30Cr3SiNiMoVA材料综合性能优异但却是难加工材料

30Cr3SiNiMoVA材料具备优异综合性能。它屈服强度高。它疲劳强度高。它冲击韧性良好。它断裂韧性较好。它焊接性能较好。它有较好塑性。它有较好缺口强度。它还具有一定抗腐蚀性能。所以30Cr3SiNiMoVA大量用于发动机壳体等航空航天重要零部件。30Cr3SiNiMoVA也用于飞机起落架等航空航天重要零部件。其应用范围正不断扩大。该材料经热处理后硬度达50至55HRC。强度超1.7GPa。钢中添加了Cr、Ni、Mo、V、Mn等合金元素。这使得材料导热性降低。切削加工性能变差。它成为了典型的难加工材料。

热处理后的材料硬度较高。传统加工多采用磨削加工方式。但这种方式存在问题。一是磨削力大。二是磨削温度高。再加上材料导热性能较差。这致使加工表面存在大量问题。即磨削烧伤和加工硬化。硬化层深度可达0.1至0.3mm。为获得较好加工质量。往往采用较小磨削用量。但这又降低了加工效率。大大延长了生产周期。

以此实现以铣代磨然而在高速切削超高强度钢领域 特别是高速硬铣削加工技术的研究不多 所以本文将热处理后的30Cr3SiNiMoVA超高强度钢材料作为研究对象 针对其高速铣削加工性能展开基础试验研究 探究了不同试验加工参数下切削力的变化规律 研究了加工振动的变化规律 分析了加工表面粗糙度的变化规律 还探讨了切屑形态的转变趋势等 以此为超高强度钢的高速硬铣削加工提供指导

1 试验条件与方案

(1)工件材料

30Cr3SiNiMoVA材料所含合金元素总量不超过6.0%，其具体化学成分如表1所示。铬、钼等合金元素加入后可提高钢的淬透性。钒、铌元素能细化晶粒。镍、锰有助于提高回火马氏体组织稳定性。该材料的热处理工艺为：正火，温度930℃；油淬，温度910℃；回火，温度250℃，保温2小时后空冷热处理后材料的力学性能在表2中呈现。30Cr3SiNiMoVA高强钢的抗拉强度是普通45钢的3至4倍。其冲击强度也是普通45钢的3至4倍。屈服强度同样是普通45钢的3至4倍。材料具备高强度和高韧性。这会对加工过程产生较大影响。致使其加工性能远不及普通钢材。

表1 30Cr3SiNiMoVA的化学成分(wt%)

表2 30Cr3SiNiMoVA钢的力学性能

图1 热处理后材料的金相组织结构

(2)试验刀具与方案

铣削加工试验用的是SECO-JS522整体硬质合金立铣刀。该刀具选用超细晶粒度硬质合金，涂层是TiAlN材质。刀具直径12mm，有两刃。前角为10°，螺旋角40°。为满足超高强度钢高速切削加工要求，对刀具刃口做了特殊强化处理。

试验运用干式侧铣切削方式。加工过程全是顺铣。铣削试验分两个阶段开展。第一阶段把轴向切深ap当作变化对象做单因素试验。分析轴向切深ap对超高强度钢铣削加工性能的影响并进行比较。轴向切深划分成四个水平。分别是5mm。还有10mm。以及20mm。另外是30mm。其余参数为vc等于75m/min。fz等于0.05mm/z。ae等于0.01mm第二阶段开展切削参数的正交试验。基于单因素试验，选ap作为优化对象。分析比较切削速度vc、每齿进给量fz以及径向切宽ae这三个因素对铣削力和加工表面质量的影响规律。在第一阶段试验优选出的轴向切深基础上，运用正交试验设计方法。设计了3因素3水平正交试验。加工因素水平表如表3所示。

表3 加工因素水平表

在DMU70V立式高速加工中心开展铣削试验 采用Kistler9272测力仪 采用Kistler5017B放大器 对加工过程中不同铣削用量时的切削力 进行在线测量加速度传感器选用Kistler 8704B500。其换算准则是99.8mV/g。通过测量刀具加工时的振动加速度信号。以此说明超高强度钢铣削加工中刀具的振动程度。使用三丰SJ201型表面粗糙度仪测量加工表面粗糙度。利用Keyence VHX-600显微镜观察不同切削参数下的切屑形态。试验加工现场图如图2所示。

