摘　要:通过切削试验研究了高速铣削淬硬钢时刀具变量中的几何参数(铣刀的前角、后角、螺旋角) 、工件变量(工件硬度) 和切削参数变量(铣削速度、每齿进给量) 对加工表面粗糙度的影响。根据对试验结果的分析得出高速铣削淬硬钢工件表面粗糙度的变化规律。
        关键词:高速铣削, 　淬硬钢, 　表面粗糙度

　表面粗糙度是指加工表面所具有的较小间距和微小峰谷不平度微观几何形状的尺寸特性,是衡量切削加工过程的一个重要性能指标。表面粗糙度是由于切削过程中刀具与工件表面之间的摩擦、刀痕以及切削时的高频振动等原因所形成的。高速切削加工中,影响表面粗糙度的因素可以概括为四方面:刀具变量、工件变量、切削参数变量和切削过程变量。这些因素之间存在着相互耦合关系,并且在切削过程中受许多不可控制因素的影响[1～4 ] 。本文通过高速铣削淬硬钢的切削试验,研究刀具变量中的几何参数、工件变量以及切削参数变量
对加工表面粗糙度的影响。
　　 1 　试验系统和试验方法
111 　试验系统
机床:Mikron UCP 710 ;
刀具: K30 ,结构形式为整体立铣刀,分别采用涂层(TiAlN) 和不涂层两种类型,刀具直径为8mm ,齿数为4 ,刀尖圆弧半径为2mm ,刀具的前角、后角和螺旋角分别如表1 所示。

磨损测量系统:Nikon 显微镜,数码相机,磨损测量软件。
表面粗糙度测量系统:Mahr M1 便携式粗糙度仪(取样长度为018mm ,评定长度为4mm) 。
112 　试验方法
分别对不同材质(40CrNiMoA 和Cr12MoV) 与硬度(HRC47 和HRC57) 的淬硬钢工件,选用不同的刀具类型(未涂层和TiAlN 涂层) 、不同刀具几何角度的硬质合金整体立铣刀在高速环境下进行铣削加工,通过粗糙度仪测量一定铣削长度下工件的表面粗糙度值Ra 。
　　 2 　试验结果和试验分析
选择表1 中的1 号和2 号刀具进行铣削试验。
工件材料:40CrNiMoA ,硬度47HRC;切削参数:铣削速度300m/ min ,轴向切削深度5mm ,径向切削深度013mm ,每齿进给量011mm/ z。试验测出的表面粗糙度值见图1。从图1 中可以看出:1 号刀的Ra 值在0176μm～1123μm 的范围内波动,2 号刀的Ra 值在0166μm ～ 1137μm 范围内波动, 在VB 达到01175mm 之前,2 号刀不仅Ra 值比1 号刀小,而且2号刀的Ra 值的波动范围也很小,只有在VB 大于01175mm以后,2 号刀的Ra 值剧烈增大,并超过1号刀的Ra 值。
图2 为选择表1 中的3 号～5 号刀进行铣削试验所测出的加工表面粗糙度值。工件材料:Cr12MoV ,硬度57HRC; 切削参数: 铣削速度150m/min ,轴向切削深度5mm ,径向切削深度013mm ,每齿进给量0108mm/ z。从图2 中可以看出:3 号刀的Ra值在0167μm～0194μm 的范围内波动,4 号刀的Ra<值在0195μm～1112μm 的范围内波动,5 号的Ra 值在0179μm～1105μm 的范围内波动;3 号刀的表面粗糙度最小,4 号刀的表面粗糙度值{zd0}。

从以上分析可以看出:在同样的切削参数下,对于40CrNiMoA 工件(硬度47HRC) 的铣削加工,虽然2 号刀采用0 度前角和较小螺旋角时在一定切削长度范围内可以得到较小的加工表面粗糙度,但是,因为它在VB 值超过某一值后的波动范围大,使得工件的表面粗糙度不能很好地控制,所以选择1 号刀还是比较可取的; 而对于材料为Cr12MoV 的工件(硬度57HRC) ,3 号刀无论从最小的表面粗糙度值还是从表面粗糙度值的波动来看都有很好的特征,所以选择3 号刀是可取的。
同样选择表1 中的3 号至5 号刀加工硬度为57HRC 的Cr12MoV 工件。切削参数:分别选择铣削速度为400m/ min、300m/ min、250m/ min、150m/ min ,轴向切削深度5mm ,径向切削深度013mm ,每齿进给量为0108mm/ z ,分别测出表面粗糙度值(见图3) 。从试验结果可以看出在同样的切削参数下,3 号刀依然可以得到优于4 号和5 号刀的表面粗糙度。此外,在该硬度范围下工件的表面粗糙度值随着铣削速度的增加呈减小的趋势,但是到了一定的速度后,表面粗糙度值几乎不再随速度的变化而变化。

