基于銑削力突變的拼接模具硬態銑削工藝優化*

岳彩旭， 張海濤， 馬 晶， 劉獻禮

(哈爾濱理工大學 機械動力工程學院， 哈爾濱 150080)

機械工程

基于銑削力突變的拼接模具硬態銑削工藝優化*

岳彩旭， 張海濤， 馬 晶， 劉獻禮

(哈爾濱理工大學 機械動力工程學院， 哈爾濱 150080)

針對刀具磨損過快和加工穩定性下降的問題，進行了淬硬鋼Cr12MoV拼接模具銑削過程中銑削參數和路徑優化的研究.通過試驗研究揭示了刀具銑削方向、切削速度、進給速度及切削深度對拼接處銑削力突變的影響規律，并借助多因素試驗得到了銑削條件對銑削力突變影響的主次因素.為降低銑削力突變對銑削過程的影響，以銑削力突變最小為目標進行了正交試驗研究，并在此基礎上得到了優化后的銑削參數組合.研究成果可為拼接模具銑削工藝優化提供有意義的參考.

拼接模具；硬態銑削；淬硬鋼Cr12MoV；多硬度；銑削力突變；銑削方向；正交試驗；參數優化

在汽車覆蓋件模具沖壓過程中局部結構需要承受更高的擠壓應力，易出現磨損嚴重，拉毛拉裂等問題.為保證模具使用壽命，根據不同部位受力特征，多采用不同硬度材質淬硬拼接鋼件.由于硬度不同，拼接處易發生銑削力的突變，導致出現刀具過快磨損及加工工件表面質量難以控制的情況[1].為了優化拼接處的銑削工藝，研究不同切削條件下切削力突變情況顯得尤為重要[2-3].銑削力是描述切削過程的重要物理參數之一，銑削力突變的大小直接影響到切削熱的產生，并進一步影響刀具的磨損、破損及崩刃[4].為了優化模具的銑削工藝，國內外諸多學者展開了系統研究.Umbrello等[5]基于Johnson-Cook模型，利用線性回歸方法準確預測不同硬度條件下AISI52100淬硬鋼切削力及切削層形態；Chinchanikar等[6]進行了不同硬度AISI4340淬硬鋼切削試驗，通過方差分析考察了切削力、工件硬度、表面粗糙度及刀具壽命之間的相互關系；Toh[7]研究了球頭銑刀切削淬硬鋼時，采用不同的走刀路徑和切削方式對表面粗糙度的影響；龐俊忠等[8]選用TiAIN涂層球形立銑刀對P20以及45#鋼進行銑削試驗，研究了工件硬度以及切削速度對切削過程中切削力的影響；加拿大學者Altintas等[9]圍繞銑削穩定性展開了富有成效的研究工作.在模具制造行業中高速加工技術已得到廣泛應用，并且主要使用球頭銑刀對模具鋼進行高速銑削加工[10].吳衛國等[11]釆用球頭銑刀銑削Cr12MoV模具鋼，把切削用量對切削力和工件表面粗糙度的影響作為研究對象；王揚渝[12]結合理論分析、有限元分析與試驗研究方法對拼接模具銑削過程中銑削力及銑削振動進行了深入研究，推導了銑削加工顫振穩定性預測模型，并進行了動態特性仿真分析.

諸多學者的研究成果一般局限于單一硬度下模具銑削工藝優化，并沒有涉及拼接模具，而加工現場針對拼接模具銑削參數的獲得也只能由刀具廠商提供或者憑經驗來選取.由于刀具失效和系統動態特性與拼接模具銑削過程中力的突變有關，因此，研究出合理的工藝參數和銑削方向頗為重要.本文以拼接處銑削力突變為研究對象，分析了不同切削條件下的銑削力突變情況，以銑削力突變最小為優化目標進行了工藝參數和銑削方向的優化，進而提高了刀具的使用壽命和拼接模具加工質量.

1 試驗現場及裝置

本研究所使用試驗機床是奧地利EMCO公司生產的三軸數控銑床.試驗刀具采用日本戴杰公司生產的型號為BNM-200的球頭銑刀，刀具半徑為10 mm，切削刃鈍圓半徑為20 μm.工件材料模具鋼Cr12MoV的硬度分別為45 HRC和60 HRC，試驗現場布置情況如圖1所示.

由于銑削力突變對銑削加工穩定性和銑削表面質量影響明顯，本文重點研究不同切削條件下銑削力突變的變化特性.銑削力突變試驗設備的總體布局如圖2所示，測力采用kisler公司生產的9257B型壓電測力儀，銑削力中X方向垂直于拼接縫的方向.