图2 铣削试验加工现场

2 试验结果分析

(1)轴向切深单因素试验结果分析

在侧铣加工时，总切削力Fs能分解到三个相互垂直方向的分力。这三个分力分别为主切削力（切向力）Fc、径向力Fr、轴向力Fo。这三个分力共同构成铣削合力F。采用测力仪能测量出作用在工件上的三向分力。这三向分力分别是x方向（横向）进给分力Fx，y方向（纵向）进给分力Fy以及轴向分力Fzae与刀具半径R的比值很小。刀尖点与工件的接触角很小。所以Fx和Fy可近似看成Fc和Fr。

图3展示了切削力跟轴向切深ap的变化关联。主切削力增大，径向力增大，铣削合力也增大，都是随着轴向切深增加而发生的。轴向力的值小，变化幅度不大。超高强度钢有较高屈服强度，还有较高抗拉强度，材料去除时需要较大切削力。铣削试验采用前角较大的刀具。能获得较大剪切角。可降低铣削力。但刀具前角不宜过分增大。否则会导致刀具刃尖强度下降。进而加剧刀具崩刃失效。

图3 切削力随轴向切深的变化

图4展示了轴向切深、铣削振动以及加工表面粗糙度之间的变化关联。能够发现，在切削振动与加工表面粗糙度的关系曲线里，都存在一个转折点。也就是说，当轴向切深是10mm时，切削振动以及加工表面粗糙度达到最小值。超过这个转折点后，随着轴向切深增大，切削振动加速度和加工表面粗糙度的值显著增加。这说明在高速硬铣削超高强度钢时 轴向切深ap对加工表面粗糙度影响明显 对切削加工稳定性影响也明显 不过通过选择合适切削参数 能有效抑制切削振动 能获得较好加工表面质量

对比左图和右图中切削振动的变化趋势。再对比左图和右图中加工表面粗糙度的变化趋势。可以看出二者具有相似的特征。轴向切深是切削加工的重要参数。它与加工表面粗糙度没有直接关联。但是轴向切深会直接影响刀具在铣削中的振动程度。刀具的振动变化会对加工表面质量产生明显的影响

(2)切削参数正交试验结果分析

①切削力分析

在轴向切深单因素试验基础上。经优选。确定后续切削参数正交试验采用10mm轴向切深。对正交试验数据用极差分析法分析。得到切削力受各参数变化影响的结果如图5所示。图5c显示。减小径向切宽可有效降低切削力。原因是随径向切削宽度减小。切屑厚度变薄。材料去除率减小。切削功减小。图5a显示，提高切削速度，对切向力影响不大。随着切削速度持续增加，切向力呈下降态势。不过，径向力和切削合力增长迅速。所以，为控制切削合力与径向力，切削速度不宜太高，径向切削宽度也应选较小值。

(a)

(b)

图4 切削振动及加工表面粗糙度随轴向切深的变化

(a)

(b)

(c)

图5 铣削力随铣削参数的变化

从图5a以及图5c能够看出，切削速度跟径向切宽对切向力的影响不太明显。随着每齿进给量增加，切屑厚度跟着增加，切向力呈增大态势（见图5b）。切屑厚度增加时，切削区工件材料变形系数变小，摩擦系数减小。这两者相互作用，使得切向力呈现出先增大后减小的变化趋向。径向切宽对径向铣削力影响最显著。切削速度的影响次之。每齿进给量对径向力影响较小。切削合力变化趋势与径向力变化相似。这表明在对超高强度钢进行侧铣加工时径向力指标有重要参考价值。

