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淬硬钢具有较高的强度和硬度,广泛应用于航空航天以及汽车制造行业,在其高速加工过程中,由于产生的切削力和冲击载荷都很大,且切削温度高,易导致刀具磨损、破损、崩刃,严重制约了铣刀在高速铣削加工的应用。随着高速切削设备的不断增加,难切削技术的发展,要求刀具有高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命和良好的切削性能。涂层刀具的出现,有效的解决了这些问题,它将具有较高强度和良好韧性的基体与高耐磨的硬质薄膜表层相结合。涂层对刀具切削性能的改善和加工技术的进步起到了非常重要的作用,提高了加工精度和加工效率,延长刀具使用寿命,并且保证了工件的表面质量,降低成本。高性能涂层刀具已成为现代刀具的标志,其应用范围覆盖了切削加工的大多数领域。
本论文在课题组相关研究的基础上,拓展研究了使用不同的切削参数和不同的复合涂层硬质合金铣刀高速铣削不同硬度的四种淬硬钢,分析了其对铣削过程中切削力、切削振动、切削温度以及切屑形态的影响,更进一步揭示了在影响高速铣削淬硬钢过程的各种影响参数及影响规律,并通过正交实验,极差和方差分析了各种主要的加工条件对切削力和切削振动的影响程度,提出了刀具选择原则并对加工工艺参数进行了优化,通过实例验证了其有效性。这对实现复合涂层高速铣削淬硬钢的高效、高精度切削加工提供了良好的研究基础。论文的主要结论如下：
1、切屑形貌分析：(1)在V=300rn/min时,随着工件材料硬度增加,淬硬钢锯齿状切屑分离的趋势加强,齿根厚度逐渐变薄,齿距明显增大,这个结论与本课题组里研究S136(51HRC)和SKD11(55HRC)切屑形态的变化规律基本相同。当工件的硬度低于55HRC时,产生锯齿状切屑主要呈梯形状；当硬度高于62HRC时,切屑以三角形锯齿状为主。当每齿进给量较小时,切屑仍为变形均匀的连续带状。(2)不同的涂层刀具铣削同一硬度材料时,切屑形态不同。从宏观上看,切屑呈卷曲状,且较为短碎；从微观上观察,TiAIN与TiCrAlN涂层刀具形成切屑呈梯形锯齿状,而TiSiN与TiAlSiN涂层刀具产生三角形锯齿状切屑。在涂层成分中加入适量的Si元素后,锯齿状切屑的齿根厚度明显的变薄,切屑变形分离的趋势加强,更有利于淬硬钢材料的铣削加工。(3)在高速铣削S790实验中发现：在较小的切削速度下,切屑为变形均匀的连续带状,当切削速度达到100m/min时,产生了锯齿状切屑,切屑顶面存在明显的剪切滑移,项面由多层剪切滑移面分割的金属层单元相叠而成,底面由于与前刀面发生强烈挤压和滑动摩擦,呈现光亮平滑的表面；随着每齿进给量的增加,切削力明显增大,切屑形态开始由连续带状向锯齿状转变,切屑项面变形加剧,锯齿的齿根厚度明显变薄,齿高厚度增加,齿距增大,锯齿化程度加重；轴向切削深度很小时,切屑以变形均匀的连续带状为主。当轴向切深大于0.1mm小于0.4mm时,切屑主要呈梯形锯齿状,淬硬钢材料的切屑基体形状均由梯形向三角形发展,剪切带的高度逐渐减小,锯齿节距增大,齿根高减小。当轴向切深大于0.6mm时,切屑的锯齿化程度加剧。
2、从切削振动分析结果表明：(1)淬硬模具钢的锯齿状切屑生成频率在4kHz以上,振动功率谱的峰值主要出现在频率为1000HZ和1500Hz附近,当切削速度V=200m/min时,振动功率谱两个主频幅值都有一个极大值。(2)铣削P20（50HRC）时振幅最平稳,几乎随每齿进给量线性增加,而铣削S136(55HRC)时振幅随每齿进给量的增加上下波动。(3)从振动功率谱图中可以看出,TiAlN涂层刀具在每齿进给量0.025mm/z时,其主频率f0附近有712.89Hz和1914.06Hz的旁瓣出现。而TiAISiN在每齿进给量0.045mm/z时,未见其主频率f0附近712.89Hz和1914.06Hz有明显旁瓣,所以TiAlSiN涂层刀具更适于高速铣削淬硬钢。
3、切削力分析：(1)随着工件材料硬度提高,切削分力明显增大,振动加强,其中径向分力Fy增幅明显,S790（68HRC）的径向分力Fy是相同条件下P20（50HRC）的5-6倍。(2)随着切削速度的提高,切削力逐渐减小。(3)当每齿进给量达0.025mm/z时,TiAISiN涂层刀具铣削产生的铣削力突然增大,切削合力F大小为：TiAlN>TiCrAIN>TiSiN>TiAlSiN。(3)通过红外热像仪的观察发现,随着材料硬度的增加,刀具与工件接触面间的切削温度增加,高速铣削P20(50HRC)、S790(68HRC)时,刀具与工件接触面之间的切削温度分别为570℃和620℃；工件表面瞬时最高温度分别达到了405℃和440℃,平均温度在190℃～225℃之间变化。
4、通过正交实验的极差和方差分析：涂层刀具、每齿进给量、切削速度和材料硬度是影响切削力和切削振动的主要因素。材料硬度对切削力和切削振动的影响最大,它们之间的影响程度是：涂层成份<每齿进给量<切削速度<材料硬度,涂层成份与切削速度的交互作用不明显。随着材料硬度增加,切削速度对切削力和切削振动的影响变得更加显著,当材料硬度增加到68HRC时,涂层刀具对切削力和切削振动的影响加剧,并且显著程度超过每齿进给量的影响。
5、在上述研究基础上,本文提出了高速铣削淬硬钢的刀具选择原则和加工工艺参数优化,通过一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。