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                        改善淬硬鋼模具精加工中的“滑刀”現象

                        添加時間:2019/07/27 來源:哈爾濱理工大學 作者:馬晶
                        本文以汽車覆蓋件模具常用材料 Cr12MoV 為研究對象,針對其精加工過程中的“滑刀”現象,以及采用硬質合金刀具加工所出現的加工效率低、刀具損耗嚴重等問題,通過理論分析、數值模擬及切削試驗等手段。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          汽車覆蓋件淬硬鋼模具的制造是汽車生產制造中的重要環節,然而,淬硬鋼模具精加工時,由于工件硬度較高,加工余量較小,造成刀具與工件之間經常出現“滑刀”現象,使得模具最終的尺寸精度和表面質量很難保證,增加了后期人工修磨時間。除此之外,淬硬鋼模具精加工采用硬質合金刀具加工時,切削效率較低,使得汽車模具的整體制造周期較長。因此,改善淬硬鋼模具精加工中的“滑刀”現象,開展新型刀具材料在淬硬鋼模具精加工中的應用研究,對提高汽車覆蓋件模具的加工質量及加工效率,進而提高汽車制造業水平具有重要意義。

                          切削刀具在制造過程中切削刃存在一定的鈍圓,使得切削加工存在最小切削厚度,當精加工余量選擇不當導致實際切削厚度小于最小切削厚度時,刀具與工件之間將不能進行正常的切削,而出現“滑刀”現象。

                          考慮切削刃鈍圓半徑在淬硬鋼模具精加工中的影響,在對銑削加工過程中切削層厚度變化規律及工件表面形貌分析的基礎上,通過對表面形貌中切削—犁耕—滑擦區域劃分,提出一種基于銑削加工方式確定最小切削厚度的方法,通過切削實驗及仿真手段對提出的最小切削厚度確定方法的可行性進行了驗證。在此基礎上,確定了不同硬度淬硬鋼 Cr12MoV 的最小切削厚度。

                          采用理論推導方法,建立了考慮切削參數、工件曲率及刀具變形等因素的淬硬鋼模具凸曲面精加工極限切削深度預測模型,并通過切削實驗手段對所建立的模型進行了驗證。此研究成果為淬硬鋼模具精加工余量的選取提供了一個“最小值”,以避免產生“滑刀”現象。

                          通過實驗手段,對比了 PCBN 刀具與硬質合金刀具在銑削加工淬硬鋼方面的切削性能。研究了 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼刀具失效機理,將PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼中的刀具破損分為低速性破損與高速性疲勞破損,在揭示其破損機理的基礎上,給出了避免產生低速性破損的臨界銑削條件。通過對切削實驗中產生疲勞失效刀具的斷口形貌進行觀察,揭示熱—力耦合作用下 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼疲勞失效機制,并給出預防 PCBN刀具過早出現疲勞破損的措施。

                          分析了傳統球頭銑刀在加工淬硬鋼模具小曲率型面時的弊端,在此基礎上,設計開發了淬硬鋼模具小曲率型面精加工專用雙圓、裥、雙圓、蛐、sinⅠ型及 sinⅡ型 PCBN 銑刀,并給出了新型 PCBN 刀具的使用條件。

                          本文以汽車覆蓋件模具常用材料淬硬鋼 Cr12MoV 為研究對象,采用理論分析、數值模擬及切削實驗相結合的方法,對淬硬鋼模具精加工中“滑刀”現象以及 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼機理等問題進行研究。研究成果為提高淬硬鋼模具精加工質量及效率,進一步實現汽車覆蓋件淬硬鋼模具的高品質加工提供理論依據及技術指導。

                          關鍵詞 模具精加工;硬態銑削;最小切削厚度;刀具刃口;PCBN 刀具

                        Abstract

                          Manufacture of hardened steel molds of automobile panel dies is an important part in automobile manufacturing. However, high hardness, small machining allowance caused the phenomenon of “cutter sliding” in the finish machining of hardened steel molds, which often appears between the cutters and the workpieces. The accuracy of final dimensional and the surface quality are difficult to guarantee, which increase the time of the manual grinding. In addition,when using the cutters of cemented carbide to machine the high hardness in the process of finishing, the cutting efficiency is low and the cycle time of overall manufacturing is long. Therefore, improving the phenomenon of "cutter sliding" and carrying out the research on the applications of new cutter materials in finish machining of hardened steel molds are significant to improve the machining quality and efficiency of automobile panel dies, especially the level of automobile manufacturing industry.

