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模具鋼材NAK80切削加工性的研究

　　模具鋼材NAK80切削加工性的研究
　　NAK80是一種新型高級(jí)鏡面塑料模具鋼，大量用于制造家電、汽車(chē)等行業(yè)用的大型精密模具。研究該材料的切削加工性，對(duì)于保證模具加工質(zhì)量、提高加工效率、降低生產(chǎn)成本有著重要意義。通過(guò)對(duì)NAK80模具鋼的切削試驗(yàn)，研究了切削用量與切削力、刀具磨損及表面粗糙度的關(guān)系，分析了刀具磨損機(jī)理，對(duì)NAK80模具鋼的切削加工性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。
　　㈠試驗(yàn)條件
　?、痹囼?yàn)材料：NAK80模具鋼
　　化學(xué)成分：W(C)=0．15％，W(Mn)=1．75％，W(Si)=0．3％，W(Mo)=0．38％，W(Ni)=3．08％，W(Cu)=1．0％，W(Al)=0．98％，W(P)≤0．02％，W(S)≤0．06％；機(jī)械性能：σb= 1210MPa， δ=17％，αk=1．19MJ／m2，硬度40HRC；金相組織：粒狀貝氏體和板條狀馬氏體。
　?、苍囼?yàn)機(jī)床：C616A車(chē)床。
　?、吃囼?yàn)刀具：YW2硬質(zhì)合金刀片。幾何角度：κr= 90°，γ= 15°， λs=0°，α0=8°，κr＇=30°，α0＇=8°。
　?、床蓸訁?shù)：采樣頻率：5000Hz，采樣時(shí)問(wèn)：15秒。
　?、禍y(cè)量?jī)x器：Kistler9257BA型測(cè)力儀；HIROX三維顯示系統(tǒng)；2201型表面粗糙度檢查儀。
　　㈡試驗(yàn)結(jié)果與分析
　?、鼻邢髁εc切削用量關(guān)聯(lián)度的建立
　　由于切削力主要受切削深度αp進(jìn)給量f和切削速度v等因素的影響，為了以盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)獲得有說(shuō)服力的試驗(yàn)結(jié)論，我們確定采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行切削力試驗(yàn)，即選取3個(gè)因素αp、f和ν，各因素的水平數(shù)取3，分別為：αp=0．2，0．5，1．0mm；f=0．1，0．14，0．2mm/r； ν=117．3，95．4，83．4m/min。切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
　　表1 NAK80塑料模具鋼切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)
　　序號(hào) 　　f(mm/r)　　αp(mm)   　　v(m/min)  　　Fy(N)  　　Fz(N)　　Fx(N)
　　1　　　　 0.1   　　0.2　　　　 83.4  　　48.5 　　63.8 　　21.9
　　2　　　　 0.1   　　0.5　　　　 95.4  　　63.4 　　113.6   72.8
　　3　　　　 0.1   　　1.0　　　　 117.3　　77.7 　　189.9   133.9
　　4　　　　 0.14 　　0.2　　　　   95.4  　　48    　　75.1　　21.4
　　5　　　　 0.14 　　0.5　　　　   117.3   77.8  　　134.2   83.9
　　6　　　　 0.14 　　1.0　　　　   83.4 　　86.6  　　287.8   171.3
　　7　　　　 0.2   　　0.2　　　　   117.3   70.4  　　81.1 　　21
　　8　　　　 0.2   　　0.5　　　　   83.4 　　79.6 　　177.5　　80.3
　　9　　　　 0.2   　　1.0　　　　   95.4　　107   　　344.2   178.5
　　對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性回歸處理，得到主切削力Fz、切深抗力Fy、進(jìn)給抗力Fx三向切削力經(jīng)驗(yàn)
　　公式分別為
　　Fz= 6284.06αp0.879f0.664v-0.406
　　Fy= 61.83αp0.308f0.478v-0.286
　　Fx= 1031.58αp1.129f0.264v-0.292
　　由上述經(jīng)驗(yàn)公式可看出切削力與切削用量αp、f、v之間的定量關(guān)系，即式中各變量的指數(shù)大小可反映出各因素對(duì)切削力的影響趨勢(shì)和影響程度。主切削力Fz隨切削深度αp及進(jìn)給量．f的增大而增大，隨切削速度v的增大而減小；其中，切削深度αp對(duì)Fz的影響最大，進(jìn)給量f次之。
　?、驳毒吣p試驗(yàn)結(jié)果與分析
　　在切削深度αp=1．0mm，進(jìn)給量f=0．14mm／r，切削速度v=84．7m／min的條件下，對(duì)NAK80模具鋼與45鋼進(jìn)行了刀具磨損對(duì)比切削試驗(yàn)。每去除一定體積的試件材料后，在HIROX三維顯示系統(tǒng)下觀察刀具切削刃形貌及測(cè)量刀具后刀面磨損值，同時(shí)用Kistler測(cè)力儀跟蹤切削力變化情況，并選取刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB=0.25mm.