圖1 試驗現場設置Fig.1 Setting of experiment site

圖2 試驗設備的總體布局Fig.2 Overall layout of experimental equipment

2 銑削力突變特性

為了揭示不同銑削方向銑削力突變的變化特性，本文在切削深度為0.15 mm，進給速度為800 mm/min，切削速度為314 m/min的銑削參數下進行了銑削試驗.由于拼接處存在間隙，使得銑刀在銑削到拼接接縫時會出現銑刀空切的現象.本試驗重點關注了切削分力中軸向力的變化情況，從低硬度向高硬度銑削測得的軸向銑削力突變如圖3a所示；若從高硬度向低硬度測試，在相同的銑削參數和路徑下測試結果如圖3b所示.

根據分析測試結果可知，從低硬度到高硬度銑削，銑削力突變了292 N，從高硬度到低硬度銑削，銑削力急劇下降之后又緩慢上升，銑削力突變值為228 N.為降低對刀具刃口的沖擊，并使得拼接縫處的銑削平穩過渡，本文選擇從高硬度到低硬度銑削的策略.分析拼接處銑削力突變的變化特性發現，突變是由材料硬度變化和空切共同影響的，兩種不同硬度級差的材料在進行拼接時，在拼接結合處存在細微的拼接間隙，這使得銑刀在高速銑削到拼接的接縫處時，會出現銑刀空切現象，進而會產生銑削力下降的狀況.然而，由于拼接處的間隙很微細，這種銑削力下降的走勢時間極為短暫，隨后，球頭銑刀便開始高速銑削拼接處的材料.

圖3 軸向銑削力突變Fig.3 Saltation of milling force in axial direction

3 銑削參數對銑削力突變的影響

由于多硬度拼接淬硬鋼模具中不同拼接塊的硬度值存在較大差異，需要揭示不同銑削參數下銑削力突變的規律，進而指導實際工藝生產，為此本文針對拼接模具進行了不同銑削參數的試驗研究.不同銑削參數下銑削力突變規律曲線如圖4所示.

3.1 切削速度對銑削力突變的影響

當進給速度為800 mm/min，切削深度為0.1 mm，銑削行距為5 mm，切削速度從125.6 m/min增加到376.8 m/min時，銑削力突變情況如圖4a所示.隨著切削速度的增加，雖然銑削力在減小，但銑削力突變恰好相反.因為銑削速度增大后，切屑的變形系數變小，銑削溫度也有所增高，使淬硬鋼材料的強度和硬度降低，進而導致了銑削力的降低.但是Cr12MoV在高硬度(60 HRC)時平均銑削力值比低硬度(45 HRC)時變化的程度小，因此，隨著切削速度的增加，切向力和徑向力突變值變化不大，但是軸向力突變的最為顯著.

3.2 進給速度對銑削力突變的影響

當切削速度為251.2 m/min，切削深度為0.1 mm，進給速度從600 mm/min增加到1 400mm/min時的銑削力突變結果如圖4b所示.隨著進給速度的增加，材料的應變、應變率強化增加，進而導致了銑削力的增加，且此作用大于熱軟化對銑削力的作用，使得銑削力增加顯著.分析測試結果可知，隨著進給速度的增加，銑削力突變值整體呈現增大趨勢.

圖4 不同銑削參數下銑削力突變規律Fig.4 Saltation law of cutting force under different milling parameters

3.3 切削深度對銑削力突變的影響

當切削速度為251.2 m/min，進給速度為800 mm/min，切削深度從0.1 mm變化到0.25 mm時，銑削力的變化情況如圖4c所示.分析銑削結果可知，隨著切削深度的增加，銑削力增大，且切削深度對銑削力的影響基本呈線性正相關關系.隨著切削深度的增加，銑削面積和切削寬度相應增加，從而使得銑削力增大.隨著切削深度的增加，銑削力突變增大，與銑削力變化趨勢基本一致.

3.4 銑削角度對銑削力突變的影響

銑削方向若選擇良好，不僅可以提高加工效率，還可以大大提高工件表面質量，減小刀具磨損的程度.當切削速度為251.2 m/min，進給速度為800 mm/min，切削深度為0.1 mm時，刀具從高硬度材料向低硬度材料銑削，銑削方向規定和不同銑削方向下銑削力突變結果如圖5所示.由試驗結果可知，當銑削方向與拼接縫呈30°時，拼接處的銑削力變化最小；當銑削方向與拼接縫呈0°時拼接處的銑削力突變值最大.這是由于當銑削角度為0°，刀具過拼接處時，切屑厚度變化相對較大，進而使得銑削力變化相對較大.由于較低的銑削力可以減少刀具破損率，降低刀具的磨損速度，從而可以延長刀具使用壽命.同時，小的銑削力突變降低了工件的振動，保證了加工系統的穩定銑削，減少了工件變形，從而保證了加工工件的表面質量.

