硬態切削冷擠壓凸模表面粗糙度的試驗研究

馮 憑，丁海娟，夏廣嵐，李小海

（佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007）

冷擠壓是一種先進的少無切屑加工工藝，具有優質、高產、低消耗的特點，近年來發展迅速。冷擠壓模具的品質，是保證工件能否順利進行冷擠壓的關鍵。而凸模作為整個模具中最重要的一個工作零件，其材料和加工工藝選擇得是否合理，直接影響著整套模具品質的好壞。

冷擠壓凸模通常選用高速鋼材料，傳統的加工工藝是：凸模坯料鍛造退火—粗加工—淬火—磨削—拋光工作部分。大量的研究與生產實踐表明，磨削加工由于溫度高，冷卻不均勻，易發生磨削燒傷和微裂紋，成為凸模工作部位應力集中的致命傷，造成凸模的壽命大大降低。另外，磨削加工成本高，效率低，耗能大，使用大量的磨削液污染環境，不符合當前提倡的“綠色制造”要求。

隨著超硬刀具材料性能的提高和價格的調整，以及高剛度數控機床的發展，采用硬態切削代替磨削，已成為一個新的精加工途徑。

所謂硬態切削，是指采用超硬刀具對硬度大于55 HRC的淬硬鋼進行精切削的加工工藝，即以車代磨或以銑代磨。與磨削加工相比，硬態切削加工具有易保證工件表面完整性、加工柔性大、切削效率高、加工成本低、節省能源、有利于環境保護等優點[1～4]。

目前，國內外關于硬態切削的研究，主要集中在軸承鋼和Cr12、Cr12MoV模具鋼方面，尚難見到針對高速鋼材料制造的冷擠壓凸模的研究文獻。因此本文通過切削試驗探索，重點分析硬態切削冷擠壓凸模時，切削用量和刀具幾何參數對加工表面粗糙度的影響規律，從而尋找優化的切削參數組合。

1 試驗條件

（1）試驗工件材料。冷擠壓凸模用高速鋼W6Mo5 Cr4V2，其化學成分和機械性能見表1和表2。

表1 W6Mo5Cr4V2化學成分表 (%)

表2 W6Mo5Cr4V2機械性能

（2）試驗工件結構。冷擠壓凸模結構如圖1所示。

圖1 冷擠壓凸模簡圖

（3）切削機床。選用高速數控車床CNC6136B-750。

（4）切削用刀具。采用Seco公司CBN100整體式PCBN刀片，幾何參數為：前角γ0=0°，后角α0=6°，刃傾角λs=0°，主偏角κr=45°，副偏角κr'=20°，負倒棱寬br1=0.1 mm，負倒棱前角γ01=-20°，刀尖圓弧半徑rε=0.2～0.8 mm。

（5）測量儀器。采用TR200便攜式表面粗糙度測量儀進行測量。

2 試驗方案設計

本試驗的目的，是分析硬態切削冷擠壓凸模時，不同切削加工參數對加工表面粗糙度的影響規律，找出最優的參數組合。

由于單因素試驗方法的試驗量太大，試驗效率低，因此決定采用多因素試驗方法。

在各種多因素試驗方法中，正交試驗設計具有“均勻”和“整齊”的特點，可提高試驗效率，是研究和處理多因素試驗常用的主要方法，所以本試驗采用正交試驗設計。根據刀具材料特性并參考相關資料，選用切削速度、進給量、背吃刀量、刀尖圓弧半徑作為正交試驗的4個因素，每個因素選取3個水平。

因素水平如表3所示，試驗指標為加工表面粗糙度Ra 值，選用L9(34)正交表[5]。

表3 因素水平表

3 試驗結果分析

根據所確定的試驗方案進行試驗，試驗結果如表4所列。

表4 正交試驗結果

圖2為表面粗糙度隨因素變化情況。

圖2 表面粗糙度隨因素變化趨勢圖

（1）根據表4中的極差值R，結合正交表綜合可比性，通過直觀分析法可知：本次試驗中所選的4個因素對加工表面粗糙度影響最大的，依次是：刀尖圓弧半徑—進給量—切削速度—背吃刀量。

（2）從圖2中可看出，各因素水平變化時，加工表面粗糙度Ra 值的變化規律：當刀尖圓弧半徑從0.2 mm增大到0.8 mm時，Ra 值呈下降趨勢；進給量從0.08 mm/r增大至0.22 mm/r時，Ra 值呈上升趨勢；提高切削速度，能夠使Ra 值減小，這是由于硬態切削切削冷擠壓凸模時，隨著切削速度的提高，切削區溫度上升，使得切屑與前刀面的摩擦系數減小，切屑變形減小，切削力減小，進而使切削平穩，加工表面粗糙度值隨之降低。

（3）根據試驗結果，得出各因素水平的較優組合為A3B1C1D3，即：切削速度νc=220 m/mim，進給量f =0.08 mm/r，背吃刀量αp=0.10 mm，刀尖圓弧半徑rε=0.8 mm時，已加工表面粗糙度值較小。

（4）從表4中可以看到，第4號、第8號試驗獲取的Ra 值也較小，為了驗證最優參數組合的可靠性，排除隨機性因素的影響，進行了驗證試驗。采用A3B1C1D3、A2B1C2D3、A3B2C1D3共3組參數組合，進行驗證試驗，最后的試驗結果表明A3B1C1D3組合即：切削速度νc=220 m/mim，進給量f=0.08 mm/r，背吃刀量αp=0.10 mm，刀尖圓弧半徑rε=0.8mm時，加工表面粗糙度Ra 值穩定在0.039～0.41μm之間，說明當切削用量和刀具幾何參數符合最優組合時，采用PCBN刀具硬態切削冷擠壓凸模，其表面粗糙度能夠達到拋光前的要求。

4 結束語

采用PCBN刀具硬態切削冷擠壓凸模時，為降低加工表面粗糙度，可以適當增加刀尖圓弧半徑，提高切削速度，減小進給量和背吃刀量。為防止刀尖圓弧半徑增大引起切削力增大，進而導致工藝系統的振動，應加強工藝系統的剛性。

由于硬態切削過程十分復雜，影響的因素較多，而本試驗未考慮因素間交互作用對加工表面粗糙度的影響，所以硬態切削冷擠壓凸模的試驗研究工作，還有待進一步深入，以獲取更可靠的數據指導生產。

[1]劉獻禮，等.硬態干式切削機理及技術研究綜述[J].中國機械工程，2002，13（11）：973-976.

[2]陳 濤，劉獻禮.PCBN刀具硬態切削GCr15表面粗糙度試驗與預測[J].中國機械工程，2007，18（24）：2973-2976.

[3]岳彩旭，等.硬態切削與磨削工藝的表面完整性[J].工具技術，2008，(42)：13-18.

[4]張玉周，等.淬硬鋼硬態切削表面粗糙度研究[J].青島理工大學學報，2009，(6)：103-106.

[5]趙選民.試驗設計方法[M].北京：科學出版社，2006.