淬硬模具钢Cr12MoV高效高性能球铣加工机理研究

发布时间：2020-03-19 23:10

【摘要】：零件表面使役性能诸如耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性能与其表面加工质量密切相关。类似汽车拉延模具其工作表面摩擦特性、耐磨性、抗疲劳性能直接决定了覆盖件成形质量、模具使用维护成本及企业生产效率。随着高速加工机床及高性能刀具技术的不断发展,淬硬模具钢直接高速切削加工可行性逐渐提高。采用该技术能简化模具传统制造工艺,缩短生产周期,在模具制造行业具有广阔的应用前景。然而,高速硬切削加工会引起模具加工表面几何及物理力学性能一系列变化,进而对表面使役性能产生影响。鉴于此,本文以拉延模常用淬硬模具钢Cr12MoV为研究对象,结合其服役环境与主要失效形式,在深入分析切削加工工艺参数与表面完整性及典型使役性能相关性的基础上,探究淬硬模具钢高效高性能球铣加工机理,并提出模具表面高性能球铣工艺参数优选方法。首先,采用理论分析、形貌仿真与试验验证相结合的手段,研究了球铣加工表面残留形貌生成机理及其主要影响因素;基于单因素试验与响应曲面试验,分析了铣削参数对表面粗糙度、显微硬度、残余应力等表面完整性典型指标的影响规律。结果表明:加工表面材料残留可构成尺寸可控的微凹坑或微沟槽特征;主轴转速与径向切深的交互作用对表面完整性典型指标影响显著。此外,分别以获取最小表面粗糙度、最大表面显微硬度以及最大表面残余压应力为目标,提出了基于响应曲面法的球铣加工工艺参数优选方案。其次,通过对比分析表面粗糙度、显微硬度、屈服强度及微观组织结构在不同方向的差异,探讨了球铣加工表面完整性的方向效应。此外,通过分析淬硬模具钢球铣加工表面缺陷形成机制及其与切削参数的相关性,提出了采用较高的主轴转速或较大的每齿进给量以减少甚至避免加工表面微凹坑缺陷的方法。再次,基于流体动压润滑理论,结合ANSYS Fluent仿真分析,研究了润滑工况淬硬模具钢高速球铣加工表面残留形貌的减摩机制,并对表面形貌减摩作用的长时有效性进行了分析,进而提出了模具钢高速硬态球铣加工工艺参数优选原则。研究结果表明:相比抛光表面,高速硬态球铣加工表面摩擦系数降幅可达52.8%～76.2%;通过调节每齿进给量与径向切深可实现对球铣加工表面摩擦系数的控制。以表面完整性典型指标为纽带,结合摩擦学理论、位错理论等理论,对比分析了不同走刀路径试样表面磨损形貌与磨损机理,揭示了走刀路径影响球铣加工表面耐磨性的本质;综合考虑材料去除率、表面加工硬化及表面加工缺陷,提出了面向高耐磨性加工表面的淬硬模具钢高速球铣加工工艺参数优选方案。然后,研究了淬硬模具钢高速球铣加工表面滑动疲劳磨损机制。结合现场调研,在综合分析拉延模具服役环境、载荷类型及表面状态的基础上,提出了两类滑动疲劳磨损发生机制,并用以揭示了模具表面凹坑形成原因;通过开展滑动摩擦试验对假设的合理性进行了验证,并分析了表面残留形貌走向对滑动疲劳磨损的影响,提出了提高淬硬模具钢高速球铣加工表面滑动疲劳磨损抗力的工艺方法。最后,对淬硬模具钢高速球铣加工表面抗疲劳性能进行了研究。分析了表面形貌、显微硬度、残余应力等表面完整性典型指标对抗疲劳性能的影响机制;根据Neuber模型建立了针对球铣加工表面微沟槽特征的微观应力集中系数表达式;根据表面粗糙度、显微硬度及有效残余应力指标对疲劳试样进行分类,通过开展三点弯曲疲劳近似单因素试验,分析了表面完整性各指标对抗疲劳性能的影响规律;阐明了走刀路径影响抗疲劳性能的本质,并依据球铣加工表面形貌特点,提出了分别基于有效残余应力和微观应力集中程度的走刀路径优选方法。结果表明:微观应力集中系数随径向切深与刀具半径比值的增大而增大;表面粗糙度对抗疲劳性能的影响不显著,表面有效残余压应力与适度的加工硬化有助于提高表面抗疲劳性能。在综合考虑保证材料去除率、减少表面微凹坑缺陷及降低微观应力集中系数的基础上,以获取高表面残余压应力与接近HV0.05 900的表面显微硬度从而延长模具寿命为目标,提出了面向高抗疲劳性能表面的淬硬模具钢高速球铣加工工艺参数优选方案。
【图文】：