圖5 銑削方向規定及銑削力突變值Fig.5 Saltation values of milling force under different milling directions

4 基于正交試驗的銑削工藝優化

由于各因素的交互作用對銑削力突變有顯著的影響，常規的單因素試驗不能全面體現切削參數對銑削力突變的影響效果，因此，采用正交試驗法獲得優化的切削參數.為了清晰表達正交試驗的設計方法，在制訂試驗計劃時，首先必須根據實際情況，確定因子、因子的水平和需要考察的交互作用，并選用適當正交表進行正交試驗設計.本文針對加工變形有限元仿真的試驗設計，從主軸轉速、切削深度、進給速度以及銑削方向4個因子進行考慮.根據試驗水平一般以2～4為宜，以盡量減少試驗次數為選擇原則，本文試驗采用4水平，參數設置和銑削力突變結果如表1所示.從單因素試驗所示的三向力中可以看出，各因素變化時，銑削力突變的變化趨勢存在差異，Z向遠遠大于X、Y兩個方向的銑削力突變.由于X、Y向的切削分力相對較小，為銑削力突變的次要因素，因而在本正交試驗中主要考慮銑削參量對主切削力突變ΔFZ的影響規律.根據正交表的排布方式，得到各組試驗參數下所測得的平均銑削力突變值.根據表1所示的銑削力試驗數據，分析可得4個銑削參量正交試驗極差分析結果(見表2).

表2中若設K1、K2、K3、K4分別是4個因素的4個水平所在試驗中的考察指標，是主軸轉速、進給速度、切削深度和銑削角度平均銑削力突變之和；kl、k2、k3、k4為Kl、K2、K3、K4的值除以指標個數；極差R是kl、k2、k3、k4四個值中最大值和最小值之差，它反映某一因素對試驗指標的影響程度.正交試驗結果分析常用兩種方法：一種是極差分析法(又稱直觀分析法或綜合比較法)，另一種是方差分析法.其中極差法過程較為簡單，分析速度快，準確度可以滿足一般試驗應用需求，因此本文采用極差法處理正交試驗數據.采用極差法對銑削力突變性能進行正交分析，根據R值的大小得出4因素的主次關系，4個影響因素對ΔFZ影響為：切削深度>銑削角度>主軸轉速>進給速度.通過極差分析分別得到了主軸轉速、進給速度、切削深度和銑削角度對銑削力突變的影響，最終得到了銑削力突變最小的工藝參數：切削深度為0.1 mm，進給速度為1 000 mm/min，主軸轉速為6 000 r/min，銑削方向為30°.

5 結 論

本文以淬硬鋼Cr12MoV拼接模具銑削過程為研究對象，通過試驗研究揭示了銑削角度、切削速度、進給速度及切削深度對拼接處銑削力突變的影響規律，并得出以下結論：

表1 正交試驗設計及銑削力突變結果Tab.1 Design of orthogonal experiment and saltation results of milling force

表2 正交試驗極差分析結果Tab.2 Range analysis results for orthogonal experiments

1) 通過對拼接模具處銑削力突變特性的分析發現，采用從高硬度向低硬度銑削的方式能夠有效地降低銑削力的突變值，同時發現軸向切削力為銑削力突變的主要分力；

2) 通過試驗研究得到了銑削方向和工藝參數對銑削力突變的影響，結果表明，銑削力突變隨著切削深度、進給速度和切削速度的增大而增大，且當與拼接縫成30°進行銑削時銑削力突變最小；

3) 正交試驗結果顯示，對Z向銑削力突變影響從大到小為：切削深度、銑削角度、主軸轉速和進給速度，當銑削參數組合切削深度為0.1 mm、進給速度為1 000 mm/min、主軸轉速為6 000r/min、銑削方向為30°時銑削力突變最小.

[1]王揚渝，計時鳴，王慧強，等.球頭銑削多硬度拼接淬硬鋼的振動研究 [J].中國機械工程，2012，23(6)：636-641.

(WANG Yang-yu，JI Shi-ming，WANG Hui-qiang，et al.Investigation on vibration of ball end milling harden steel assembled with different hardness [J].China Mechanical Engineering，2012，23(6)：636-641.)

