楊 森 孫劍飛 李海燕 韓利萍

1.北京航空航天大學(xué), 北京，1001912.北京市高效綠色數(shù)控加工工藝及裝備工程技術(shù)研究中心, 北京，1001913.長(zhǎng)治清華機(jī)械廠，長(zhǎng)治，046012

大進(jìn)給銑削沉淀硬化不銹鋼刀具失效分析及切削參數(shù)優(yōu)化

楊 森1，2孫劍飛1,2李海燕3韓利萍3

1.北京航空航天大學(xué), 北京，1001912.北京市高效綠色數(shù)控加工工藝及裝備工程技術(shù)研究中心, 北京，1001913.長(zhǎng)治清華機(jī)械廠，長(zhǎng)治，046012

針對(duì)大進(jìn)給硬質(zhì)合金刀具銑削沉淀硬化不銹鋼(05Cr17Ni4Cu4Nb)壽命短、效率低的問(wèn)題，采用單因素法和正交試驗(yàn)法開(kāi)展刀具磨損試驗(yàn)，并進(jìn)行回歸分析，得到了刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式。利用有限元仿真方法獲得了切削力、刀具切削刃溫度和應(yīng)力場(chǎng)分布情況，結(jié)合磨損測(cè)量結(jié)果及磨損形貌分析了刀具的失效機(jī)理。根據(jù)有限元仿真結(jié)果和刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式，綜合考慮切削效率和刀具磨損，運(yùn)用等壽命-效率曲面響應(yīng)法進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化，得到了刀具的最佳切削參數(shù)及在該切削參數(shù)下刀具的壽命。

沉淀硬化不銹鋼；大進(jìn)給銑削；刀具壽命；切削參數(shù)優(yōu)化；切削仿真

0 引言

沉淀硬化不銹鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性及耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶、核反應(yīng)堆、汽輪機(jī)等行業(yè)[1-3]。然而，它因具有較低的熱導(dǎo)率、高的延伸率、高的高溫強(qiáng)度和硬度等特性而成為一種典型的難加工材料，主要表現(xiàn)在切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重、刀具易磨損等方面[4]。切削加工效率低成為制約沉淀硬化不銹鋼應(yīng)用的主要原因之一。

在零件粗加工中，大進(jìn)給銑削是一種新的高金屬切除率、高切削效率的加工方法，近年來(lái)越來(lái)越多地應(yīng)用于難加工材料的粗加工中。國(guó)內(nèi)外刀具廠商相繼開(kāi)發(fā)了大進(jìn)給銑削刀具，如Sandvik Coromant公司的CoroMill 210系列[5]、Walter公司的Xtra·tec F4030系列[6]、Kennametal公司的KenFeed 2X系列[7]等。大進(jìn)給銑削通過(guò)采用較小的主偏角、減薄切屑、加大切削刃和零件的接觸線長(zhǎng)度，使刃口受力更為分散；同時(shí)大進(jìn)給銑削徑向切削力、振動(dòng)和主軸偏移相對(duì)較小，切削相對(duì)較穩(wěn)定[8]。張俊[9]應(yīng)用快進(jìn)刀具銑削鈦合金，銑削效率提高了150%，但是刀片使用壽命不理想。Liu等[10]提出一種小曲率葉片大進(jìn)給高效銑削策略，該方法的加工效率比傳統(tǒng)方法加工效率提高了2倍。徐杰[11]研究了大進(jìn)給刀具切削鈦合金的切削工藝，指出切削力主要受進(jìn)給量和切削深度影響，切削速度對(duì)切削溫度影響顯著。Ji等[12]研究了PCD(polycrystalline diamond)刀具大進(jìn)給銑削鈦合金TC11時(shí)軸向前角、徑向前角、刀尖圓角等對(duì)已加工表面粗糙度、切削力和磨損機(jī)理的影響規(guī)律。史琦等[13]研究了大進(jìn)給刀具切削鈦合金時(shí)的刀具磨損形態(tài)。陳沖等[14]研究了不同冷卻方式對(duì)大進(jìn)給刀具的影響，結(jié)果表明液氮冷卻能更有效地減小切削力、降低切削溫度和延長(zhǎng)刀具壽命。Varghese等[15]以大進(jìn)給銑削鎳基合金的表面質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行了切削參數(shù)的優(yōu)化。

