影响；揭示了涂层硬质合金刀具高速铣削淬硬模具钢的刀具磨损/破损机理；提出了淬硬模具钢高速铣削的刀具及其涂层优选原则和工艺参数优选原则；实现典型淬硬模具零件的高效高精度加工。这些研究对深入了解淬硬模具钢高速铣削过程，推动高速切削基础理论的发展，提高淬硬模具钢高速铣削技术的应用水平都具有重要意义。本文主要研究结论如下：
1.淬硬钢高速铣削过程中产生的切屑形状有长度在0.5 mm至2 mm之间的松散C型和长度2 mm以上的连续型。连续带状或锯齿状的切屑形态取决于材料硬度和加工条件；材料硬度越高，切屑形态由连续带状转变为锯齿状的切削速度越低。锯齿状切屑基体内组织变形程度很小，由于热软化作用基体硬度下降；锯齿状切屑剪切带内组织沿剪切方向拉长，宽度约为1.5μm～3μm，并随切削速度的提高而减小；高速形变后的加工硬化导致剪切带和切屑白层的硬度上升。
2.建立了淬硬模具钢高速铣削锯齿状切屑形成的几何模型，考虑了切屑在宽度方向上的变形和锯齿状切屑修正系数，较准确地计算出锯齿状切屑形成剪切角的范围在40°-60°之间，剪切带内的剪应变为101～102，剪应变率高达105s-1以上。切削变形增加时，切屑厚度变形系数减小；横向弯曲减弱，切屑宽度变形系数减小。
3.提出了淬硬模具钢高速铣削锯齿状切屑的形成机理。当切削速度提高到一定临界值时，由于温度升高而导致的材料热软化作用大于形变强化作用，切屑形态由连续带状转变为剪切带均匀间隔分布的锯齿状切屑。锯齿状切屑的变形程度在很大程度上决定了淬硬模具钢的加工难易程度。针对不同硬度的工件材料，通过优化切削速度、每齿进给量和切削深度等加工条件组合，可以控制切屑形态为连续带状。
4.提出了一种新的评价锯齿状切屑变形程度的定量化指标。利用锯齿状切屑横截面积△和锯齿状切屑顶角φ1综合定量评价锯齿化程度；锯齿状切屑顶角φ1减小，锯齿状切屑横截面积△越大，则切屑变形程度越大，锯齿化程度越严重。
5.淬硬模具钢高速铣削的锯齿状切屑生成频率与切削力频率成正比关系，并随切削速度提高而增大。锯齿状切屑的生成会导致切削力有所下降，但使切削振动增强；在锯齿状切屑产生的临界速度处，表面粗糙度会产生突然增大。存在最佳刀具悬伸量可使切削力与切削振动最小，加工质量最好。
6.高速铣削淬硬模具钢时，达到一定的切削速度后，刀具与工件接触区域的温度将保持在700℃左右，不再继续升高；工件的平均温度保持在190℃-225℃之间。这是可以采用很高的切削速度、较低的每齿进给量和切削深度直接高速铣削加工淬硬模具钢的重要依据。
7.涂层硬质合金刀具高速铣削淬硬模具钢时的刀具寿命较低；TiSiN涂层铣刀的刀具寿命约为TiAlN涂层铣刀的四倍。刀具磨损是磨粒磨损、扩散磨损和氧化磨损共同作用的结果。可利用切削力信号频谱分析中齿啮合频率二次谐波处的振动幅值检测加工过程中的刀具磨损程度。刀具破损形式为涂层剥落、崩刃和刀尖破损。交变的热应力是发生涂层剥落的重要原因之一。采用小前角、合适的后角和较大螺旋角的铣刀，可以降低切削力，保证切削过程的平稳，同时刀具磨损程度小。
8.在上述研究基础上，提出了淬硬模具钢高速铣削的刀具及其涂层优选原则和工艺参数优选原则。通过两个淬硬模具钢零件的加工实例应用，对上述原则进行了验证。
淬硬模具钢;高速铣削;锯齿状切屑;切屑形成;切削力;切削振动;刀具磨损;工艺优化
广东工业大学
博士
机械电子工程
王成勇
2009
中文
TG54;TG142.45
117
2009-12-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）