                          There is a blunt round of cutting edge in the manufacturing process of a cutter, which generates the minimum cutting thickness. When the actual cutting thickness, which is caused by the imprecise machining allowance, is less than the minimum cutting thickness, it generates the abnormal cutting between the cutters and workpieces and what’s worse, “cutter sliding” appears.

                          Considering the effect of blunt radius of cutting edge in the process of finish machining about hardened steel molds, on the basis of analysis about the variations of cutting thickness and the surface topography of workpieces in the milling process, through dividing cutting-ploughing-sliding region of the surface topography, a method of determining the minimum thickness in the milling process was proposed and its feasibility was verified by experiments and simulations of machining. Basing on it, the minimum cutting thickness of different hardness hardened steel, such as Cr12MoV, was determined.

                          Considering the cutting parameters, the curvature of workpieces, the deformations of cutters and so on, a predicted hardened steel die of limiting cutting depth, which was used in the process of finish machining of curved surface, was established by theoretical derivation. It was verified by the experiments of milling. The result provided a minimum finishing allowance of hardened steel molds in case of the phenomenon of “cutter sliding”.

                          The machine ability in milling of hardened steel molds with PCBN cutters and cemented carbide cutters were compared by the experiments. Failure mechanism in intermittent machining, which generated in the process of using PCBN cutters to machine hardened steel ones, was studied .During the process of intermittent machining, it generated breakage of cutters, which can be divided into low speed damage and high speed one. The critical milling condition of avoiding low speed damage was given on the basis of disrepair mechanism.

                          Through the observation of the fracture morphology of fatigue failure cutters in a cutting experiment, it revealed the fatigue failure mechanism in the process of intermittent machining under the effect of thermal-mechanical coupling and the preventive measures of fatigue damage were given.

                          The shortcomings of using traditional ball end cutters to machine the small curved surface were analyzed. On this basis, types of double arcⅠ, double arcⅡ,sinⅠand sinⅡof PCBN cutting tools were developed for the finish machining of hardened steel molds, which were used for the small curved surface. The applicable conditions of new PCBN tools were provided.

                          By taking hardened steel Cr12MoV, which is the common material of automobile panel dies as the object in this research, the phenomenon of “cutter sliding” in the finish machining of automobile panel dies and the mechanism of intermittent machining for hardened steel were studied by using the theoretical analysis, numerical simulations and machining experiments. The results can provide theoretical basis and technological instructions for improving finishing quality and efficiency of hardened steels molds of automobile panel dies as well as the high quality.

                          Keywords Mold finishing; Hard milling; Minimum cutting thickness; cutting tool edge; PCBN tool

                          21 世紀,汽車已進入尋常百姓家,我國更是汽車制造的大國。據統計,2014 年,我國的汽車產量已超過 2372.29 萬輛,穩居世界第一。然而,作為汽車消費生產的大國,我國的汽車生產水平還遠遠達不到要求。每類汽車在改型換代中,每種覆蓋件零件加工均需配套相應沖壓模具,其模具數量超過百件以上(如圖 1-1 所示)。目前,從我國汽車覆蓋件淬硬鋼模具的加工狀況來看,國內廠家只能生產表面質量要求不高的中低檔車外覆蓋件模具,并且模具最終尺寸精度與表面質量只能通過后期大量鉗工修磨來保證,生產效率較低[1]。因此,提高我國汽車覆蓋件模具精加工的質量,對提高我國汽車模具制造水平具有重要意義。

                          從汽車覆蓋件淬硬鋼模具加工現場調研發現,由于淬硬鋼模具硬度較高、精加工余量較。ㄒ话 0.05~0.2mm),導致模具精加工中,經常出現由于余量選擇不當而造成加工過程中刀具“咬不住”工件而打滑的現象(俗稱“滑刀”),此現象在汽車模具凸曲面的加工中尤為常見,使得模具精加工后出現多處區域加工不到的現象,而最終采取在精加工后進行一次光整加工或依靠后期大量的人工修磨來保證加工精度,大大降低了加工效率。

