模具钢硬态切削理论与技术

第1章　绪　　论 与传统切削技术相比，硬态切削技术具有显著的技术优势和经济优势。开展硬态切削机理及相关技术研究，有助于促进模具钢硬态切削技术的推广应用，更好地服务我国模具制造业的可持续发展。 1.1　硬态切削的定义 模具成型具有生产效率高、质量好、成本低、节约能源和节省原材料等一系列优点，因此模具称为现代工业发展的基石。为了保证模具在特定工作条件下的形状、尺寸稳定而不迅速发生变化和延长模具的使用寿命，通常借助表面硬化和强化等技术手段来提高模具的强度和耐磨性。冷作模具的淬火硬度一般为HRC54～60，热作模具的淬火硬度一般为HRC50～54，塑料模具通常采用预硬钢，出厂硬度通常达到HRC30～35。 为了便于切削加工，冷作模具钢和热作模具钢通常以软质的退火状态供应市场；经过粗加工后，再通过热处理得到高硬度来提高其耐磨性。长期以来，人们一直采用软态铣削—热处理―磨削/电火花加工(electrical discharge machining，EDM)?—研磨/抛光的方法实现模具加工，以确保模具的加工精度、表面质量和使用寿命。较低的材料去除率及较长的制造周期使得磨削/电火花加工的应用范围受到限制；并且，磨削/电火花加工所产生的高温常常导致亚表层材料的显微组织和物理力学特征发生变化，出现白层、微裂纹、加工硬化和残余拉应力等，成为诱发应力集中、裂纹扩展、应力腐蚀等现象的主要原因，加速模具疲劳失效[1， 2]。同时，随着模具结构和功能要求的日趋复杂以及市场竞争的日益加剧，通过寻求新的加工技术来保证制造精度和表面质量，从而简化生产工艺流程、缩短制造周期、降低生产成本已经成为模具行业急需解决的重要技术问题。 近年来，随着先进刀具材料、涂层技术、高性能机床和CAD/CAM技术的快速发展，高速切削技术从*初的航空领域扩展到模具行业，并逐步发展为硬态切削技术[3-6]，即对处于淬硬状态的模具钢直接进行车削或铣削。 有关硬态切削的定义，学术界、企业界至今还没有统一的认识。为了便于表述和避免歧义，本书将硬态切削定义为：采用先进刀具材料对经淬火处理或去应力处理后具有较高硬度的淬硬钢(包括模具钢、轴承钢等)进行高速车削或铣削，切削过程中不使用切削液或使用微量可降解切削油，并能获得不低于磨削所能达到的加工精度和表面完整性的一种先进加工技术。 如图1-1所示，与传统工艺流程相比[7-9]，硬态切削能够缩短模具加工工艺流程，避免了退火状态下的切削、二次淬火热处理和磨削/电火花加工[4]。车削和铣削的金属去除率比磨削高很多，可以提高精加工工序的加工效率；并能获得与磨削/电火花加工精度相当的几何精度和表面粗糙度[10]。由于在模具的*终使用硬度下直接进行精加工，所以避免了二次热处理引起的模具扭曲变形和尺寸变化[8， 11]。更为重要的是，高速流动的切屑带走了大部分热量，仅有少部分热量传递给模具，模具表面温度一般不超过550℃[12]，可以显著降低白层形成的可能性，同时极易获得有利于改善零件疲劳寿命的残余应力状态[13]。可以说，硬态切削技术适应了模具柔性、敏捷生产的要求，同时能降低模具制造企业的生产成本[14]。另外，硬态切削过程一般不使用切削液或只使用微量可降解切削油，可以避免传统切削液所带来的污染问题，符合绿色制造、清洁生产的要求。因此，对模具钢进行硬态切削具有明显的技术优势和经济优势，它正朝着高速化、实用化的方向发展，这已成为发达工业国家模具行业的共识[14]。 图1-1　模具加工工艺流程对比 然而，作为一种新兴技术，硬态切削理论不同于传统的金属切削理论，人们对淬硬钢切削过程中的金属软化效应、切屑形成、切削力、切削温度、刀具磨损和刀具寿命、冷却润滑以及加工表面完整性尤其是白层形成机理还缺乏深入、系统的研究[15-17]，对硬态切削亚表层材料的显微组织演化及性能研究还没有形成统一的认识，使得硬态切削技术的推广应用受到了一定的限制[18， 19]。