②切削振动分析

图6呈现出不同铣削加工参数时切削振动（加速度）的变化走向。从图6a以及图6b能够看出，伴随切削速度的增大，切削振动（加速度）幅值呈增长态势。伴随径向切削宽度的增大，切削振动（加速度）幅值也呈增长态势。并且在二者之中，切削速度对加工振动的影响最为显著。随着每齿进给量的增加，切削振动的幅值持续递减。对比径向力随切削速度和径向切宽的变化趋势（参考图5a和图5b）。再对比切削振动（加速度）随切削速度和径向切宽的变化趋势（参考图6a和图6b）。由此可以看出二者具备相似特征。这表明在超高强度钢的侧铣加工里。径向力对切削振动的影响最为显著。较大的径向力会引发较大的切削振动。切削振动会让加工表面粗糙度增大。要抑制振动，应采用径向力小的切削参数。图6显示，要获得较小的切削振动，须选取小的切削速度。还要选取小的径向切削宽度。并且要适当增大每齿进给量。

(a)

(b)

(c)

图6 切削振动(加速度)随铣削用量的变化

③加工表面粗糙度分析

如图7所示 切削速度对加工表面粗糙度有显著影响 径向切削宽度对加工表面粗糙度也有显著影响 每齿进给量对表面粗糙度影响较小 联系图6a 图6c 图7a 图7c 加工表面粗糙度随铣削用量变化 其变化趋势与切削振动随铣削用量变化趋势相同 加工过程中切削振动会严重恶化加工表面粗糙度 切削振动增大时 加工表面粗糙度也呈增大趋势因此 要得到较好的加工表面粗糙度 应尽量控制切削振动 使其处于较小程度

④切屑形态分析

超高强度钢的高速铣削加工是一种硬切削过程。此过程中产生的切屑呈锯齿形。如图8所示。锯齿形切屑是硬态铣削过程的明显特征。锯齿形切屑的产生会引发切削力的高频周期性变化。还会引发切削振动的高频周期性变化。进而增大刀具在加工过程中的磨损速率。缩短刀具寿命。并最终恶化加工表面质量

(a)

(b)

(c)

图7 加工表面粗糙度随切削用量的变化

图8展示了30Cr3SiNiMoVA在高速铣削时的典型锯齿状切屑此时切削速度vc为90m/min

如图9所示，在不同切削参数的正交试验里，切屑形态基本一样。都是有规律的螺卷形切屑。在切削加工进程中，排屑顺利。这表明在侧铣加工时，刀具和材料在切削时具备良好的断屑性能。不过随着切削速度提升，切屑颜色渐渐从银白色变成红褐色。当切削速度增加到90m/min以上时。切屑颜色从红褐色变成蓝紫色。这表明此时切削区温度很高。大量热量通过切屑带走。进而在一定程度上防止了热量在切削加工区积聚

(a)vc=50m/min

(b)vc=70m/min

(c)vc=90m/min

图9 不同切削速度下产生的切屑形态

小结

把切削力、切削振动、加工表面质量以及切屑形态当作研究对象。对30Cr3SiNiMoVA低合金超高强度钢的高速铣削加工表现与性能展开研究。总结并获取了材料切削性能在不同加工参数下的影响变化规律。得出了以下结论：

在超高强度钢侧铣加工过程中，采用10mm轴向切深时切削力相对较小。要获得最佳加工质量，需把切削合力与切削振动控制在较小范围。为此，要采用较小切削速度和径向切削宽度，还要适当增大每齿进给量

切削振动受切削用量影响。加工表面粗糙度也受切削用量影响。二者变化趋势相近。切削振动对加工表面粗糙度影响较大。所以为获得较好加工表面粗糙度。需选择能把切削振动控制在较小程度的加工参数。

锯齿形切屑是超高强度钢高速铣削加工中的典型特征。螺卷状切屑也是超高强度钢高速铣削加工中的典型特征。随着切削速度提高。切屑颜色发生转变。从银白色变为红褐色。又变为蓝紫色。

本文开展了30Cr3SiNiMoVA超高强度钢高速铣削机理研究工作。这一研究工作，会对后续超高强度钢工件“以铣代磨”工艺技术的应用起到支撑作用。通过改进刀具结构设计，提高刃口强度。还通过优化匹配切削加工参数，从而获得与磨削加工相当的表面粗糙度和加工精度等级。