                          出現“滑刀”現象的原因是由于切削刀具在制造過程中存在一定的鈍圓半徑,切削刃鈍圓半徑的存在,使得材料在加工中存在最小切削厚度,當加工中切削厚度小于材料的最小切削厚度時,刀具與工件之間不能進行正常的切削,而以犁耕和滑擦為主,造成加工質量及尺寸精度難以保證[2,3]。因此,當精加工中余量選擇不當時,將會導致加工中實際有效切削厚度小于最小切削,而出現“滑刀”現象。因此,確定汽車覆蓋件模具材料的最小切削厚度,為汽車覆蓋件模具精加工余量的選取提供依據,避免“滑刀”現象的產生,對實現汽車覆蓋件模具的高品質加工具有重要意義。

                          目前,汽車覆蓋件模具加工中大多采用硬質合金刀具,由于刀具材料本身性能的限制,模具加工中加工效率低、刀具損耗嚴重、表面精度不足,導致汽車覆蓋件模具最終的加工質量只能依靠后期大量時間的人工拋磨來保證[4,5]。

                          PCBN 刀具材料以其高硬度、高強度、低摩擦系數、高熱穩定性及化學穩定性、優良的耐磨性而在硬態切削加工中已得到了廣泛的應用[6-8]。國外早已將 PCBN 刀具應用在了汽車覆蓋件模具的精加工中,而國內的起步還較晚。

                          綜上所述,為了實現汽車覆蓋件模具的高品質加工,增強國內汽車覆蓋件模具企業承接高檔汽車模具加工的能力,必須將影響汽車覆蓋件模具精加工質量中更細微的影響因素考慮進去,并且探索新型刀具材料在汽車覆蓋件模具精加工中的使用,代替目前使用的硬質合金刀具成為了提高汽車覆蓋件模具精加工質量的重中之重。因此,考慮刀具鈍圓半徑在汽車覆蓋件模具精加工中的影響,研究汽車覆蓋件模具精加工過程中的“滑刀”現象,確定模具材料的最小切削厚度,為模具精加工余量的選取提供依據,并研究PCBN 刀具斷續切削淬硬鋼材料的銑削機理,開發出汽車模具加工專用PCBN 刀具以代替目前使用的硬質合金刀具加工,對提高汽車模具精加工質量及加工效率具有重要意義。

                          目前國內的汽車覆蓋件制造企業大約 300 家,而絕大部分企業規模較小,技術和裝備水平有限,承接的汽車覆蓋件模具加工項目大部分是中低檔車模具,而高檔車模具的加工還依賴于進口。例如,國內的骨干企業如:天汽模具、一汽模具、東風汽模等汽車模具企業,主要為通用、大眾、武漢神龍等中低檔品牌汽車提供一些一般難度的外覆蓋件模具,而高檔車(如奔馳)等只能間接供貨其內部支撐件模具,且價格較國外低很多。國內汽車覆蓋件模具的加工水平及技術指標與國外具有很大差距。

                          刀具刃口結構包括:切削刃刃口形貌及切削刃形狀。切削刃形狀是指切削部分前刀面及后刀面的幾何形狀。切削刃刃口形貌主要包括:刃口形狀、刃口鋒利度、刃口表面粗糙度等。其中刃口鋒利度即指切削刃刃口鈍圓半徑rn,刃口形狀及刀具刃口鈍圓半徑是刃口特征的主要表征。

                          國內外學者對不同刀具刃口形式對加工過程的影響進行了較多研究,Fang[9]等進行了淬硬鋼 4120 高速銑削實驗,通過對測得的切削力比能進行計算,發現當刀具切削刃刃口鈍圓半徑大于或者等于切削深度時,切削加工過程將產生犁耕效應。Jiang Hua[10]等人對多種刀具刃口形狀對車削過程中殘余應力的影響規律進行了研究,研究結果表明:圓弧刃及倒棱刀具造成表面的殘余應力情況變得復雜,應力影響區域變大。文獻[11]對 PCBN 刀具切削高溫合金條件下不同刀具刃口形狀(不同倒棱寬度、倒棱角度)對切削力、切削溫度及切屑形成過程的影響進行研究,研究結果表明:不同的刀具刃口形狀對加工過程中切削力、切削溫度及切屑的形成過程具有重要影響,對于 PCBN 刀具切削高溫合金來說,倒棱角度應不超過 30°,倒棱寬度應不超過 0.15~0.25mm。