盡管目前大進(jìn)給刀具已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，然而文獻(xiàn)中報(bào)道的多數(shù)應(yīng)用于鈦合金加工，針對(duì)沉淀硬化不銹鋼的大進(jìn)給刀具應(yīng)用報(bào)道較少，且在刀具快進(jìn)應(yīng)用中，刀具壽命較短也是影響其推廣應(yīng)用的一個(gè)主要原因。本文針對(duì)沉淀硬化不銹鋼的大進(jìn)給銑削加工切削參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，采用單因素法和正交試驗(yàn)法開(kāi)展刀具磨損試驗(yàn)，綜合考慮刀具壽命和切削效率對(duì)切削加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合刀具磨損形貌和切削關(guān)鍵物理場(chǎng)(力、應(yīng)力、溫度)有限元仿真結(jié)果對(duì)刀具的失效機(jī)理作出分析。

1 磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)對(duì)馬氏體沉淀硬化不銹鋼(05Cr17Ni4Cu4Nb)進(jìn)行大進(jìn)給銑削加工，材料的化學(xué)成分和物理性能分別如表1、表2所示。試驗(yàn)所用塊料長(zhǎng)240 mm，寬130 mm，厚50 mm。本試驗(yàn)在北京第一機(jī)床廠的XKA714C數(shù)控銑床上進(jìn)行，最大主軸轉(zhuǎn)速為3200 r/min，最大功率為7.5 kW。刀具采用Walter的Xtra·tec F4030系列粗加工銑刀。刀片材料為PVD涂層硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片WSM35S，涂層材料為T(mén)iAlN+Al2O3，刀片型號(hào)為P23696-1.0，前角為20°，主偏角為0～15°，最大切削深度為1.0 mm。刀桿型號(hào)為F4030，軸向安裝前角為-6°，徑向安裝前角為-12°，直徑為32 mm，每次安裝三個(gè)刀片。銑削方式采用順銑，空氣冷卻。

表1 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 05Cr17Ni4Cu4Nb的物理性能

試驗(yàn)切削參數(shù)如下：切削速度vc為180～270 m/min，每齒進(jìn)給量fz為0.25～0.75 mm，切削深度ap為0.4～1.0 mm，徑向切削寬度ae為22 mm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示，1～9組采用L9(33)正交試驗(yàn)，10～14組根據(jù)切削結(jié)果進(jìn)行單因素補(bǔ)充試驗(yàn)。大進(jìn)給刀具在切削中磨損并不均勻，主要磨損發(fā)生在切深線附近[13]。因此，采用后刀面邊緣磨損VN或者最大破損寬度作為磨損評(píng)價(jià)值。刀具在切削一段長(zhǎng)度后，使用工具顯微鏡對(duì)后刀面的磨損進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量刀具達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)定為VN=0.25 mm)時(shí)所對(duì)應(yīng)的使用壽命T,測(cè)量結(jié)果一同列入表3中。

表3 試驗(yàn)切削參數(shù)設(shè)計(jì)表

1.2 磨損試驗(yàn)結(jié)果

利用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 17.0對(duì)刀具壽命進(jìn)行回歸分析，建立刀具壽命T的泰勒公式預(yù)測(cè)模型：

T=21 375.485vc-1.568fz-0.720ap-0.879

(1)

對(duì)模型進(jìn)行擬合精度檢驗(yàn)可知，當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)(3,10)=4.8>2.81，Sig=0.026<0.05。因而，得到的刀具磨損預(yù)測(cè)型是顯著的。

單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，刀具壽命隨著切削速度的增大而迅速下降；隨著每齒進(jìn)給量的增大，刀具壽命先增長(zhǎng)后迅速下降，在fz=0.5 mm時(shí)取到極值；刀具使用壽命隨切削深度的增大先增大后減小，在ap=0.8 mm時(shí)取到極值。由刀具磨損預(yù)測(cè)模型和圖1可知，切削速度對(duì)壽命影響最大，其次是切削深度和每齒進(jìn)給量。