其中，刀具寿命和表面完整性是影响硬态切削技术能否广泛应用的两个重要因素[20]。 1.2　硬态切削技术的优越性 随着先进刀具材料的涌现、高性能机床的发展及多种优化方法的出现，硬态切削技术不断趋于成熟。硬态切削技术的*大优点不仅在于提高金属去除率，而且能够获得理想的加工精度和高表面完整性。目前，硬态切削技术已在许多行业得到了广泛应用，如模具行业中的热挤压模、热锻模、有色金属压铸模及较精密的塑料模等加工。与传统切削技术相比，硬态切削技术具有以下优越性[21]。 (1) 较高的加工效率和加工精度。去除同样体积的材料，硬态切削具有比磨削更高的加工效率，所消耗的能量仅为磨削的1/5。这主要归因于硬态切削可以采用较大的背吃刀量、更高的切削速度等。因此，硬态切削的金属去除率通常是磨削的3～4倍。此外，硬态车削或者铣削可以在同一台机床上完成粗加工和精加工，减少了装夹次数和工件准备时间，有利于提高加工效率和缩短模具交货周期；更为重要的是，降低了重复定位误差，有利于保证加工精度。 (2) 较高的表面完整性。硬态切削过程中，传递给工件的热量少，工件表面温度低，一般不超过钢的相变温度临界点，亚表层材料损伤程度低，出现白层或微裂纹的概率低，容易获得有利于改善零件疲劳寿命的高完整性表面。 (3) 工序集中程度高。硬态切削可以将多道工序集中到一台数控机床或加工中心上，符合工序集中原则，可以减少机床投资和占地面积。 (4) 绿色、洁净的先进切削技术。使用大流量切削液的传统切削方式不仅增加了加工成本，而且产生了大量难以处理和回收的废液，危害环境和人体健康。硬态切削不使用切削液或使用微量可降解切削油，可以消除传统切削方式所面临的生产成本和环境保护等压力，符合“绿色制造、清洁生产”的要求，有利于保护环境和维护机床操作者健康。硬态切削过程中可以省去与切削液相关的装置，简化生产系统，大大降低了与切削液相关的购置、使用和回收处理成本。另外，硬态切削可以形成干净的切屑，方便切屑的回收处理，进一步降低了加工成本。 1.3　硬态切削技术的研究现状 正是各种先进刀具材料切削性能的逐渐提高、高速高精度数控机床的快速发展，才使得硬态切削技术得以向实用化的方向发展。因此，硬态切削是在先进刀具材料及涂层技术、硬态切削机理、加工表面完整性、微量润滑/低温微量润滑(minimal quantity lubrication/cryogenic minimal quantity lubrication， MQL/CMQL)切削技术、内冷式刀具技术、自由曲面数控程序编制及加工仿真等诸多相关的硬件设施与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的一项先进切削技术。 1.3.1　先进刀具材料及涂层技术 硬态切削技术的出现在很大程度上得益于先进刀具材料及涂层技术的发展。目前，可用于硬态切削的刀具材料有聚晶立方碳化硼(polycrystalline cubic boron nitride， PCBN)、陶瓷、细晶粒/超细晶粒硬质合金。PCBN是利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料。PCBN的硬度达到HV3000～5000、耐热性可达1400～1500℃，并具有导热系数高、摩擦系数低、热膨胀系数低和热稳定好等优点。因此，PCBN刀具材料具有优良的切削性能，特别适合加工硬度在HRC45以上的淬硬钢、耐磨铸铁，HRC35以上的耐热合金及HRC30以下而其他刀具材料难以加工的珠光体灰口铸铁等材料。PCBN刀具的切削性能受CBN含量和晶粒大小的影响，低含量的PCBN刀具由于具有较低的导热系数、较高的韧性，更适于加工淬硬钢。陶瓷刀具因具有良好的耐磨性、耐热性、摩擦系数低、高的化学稳定性和硬度等特点，且不容易与金属发生亲和反应，特别适合于加工传统刀具材料难以加工的高硬材料。Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷是常用的两种陶瓷刀具材料。陶瓷属于典型的硬脆材料，存在断裂韧性低、断续切削能力弱等问题。因此，改善陶瓷刀具材料的脆性、提高其强度成为学术界和刀具制造商的研究重点，各种高性能陶瓷刀具应运而生。Al2O3/TiC陶瓷刀具相对于传统陶瓷刀具具有较好的抵抗刀具崩刃的能力，纳米级Al2O3/TiC陶瓷刀具断续切削能力有所提高，*适用于硬态切削。相比于PCBN刀具和陶瓷刀具，硬质合金硬度低、热稳定性差，但硬质合金的强度和断裂韧性很高，可用于一些对切削动态特性要求比较高的切削工艺，如钻削、铣削等，细晶粒和超细晶粒硬质合金可用来切削淬硬钢。另外，硬质合金加工性能良好，不仅可以用来制造整体刀具和各种形状的刀片，还可以用来加工具有复杂几何型面和沟槽的模具。不同刀具材料的力学/热力学性能如表?1-1所示。 表1-1　不同刀具材料的力学/热力学性能[22] 通过在硬质合金或高速钢等刀具基体上涂覆一层或几层薄膜，涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数，可以大幅度提高硬质合金刀具或高速钢刀具的切削性能。相对于未涂层刀具，涂层刀具寿命提高了3～5倍，切削速度提高了20%～70%，加工精度提高了0.5～l级，刀具费用降低了20%～50%[23]。因此，硬态切削过程常常采用涂层刀具。 按涂层材料的物理性能，可将涂层刀具分为两大类[24]。一类是“硬”质涂层刀具，如TiN、TiCN、TiAlN、AlCrN等，这类涂层硬度较高，抗磨能力强；另一类是“软”质涂层刀具，如MoS2、WS2等，这类刀具也称为自润滑刀具，其表面摩擦系数小，可以减小摩擦，进而降低切削力、切削温度，减轻刀具磨损，延长刀具的使用寿命。涂层的制备方法有很多，包括物理气相沉积(physical vapor deposition， PVD)、化学气相沉积(chemical vapor deposition， CVD)、微弧氧化、热反应扩散沉积、溶胶-凝胶法、粒子活化烧结法等[23]。其中，化学气相沉积涂层温度约为1000℃，虽膜基结合强度较好，但刀具的切削刃需经钝化预处理，使得涂层内部有较高的残余拉应力，故该方法不能用于高速钢和硬质合金刀具表面涂层，其应用受到限制；物理气相沉积法使得涂层纯度高，致密性好，涂层与基体结合牢固，并且涂层性能不受基体材质的影响，因此广泛应用于各种硬质合金刀具的表面涂层。 1.3.2　硬态切削机理 淬硬钢硬度高，其切削过程与常规塑性材料的切削过程明显不同，为适应刀具寿命、加工质量和切削效率的要求，刀具常采用负前角和倒棱以保护切削刃，这导致硬态切削过程的切屑形成、切削力、切削热等所具有的特点均不同于普通切削。 硬态切削的一个基本特征是容易形成锯齿状切屑。锯齿状切屑容易引起切削力的周期性高频振动，进而影响加工精度、加剧刀具磨损，使工件表面质量下降。锯齿状切屑的形成与材料高硬度、大脆性、刀具负前角和切削过程高压应力有关。目前，对锯齿状切屑的形成机理还没有形成统一的认识，但是可以归纳为两种理论体系：绝热剪切理论和周期性断裂理论。Komanduri等[25]首次用绝热剪切理论来解释硬态切削过程中的锯齿状切屑形成机理。随后，Davies等[26]提出了锯齿状切屑形成模型支持Komanduri的理论，认为锯齿状切屑产生是由切削速度的变化引起的，当切削速度增大到临界值时，切屑内部的局部应力会发生突变，破坏热传导、热对流和热产生速率三者的平衡，导致锯齿状切屑的形成。Shaw等[27]*早提出了锯齿状切屑形成的周期性断裂理论，认为断裂首先出现于切屑的自由表面，随着切削过程的进行，断裂向切削刃扩展到一半的距离，*后造成整体断裂。Becze等[28]提出了硬态车削过程中的材料裂纹萌生和扩展判据，深入研究了产生锯齿状切屑的周期性断裂理论。K?nig等[29]基于扩展的剪切力假设，进一步支持了周期性断裂理论。