　　當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p量達(dá)到VB=0.25mm時(shí)，45鋼的材料去除量約為NAK80模具鋼的4倍，這表明加工NAK80鋼時(shí)刀具磨損相當(dāng)嚴(yán)重，這主要是受材料機(jī)械性能、化學(xué)成分和顯微組織等因素的影響。
　　將本試驗(yàn)結(jié)果與45鋼的切削力經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比可知，在相同切削條件下，切削NAK80鋼的切削力比切削45鋼(正火態(tài))約增大39％，這主要是因?yàn)镹AK80模具鋼的抗拉強(qiáng)度高達(dá)1210MPa，超過(guò)45鋼的兩倍，相應(yīng)地其剪切屈服強(qiáng)度高，變形抗力大，所需的切削力也大。同時(shí)，NAK80模具鋼的硬度達(dá)40HRC，也加快了刀具磨損速率。另一方面，NAK80模具鋼組織中存在板條狀馬氏體，且有大量Ni3Al、ε-Cu硬質(zhì)點(diǎn)，切削時(shí)功耗高，產(chǎn)生大量切削熱，導(dǎo)致切削溫度高。材料中的硬夾雜物使刀具前刀面與切屑底部發(fā)生劇烈摩擦，從而出現(xiàn)溝紋；另外，工件材料晶界處的微細(xì)硬質(zhì)點(diǎn)提高了材料強(qiáng)度和硬度，使切削時(shí)剪切變形抗力增大，刀屑接觸長(zhǎng)度減小，刀尖接觸面上的應(yīng)力顯著增大，在高溫高壓作用下，兩種材料發(fā)生粘結(jié)，當(dāng)粘結(jié)部分的單位切向力超過(guò)該處材料的剪切屈服強(qiáng)度時(shí)，粘結(jié)層與其下層金屬產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，被切屑帶走，導(dǎo)致前刀面出現(xiàn)麻點(diǎn)和凹坑。因此，加工NAK80模具鋼時(shí)，刀具的主要磨損形式為磨料磨損和粘結(jié)磨損，而材料組織中存在大量硬質(zhì)點(diǎn)是造成刀具磨損加劇的又一重要因素。
　?、潮砻娲植诙葯z測(cè)結(jié)果
　　用2201型表面粗糙度檢查儀沿試件外圓面測(cè)量加工表面粗糙度。在切削深度αp=0．5mm保持不變的情況下，分別選取三組進(jìn)給量f=0．1，0．14，0．24mm/r和切削速度v=104．2，84．8，74．1，65．3m/min，檢測(cè)出切削速度對(duì)表面粗糙度的影響，檢測(cè)結(jié)果:隨著切削速度增大，表面粗糙度值減小，當(dāng)切削速度超過(guò)80～90m/min時(shí)，表面粗糙度基本穩(wěn)定在某一Ra值上，且隨著進(jìn)給量的減小，表面粗糙度降低。
　?、辞行夹螒B(tài)
　　NAK80鋼在低速區(qū)和高速區(qū)均產(chǎn)生長(zhǎng)螺卷屑，連綿不斷長(zhǎng)達(dá)數(shù)米，難以自行折斷，且易纏繞在工件及刀具上，拉傷工件表面，因此該材料的切屑可控性差。
　?、缃Y(jié)論
　　⒈與45鋼相比，引起NAK80模具鋼切削力增大的主要原因是材料的高強(qiáng)度。
　?、睬邢鱊AK80模具鋼時(shí)，刀具的磨損速率約為切削45鋼時(shí)的4倍，這主要因?yàn)椴牧嫌捕雀呒敖M織中存在大量硬質(zhì)點(diǎn)；刀具的主要磨損形式為磨料磨損和粘結(jié)磨損。
　　⒊加工NAK80模具鋼時(shí)，當(dāng)切削速度超過(guò)80～90m/min時(shí)，表面粗糙度低且穩(wěn)定。
　?、辞邢鱊AK80模具鋼的切屑為長(zhǎng)螺卷屑，且可控性差。

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