圖1 切削參數(shù)對(duì)壽命的影響

2 銑削過(guò)程有限元仿真

2.1 仿真條件

本文采用專業(yè)有限元切削仿真軟件Third Wave AdvantEdge對(duì)沉淀硬化不銹鋼的大進(jìn)給銑削過(guò)程進(jìn)行仿真，求解過(guò)程為熱力耦合。刀具和工件材料采用軟件的標(biāo)準(zhǔn)材料庫(kù)，刀具材料為M類硬質(zhì)合金。P23696-1.0刀片的三維建模使用Solidworks 2013，并以STEP文件形式導(dǎo)入Third Wave AdvantEdge。三維銑削的有限元模型如圖 2所示，根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)置刀片角度，刀具沿Z軸旋轉(zhuǎn)，X軸負(fù)向?yàn)榈毒哌M(jìn)給方向。銑削方式設(shè)定與磨損試驗(yàn)相同，采用順銑、空冷，仿真環(huán)境溫度為25 ℃。切削力仿真采用三因素三水平單因素法，研究銑削力的變化規(guī)律。切削參數(shù)設(shè)定如下：切削速度vc為180～240 m/min，每齒進(jìn)給量fz為0.25～0.75 mm，切削深度ap為0.4～0.8 mm。

圖2 三維銑削有限元模型

2.2 切削力仿真結(jié)果

有限元切削仿真得到的切削力結(jié)果如圖3所示，由圖3可知切削力的主要影響因素為每齒進(jìn)給量，切削速度和切削深度影響較小。當(dāng)切削速度由180 m/min增大到240 m/min時(shí)，軸向和徑向切削力略微減小，進(jìn)給方向切削力略微增大。當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.25 mm增大到0.75 mm時(shí)，三向切削分力均隨之迅速增大，且軸向力增大幅度最大。當(dāng)切削深度增大時(shí)，進(jìn)給方向和徑向切削力先減小后略微增大，軸向切削力先增大后略微減小，但變化幅度也不大。在不同的切削參數(shù)情況下，軸向切削力為主切削力，其次為徑向切削力，進(jìn)給方向切削力最小。

圖3 切削力隨切削參數(shù)變化仿真結(jié)果

2.3 溫度和應(yīng)力場(chǎng)仿真結(jié)果

選取切削速度vc=240 m/min，進(jìn)給量fz=0.5 mm，切削深度ap=1.0 mm時(shí)的切削刃溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。切削刃的溫度場(chǎng)、最大主應(yīng)力場(chǎng)和最大主剪切應(yīng)力場(chǎng)梯度分布分別如圖4～圖6所示。切削刃最高溫度達(dá)1100 ℃，且分布在切削深度內(nèi)側(cè)一定距離的區(qū)域；切削刃最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，達(dá)2000 MPa；最大剪切應(yīng)力達(dá)1800 MPa，均發(fā)生在底刃較低位置處。切削溫度、最大主應(yīng)力和主剪切應(yīng)力沿切削刃分布情況如圖7所示。由圖7可知，三組參數(shù)沿切削刃的變化規(guī)律較為一致，在高度為0.4 mm、0.8 mm附近出現(xiàn)峰值，且在切深線附近有較大的梯度變化。

圖4 切削刃溫度場(chǎng)分布

圖5 切削刃最大主應(yīng)力場(chǎng)分布

圖6 切削刃最大剪切應(yīng)力場(chǎng)分布

圖7 切削刃溫度、應(yīng)力分布仿真結(jié)果

3 分析與討論

3.1 刀具失效分析

vc=240 m/min,fz=0.5 mm,ap=1.0 mm

試驗(yàn)中，刀具的磨損形態(tài)主要為后刀面切深線附近的溝槽磨損，主要失效形式為破損。切削刃先在切深線內(nèi)側(cè)區(qū)域發(fā)生迅速磨損，磨損一定程度后發(fā)生崩刃，刀片失效過(guò)程如圖8所示。后刀面溝槽磨損可能的原因之一是存在加工硬化層，不銹鋼在銑削加工中硬化深度可達(dá)切削深度的1/3[4]。對(duì)磨損試驗(yàn)中組1的已加工表面進(jìn)行測(cè)量，已加工表面的硬度為2～4 HRC。由圖3可知，切削力主要受進(jìn)給量影響，且軸向力為主切削力，若增大進(jìn)給量，迅速增大的切削力會(huì)使加工硬化程度更加嚴(yán)重。