示意图,凸形,曲面,过程

２．１．１球铣加工表面材料残留的形成机理逡逑球头铣刀切削刃由球刃与直刃两部分构成，且多以球刃参切为主。在球铣加逡逑工过程中两次相邻进给运动之间残留的表面材料称为间歇进给残留。图２－２为具逡逑有曲率半径Ｒ的凸形曲面球铣加工过程间歇进给残留形成示意图。建立以加工圆逡逑弧表面圆心０为原点、以０Ｐ连线为７轴的直角坐标系，假定球头铣刀半径为ｒ，逡逑径向切深为轴向切深为％，则球头部分切削刃在坐标系中可表示为，逡逑＋（＾－＾：ｃｏｓ＜９）＇邋＝邋ｒ２逦（２－１）逡逑式中，逡逑ｋ邋＝邋Ｒ－ａ邋＋ｒ邋，，邋ｓｍ０＝逦0ｅ￣ｒ邋，邋ｃｏｓ＾：邋／ｌ逦———－逡逑２（［０逦＼邋４（Ｒ－ａｐｆ逡逑—Ｉ逦？逡逑图２－２凸形曲面球铣加工过程间歇进给残留形成示意图逡逑令ｊｃ＝０，则根据式（２－１）可求得残留高度顶点Ｐ的纵坐标办，逡逑－１８－逡逑

示意图,球头铣刀,切削刃,旋转运动

逡逑文选取具有代表性的无螺旋两刃球头铣刀为研宄对象，通过建立如图２－３ａ所示的逡逑以球头部分球心为坐标原点的笛卡儿直角坐标系，然后利用矢量运算与逡逑坐标变换获得切削刃各点在全局坐标系中的运动轨迹，从而明确进给运动方向材逡逑料残留生成机制。逡逑（ａ）逦＾－Ｎ邋＜ｂ）逦逦逡逑逦逦＾逡逑Ａ邋Ｚｃ逡逑个４逡逑．＾逦逦邋＾逦°ｃ邋＾逡逑Ｉ邋Ｗ邋ｌＨ逡逑ｉ逡逑（ｃ）逦（ｄ）逡逑ｚｔ邋０邋＾逡逑图２－３球头铣刀参切刃及进给残留形成过程示意图逡逑当仅考虑刀具旋转运动时，切削刃上任意运动点Ｃ在坐标系中的逡逑坐标可表示为，逡逑Ｓｘ］逦ｉ邋ｒ邋ｃｏｓ邋Ｊ３邋ｃｏｓ邋ａ逡逑Ｃｃ＝＜Ｓｙ＞邋＝＜邋ｒｃｏｓＪ３ｓ＼ｎａ邋＞逦（２－８）逡逑Ｓ．邋－ｒｓｉｎ／３逡逑式中，ａ与是用来描述切削刃上选定点Ｃ相对于球心ａ方位的两个角度，其中，逡逑ａ是指在Ｃ点运动轨迹平面内其与中心点ＣＷ连线和坐标轴不之间的夹角，如图逡逑２－３ｃ所示，／？是指在平面内Ｃ点与球心连线和坐标轴不之间的夹角，如逡逑图２－３ｂ所示。逡逑若同时考虑选定点Ｃ沿进给运动方向作进给速度为＆的平移运动
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG54

【参考文献】