仍然选择表1 中的3 号至5 号刀加工硬度57HRC 的Cr12MoV 工件。切削参数: 铣削速度300m/min , 轴向切削深度5mm , 径向切削深度013mm ,每齿进给量分别选择0108mm/ z、011mm/ z 和0112mm/ z ,测出的表面粗糙度值见图4。从试验结果可以看出:用3 号刀铣削工件所得表面粗糙度比用其它两把刀铣削得到的表面粗糙度值要小;随着每齿进给量的增大,工件的表面粗糙度值均呈上升趋势。

图5 和图6 分别为TiAlN 涂层的1 号和2 号刀高速铣削40CrNiMoA(硬度为47HRC) 时表面粗糙度与VB 的关系。切削参数为:铣削速度300m/ min ,轴向切削深度5mm ,径向切削深度013mm ,每齿进给量为0108mm/ z。从图5 可以看出:工件的表面粗糙度值Ra 在0173μm～1111μm 的范围内波动。从图6 可以看出: 工件的表面粗糙度值Ra 在0175μm～0192μm的范围内波动。如果仅就表面粗糙度来看,2 号刀的加工效果比较好(如图6 所示) 。由于试验结果是在刀具后刀面磨损量小于011mm 的范围内检测的,所以在金属去除量不大的情况下优先选择2 号刀。但是1 号刀的刀具寿命明显优于2 号刀,因此涂层刀具几何角度的选择应根据实际需求来决定。此外,与相同几何参数的未涂层刀具铣削试验结果(见图1) 进行比较可知,刀具是否涂层对加工表面粗糙度影响不大。

图7 和图8 分别为TiAlN 涂层的1 号和2 号刀高速铣削Cr12MoV(硬度为HRC57) 时表面粗糙度与VB 的关系。切削参数为:铣削速度300m/ min ,轴向切削深度5mm ,径向切削深度013mm ,每齿进给量为0108mm/ z。从图7 和图8 可以看出,1 号刀加工工件的表面粗糙度Ra 在0167μm～0178μm 的范围内波动;2 号刀加工工件的表面粗糙度Ra 在0167μm～0173μm 的范围内波动。

从图5 至图8 可以看出,采用相同几何角度的立铣刀在相同的铣削参数下铣削工件时,较低硬度(47HRC) 的工件表面粗糙度值大于较高硬度(57HRC) 的工件表面粗糙度值。

当高速旋转的立铣刀以一定的铣削速度接近工件时,铣刀和工件之间便发生作用力,使得工件产生压缩与变形,并使工件沿着剪切面方向剪切滑移而产生切屑。由于铣刀圆弧半径的作用,有部分金属层未能从刀具前刀面流出,而被刀刃圆弧的下部分挤压留在已加工表面上并与刀具后刀面的磨损带相互摩擦,所以工件的表面粗糙度和刀具后刀面的磨损有很大的关系。
从图1 (刀1) 和图5 看出:在一定的磨钝标准范围内,工件的表面粗糙度值并不随着刀具后刀面磨损量的增大而增大,而是在某一个范围内波动。这是因为考虑刀具后刀面磨损对工件表面粗糙度的影响时,应该从后刀面磨损带的两个磨损方向———径向磨损程度和磨损带宽度来进行综合分析,而图1、图5 仅仅是从磨损带宽度单方面来分析磨损带与工件表面粗糙度的关系。另外,对比图1 图5 还可以看出:图1 (刀1) 中出现表面粗糙度值的{dy}个波峰时的刀具磨损量是VB = 01067mm ,图5 中出现表面粗糙度值{dy}个波峰时的刀具磨损量是VB =01068mm ,而且该值是在该切削参数下在刀具磨钝标准范围内的表面粗糙度{zd0}值。从图2 中可以看出工件表面粗糙度在刀具的磨钝标准范围内没有随刀具后刀面磨损量VB 增大而增大的趋势,而只是在一定的范围内波动;3 号刀出现{dy}个表面粗糙度值波峰时VB = 01082mm , 4 号刀出现{dy}个表面粗糙度值波峰时VB = 01071mm ,5 号刀出现{dy}个表面粗糙度值波峰时VB = 01066mm。
根据以上讨论,仅仅根据刀具后刀面磨损量(磨损带宽度) 来分析与工件表面粗糙度的关系是不够的,应该从磨损带的宽度和径向磨损程度来综合考虑,而这两者在某种程度上取决于刀具后角的大小。