切深線內(nèi)側(cè)區(qū)域上大的應(yīng)力梯度和溫度梯度也與溝槽磨損的形成密切相關(guān)。圖9所示為刀具前刀面的磨損情況，可知刀具破損區(qū)域?yàn)榍猩罹€內(nèi)側(cè)，且破損區(qū)域與圖7仿真結(jié)果中溫度、最大剪切應(yīng)力和最大主應(yīng)力峰值區(qū)域十分相近。刀具切深線內(nèi)側(cè)區(qū)域可能是由于承受壓縮力產(chǎn)生壓縮破壞或者剪切破壞[16]。根據(jù)最大主應(yīng)力理論，硬質(zhì)合金材料在高溫或者承受三向壓應(yīng)力時(shí)可能引起塑性變形，從而導(dǎo)致刀具失效[17]。同時(shí)，刀具材料在承受壓縮載荷時(shí)，可能發(fā)生剪切斷裂，斷裂面與試件橫截面成45°夾角，即剪切方向?yàn)樽畲蠹魬?yīng)力方向[18]。在靜加載剪切條件下，硬質(zhì)合金的抗壓強(qiáng)度高達(dá)6200 MPa，而在沖擊性剪切條件下，硬質(zhì)合金的抗壓強(qiáng)度降低到3000 MPa以下[19]。硬質(zhì)合金的斷裂韌性和疲勞壽命在溫度、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的耦合作用下也顯著降低[20-21]。因此，多種因素的綜合作用導(dǎo)致刀具主要在該處發(fā)生崩刃，并不斷向切深線內(nèi)側(cè)擴(kuò)展。

vc=240 m/min,fz=0.5 mm,ap=1.0 mm

3.2 切削參數(shù)優(yōu)化

銑削刀具的材料去除率公式為

(2)

式中，Q為材料去除率；D為刀具直徑；ae為切削寬度。

由刀具壽命公式可知，為了獲得較長(zhǎng)的刀具壽命，需要減小切削參數(shù)，然而，在延長(zhǎng)刀具壽命的同時(shí)降低了材料去除率，犧牲了加工效率，提高了時(shí)間成本。因此，需要合理選取切削參數(shù)，同時(shí)獲得較大的刀具壽命和材料去除率。我們可以通過(guò)正交試驗(yàn)獲得的刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式(式(1))及切削效率公式(式(2))來(lái)分析刀具壽命與切削效率的關(guān)系，從而獲得比較理想的切削參數(shù)、刀具壽命及效率[1,22-23]。

由式(1)可知，刀具壽命主要受切削速度和切削深度影響，因而合理選擇進(jìn)給量，優(yōu)化切削速度和切削深度可以更大地延長(zhǎng)刀具壽命。由圖1可知，刀具壽命在fz=0.5 mm取到極值，當(dāng)進(jìn)給量繼續(xù)增大時(shí)刀具壽命迅速縮短。雖然進(jìn)給量對(duì)刀具壽命影響較小，然而切削力主要受進(jìn)給量影響，當(dāng)fz>0.5 mm時(shí)，切削合力大于1200 N，最大壓應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均超過(guò)2000 MPa，接近硬質(zhì)合金的抗壓強(qiáng)度，限制進(jìn)給量的增大。因此，取進(jìn)給量fz=0.5 mm，根據(jù)刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式及切削效率公式結(jié)果繪制的曲線，如圖10所示?？梢钥闯鲈谛什蛔兊那闆r下，增大切削深度，降低切削速度，可以提高刀具壽命。進(jìn)給量不變，切削速度和切削深度變化對(duì)切削力影響較小，降低切削速度有利于降低切削刃溫度，同時(shí)增大切削深度使切削刃接觸長(zhǎng)度增大，應(yīng)力減小，從而獲得較長(zhǎng)的刀具壽命。合理的切削效率為30～40 cm3/min。該種硬質(zhì)合金刀具銑削沉淀硬化不銹鋼最佳切削用量為：切削速度140～180 m/min、軸向切削深度0.6～1.0 mm、進(jìn)給量0.4～0.5 mm，建議切削參數(shù)下刀具壽命約為16～24 min。