[2]劉獻禮，馬晶，岳彩旭，等.汽車模具凸曲面精加工極限切削深度預測 [J].機械工程學報，2015，51(2)：117-126.

(LIU Xian-li，MA Jing，YUE Cai-xu，et al.Limit cutting depth prediction for automobile dies finishing machining of convex surface [J].Journal of Mechanical Engineering，2015，51(2)：117-126.)

[3]岳彩旭，劉獻禮，史紅，等.模具鋼Cr12MoV硬態銑削過程切削力的研究 [J].工具技術，2013，47(12)：13-16.

(YUE Cai-xu，LIU Xian-li，SHI Hong，et al.Research on cutting force in process of hard milling die steel Cr12MoV [J].Tool Engineering，2013，47(12)：13-16.)

[4]王素玉，艾興，趙軍，等.高速立銑3Cr2Mo模具鋼切削力建模及預測 [J].山東大學學報(工學版)，2006，36(1)：1-5.

(WANG Su-yu，AI Xing，ZHAO Jun，et al.Milling force prediction model for high-speed end milling 3Cr2Mo steel [J].Journal of Shandong University (Engineering Science)，2006，36(1)：1-5.)

[5]Umbrello D，Hua J，Shivpur R.Hardness-based flow stress and fracture models for numerical simulation of hard machining AISl 52100 bearing steel [J].Materials Science and Engineering，2004，374(1)：90-100.

[6]Chinchanikar S，Choudhury S K.Effect of work material hardness and cutting parameters on performance of coated carbide tool when turning hardened steel：an optimization approach [J].Measurement，2013，46(4)：1572-1584.

[7]Toh C K.Surface topography analysis in high speed finish milling inclined hardened steel [J].Precision Engineering，2004，28(4)：386-398.

[8]龐俊忠，王敏杰，段春爭，等.高速銑削P20和45淬硬鋼的切削力 [J].中國機械工程，2007，18(21)：2543-2546.

(PANG Jun-zhong，WANG Min-jie，DUAN Chun-zheng，et al.Cutting forces in high speed milling of hardened steel P20 and 45 [J].China Mechanical Engineering，2007，18(21)：2543-2546.)

[9]Altintas Y，Week M.Chatter stability of metal cutting and grinding [J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2004，53(2)：619-642.

[10]Koshy P，Dewes R C，Aspinwall D K.High speed end milling of hardened AISI D2 tool steel [J].Journal of Materials Processing Technology，2002，127(2)：266-273.

[11]吳衛國，王貴成，沈春根.球頭銑刀高速銑削淬硬Cr12模具鋼的研究 [J].工具技術，2009(10)：26-28.

(WU Wei-guo，WANG Gui-cheng，SHEN Chun-gen.Investigation of high-speed milling of hardened Cr12 die steel by ball end milling tool [J].Tool Engineering，2009(10)：26-28.)

[12]王揚渝.多硬度拼接淬硬鋼銑削動力學分析 [D].杭州：浙江工業大學，2013.

(WANG Yang-yu.Milling dynamics on assembled hardened steel with different hardness dissertation submitted [D].Hangzhou：Zhejiang University of Technology，2013.)

(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Process optimization for hard milling of splicing die based on milling force saltation

YUE Cai-xu,ZHANG Hai-tao,MA Jing,LIU Xian-li

(School of Mechanical and Power Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

In order to solve such problems as the excessively fast tool wear and declined processing stability,the optimization of milling parameter and path in the milling process was carried out for the hardened steel Cr12MoV splicing die.The effect of cutter milling direction,cutting speed,feed speed and cutting depth on the milling force saltation was revealed through the experimental study.The primary and secondary influencing factors of milling conditions on the milling force were gained through the multiple factor experiments.To reduce the effect of milling force saltation on the milling process,the orthogonal milling experiments were conducted to gain the minimum milling force saltation.Based on the results,the optimal milling parameter combination was obtained.The research results can provide a meaningful reference for the milling process optimization of splicing die.

splicing die;hard milling;hardened steel Cr12MoV;multi-hardness;milling force saltation;milling direction;orthogonal experiment;parameter optimization

2015-12-30.

國家自然科學基金資助項目(51235003，51575147).

岳彩旭(1982-)，男，山東陽谷人，副教授，博士，主要從事硬態銑削、加工過程仿真等方面的研究.

22 17∶39在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1739.010.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.07

TH 161.22

A

1000-1646(2017)02-0153-06