                          任何刀具在制造過程中都會存在一定的鈍圓半徑,刀具刃口鈍圓半徑對加工過程的影響漸漸得到了國內外學者的重視。Z.C.Lin[12]針對低速條件下銑削低碳鋼及超精密車削 Ni-P 合金下的殘余應力進行研究,刀具選用有鈍圓和無鈍圓兩種情況,建立了正交及斜角切削熱彈塑性有限元模型,考慮了切削加工過程中的熱-力耦合效應,但該研究是針對低速下低碳鋼和超精密車削 Ni-P 合金時的殘余應力分布情況。文獻[13,14]中學者證明,由于刀具刃口鈍圓半徑的存在,使得加工過程中產生負前角切削,會造成加工表面粗糙度增大,毛刺現象產生。B.H.Kim[15]對刀具刃口鈍圓半徑對粗糙度的影響進行了模擬與仿真。William J.Endres[16]刀具切削刃鈍圓半徑及刀尖半徑對刀具磨損的影響,研究結果表明:對于倒圓刀具來說,由于刀具磨損的存在,實際將刀尖半徑增大了。

                          國內學者吳永孝[17]很早就在微細切削過程的研究中考慮了刀具刃口鈍圓半徑的影響,開創了國內在刀具刃口鈍圓半徑對加工過程中的影響研究的先河。哈爾濱理工大學楊樹財老師[18]考慮刀具刃口鈍圓半徑的影響,建立了考慮刀具變形條件下的精密切削鈦合金的最小切削厚度預測模型,并用實驗驗證了模型的準確性。南京航空航天大學曹自洋[19]采用有限元分析軟件ABAQUS,對刀具刃口鈍圓半徑在微細切削加工過程中的尺寸效應的影響進行了仿真研究,并對其引起尺寸效應的內在原因進行了闡述,研究結果表明:當切削深度較小情況下,切削刃鈍圓半徑增強了犁耕效應,并影響著材料的變形過程,使刀-屑的接觸長度增加,產生了較高的能量消耗。

                        改善淬硬鋼模具精加工中的“滑刀”現象:

                        汽車覆蓋件分解圖
                        汽車覆蓋件分解圖

                        汽車覆蓋件模具
                        汽車覆蓋件模具

                        硬質合金刀具的損耗
                        硬質合金刀具的損耗

                        模具型面的人工修磨
                        模具型面的人工修磨

                        不同 CBN 含量時刀具磨損過程
                        不同 CBN 含量時刀具磨損過程

                        不同 CBN 粒度時刀具磨損過程
                        不同 CBN 粒度時刀具磨損過程

                        結合劑種類對 CBN 刀具壽命的影響
                        結合劑種類對 CBN 刀具壽命的影響

                        傳統的 PCBN 球頭銑刀結構
                        傳統的 PCBN 球頭銑刀結構

                        球頭銑刀與環形銑刀帶寬對比
                        球頭銑刀與環形銑刀帶寬對比

                        四種汽車覆蓋件模具加工用新型 PCBN 刀具刃形結構
                        四種汽車覆蓋件模具加工用新型 PCBN 刀具刃形結構

                        PCBN 刀具三維結構
                        PCBN 刀具三維結構

                        目錄

                          摘要
                          Abstract
                          第 1 章 緒論
                            1.1 本課題的研究背景及意義
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 汽車覆蓋件淬硬鋼模具加工現狀分析
                              1.2.2 刀具刃口結構對加工過程的影響研究
                              1.2.3 最小切削厚度的研究
                              1.2.4 PCBN 刀具在淬硬鋼加工中的應用研究
                            1.3 目前存在的主要問題
                            1.4 本課題來源和論文的主要研究內容
                              1.4.1 本課題來源
                              1.4.2 論文的主要研究內容
                          第 2 章 淬硬鋼 Cr12MoV 最小切削厚度研究
                            2.1 最小切削厚度概念
                            2.2 最小切削厚度理論預測
                              2.2.1 基于最小能耗原理的最小切削厚度預測
                              2.2.2 基于剪切應變理論的最小切削厚度預測
                            2.3 基于球頭銑削方式的最小切削厚度確定方法
                              2.3.1 銑削試驗方案
                              2.3.2 切削—犁耕—滑擦區域劃分
                              2.3.3 最小切削厚度理論模型建立
                            2.4 最小切削厚度確定方法驗證
                              2.4.1 正交切削試驗確定最小切削厚度
                              2.4.2 有限元仿真方法確定最小切削厚度
                              2.4.3 基于球頭銑削方式確定最小切削厚度
                              2.4.4 三種方法對比
                            2.5 淬硬鋼 Cr12MoV 最小切削厚度的確定
                              2.5.1 試驗方案
                              2.5.2 工件硬度對最小切削厚度的影響
                              2.5.3 切削速度對最小切削厚度的影響
                            2.6 本章小結
                          第 3 章 淬硬鋼模具凸曲面精加工極限切削深度預測
                            3.1 淬硬鋼模具精加工中的“滑刀
                            3.2 極限切削深度定義
                            3.3 極限切削深度預測模型建立
                              3.3.1 球頭銑刀銑削力建模
                              3.3.2 刀具變形模型
                            3.4 考慮刀具變形條件下的淬硬鋼銑削極限切削深度預測
                              3.4.1 平面銑削極限切削深度預測
                              3.4.2 凸曲面銑削極限切削深度預測
                              3.4.3 極限切削深度理論值
                            3.5 實驗驗證
                              3.5.1 實驗條件及實驗方案
                              3.5.2 極限切削深度值的確定
                              3.5.3 不同條件下淬硬鋼銑削極限切削深度
                            3.6 本章小結
                          第 4 章 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼機理研究
                            4.1 試驗條件及試驗方案
                              4.1.1 試驗條件
                              4.1.2 試驗方案
                            4.2 PCBN 刀具與硬質合金刀具切削性能對比
                              4.2.1 切削力對比
                              4.2.2 工件表面質量對比
                              4.2.3 刀具壽命對比
                            4.3 PCBN 刀具銑削淬硬鋼的切屑形成
                              4.3.1 切屑的宏觀形態
                              4.3.2 切屑的微觀特征
                            4.4 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼的刀具失效
                              4.4.1 刀具失效形式
                              4.4.2 刀具破損形式
                              4.4.3 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼刀具失效宏觀形貌分析
                              4.4.4 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼刀具失效機理分析
                            4.5 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼低速性破損研究
                              4.5.1 PCBN 刀具低速性破損分析
                              4.5.2 PCBN 刀具低速性破損臨界條件計算模型
                              4.5.3 低速性破損的極限銑削速度
                            4.6 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼刀具的疲勞失效
                              4.6.1 PCBN 刀具熱—力耦合作用下的疲勞失效形式
                              4.6.2 熱—力耦合作用下的疲勞失效機理分析
                            4.7 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼刀具破損控制
                              4.7.1 低速性破損控制
                              4.7.2 高速性破損控制
                            4.8 本章小結
                          第 5 章 汽車覆蓋件模具精加工專用 PCBN 刀具開發
                            5.1 PCBN 刀具斷續加工淬硬鋼刀具材料優選
                              5.1.1 試驗條件
                              5.1.2 試驗方案
                              5.1.3 CBN 含量優選結果討論
                              5.1.4 CBN 粒度優選結果討論
                              5.1.5 結合劑種類優選結果討論
                            5.2 汽車模具精加工專用 PCBN 刀具開發
                              5.2.1 傳統 PCBN 刀具結構分析
                              5.2.2 新型 PCBN 刀具幾何結構設計
                            5.3 新型 PCBN 刀具切削性能理論分析
                              5.3.1 切削刃最大線速度對比
                              5.3.2 表面殘留高度對比
                              5.3.3 刀具破損性能分析
                            5.4 本章小結
                          結論
                          參考文獻
                          攻讀博士學位期間發表的學術論文
                          攻讀博士學位期間專利及科研項目情況
                          攻讀博士學位期間獲獎情況
                          致謝

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