切削速度vc/(m·min-1)

4 結(jié)論

(1)開(kāi)展了涂層硬質(zhì)合金刀具大進(jìn)給銑削沉淀硬化不銹鋼磨損試驗(yàn)，獲得了刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式。刀具壽命主要受切削速度影響，切削深度和進(jìn)給量次之。

(2)大進(jìn)給銑削沉淀硬化不銹鋼時(shí)，刀具的磨損形態(tài)主要為后刀面切深線附近的溝槽磨損，主要失效形式為破損。硬質(zhì)合金刀具的失效形貌與有限元仿真得到的溫度、應(yīng)力場(chǎng)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用可能是刀具失效的主要原因。刀具應(yīng)力場(chǎng)可用于定性地預(yù)測(cè)刀具的失效危險(xiǎn)區(qū)域。

(3)結(jié)合物理場(chǎng)仿真及磨損試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用等壽命-效率響應(yīng)曲面法對(duì)刀具進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化。初步確定該種硬質(zhì)合金刀具銑削沉淀硬化不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb最佳切削用量為：切削速度140～180 m/min、軸向切削深度0.6～1.0 mm、每齒進(jìn)給量0.4～0.5 mm，在此切削參數(shù)范圍內(nèi)刀具壽命為16～24 min。

(4)失效分析及優(yōu)化結(jié)果表明，涂層硬質(zhì)合金刀具在沉淀硬化不銹鋼大進(jìn)給銑削加工中，在效率不變的情況下，適當(dāng)降低切削速度，增大切削深度可以提高刀具壽命。

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(編輯 王艷麗)

Tool Failure Analysis and Cutting Parameter Optimization of Coated Carbides in Precipitation-hardening Stainless Steel High Feed Rate Milling

Yang Sen1，2Sun Jianfei1,2Li Haiyan3Han Liping3

1.Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing，1001912.Beijing Engineering Technological Research Center of High-efficient & Green CNC Machining Process and Equipment,Beijing，1001913.Changzhi Qinghua Machinery Factory,Changzhi,Shanxi,046012

In dealing with the problems of low efficiency and server tool wear in high feed milling precipitation-hardening stainless steel(05Cr17Ni4Cu4Nb), a series of single factors and orthogonal experiments with coated carbides tool were carried out. An experiential function of tool life was deve-loped based on the experiments by using regression analysis. Tool failure mechanism was analyzed according to tool wear measurements and wear morphology, the cutting force, cutting temperature and tool stress contour were simulated with finite element analysis. Taking full account of cutting efficiency and tool life, the cutting parameters of coated carbides tool in precipitation-hardening stainless steel high feed rate milling were optimized using the tool life-efficiency surface response method by reference to finite element analysis results and the tool life experiential function. The optimal cutting parameters and tool life under this condition were obtained.

precipitation-hardening stainless steel; high feed rate milling; tool life; cutting parameter optimization; cutting process simulation

2015-11-19

航天一院高校聯(lián)合創(chuàng)新基金；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2013ZX04001061)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

TH117.1； TG506

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.24.005

楊 森，男，1992年生。北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡y加工材料切削加工。孫劍飛，男，1981年生。北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院講師。李海燕，男，1980年生。長(zhǎng)治清華機(jī)械廠工程師。韓利萍，女，1971年生。長(zhǎng)治清華機(jī)械廠高級(jí)技師。