日本大同塑料模具钢NAK80切削加工性的研究

㈠试验条件
⒈试验材料： href="/-3-116-151.html">NAK80模具钢
化学成分：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％ ；机械性能：σ_b= 1210MPa， δ=17％ ，α_k=1．19MJ／m²，硬度40HRC；金相组织：粒状贝氏体和板条状马氏体。
⒉试验机床：C616A车床。
⒊试验刀具：YW2硬质合金刀片。几何角度：κr= 90°，γ= 15°， λs=0°，α0=8°，κr＇=30°，α0＇=8°。
⒋采样参数：采样频率：5000Hz，采样时问：15秒。
⒌测量仪器：Kistler9257BA型测力仪；HIROX三维显示系统；2201型表面粗糙度检查仪。

㈡试验结果与分析
⒈切削力与切削用量关联度的建立
由于切削力主要受切削深度α_p进给量f和切削速度v等因素的影响，为了以尽可能少的试验次数获得有说服力的试验结论，我们确定采用正交试验法进行切削力试验，即选取3个因素α_p、f和ν，各因素的水平数取3，分别为：α_p=0．2，0．5，1．0mm；f=0．1，0．14，0．2mm/r； ν=117．3，95．4，83．4m/min。切削试验数据见表1。
表1 NAK80塑料模具钢切削试验数据
序号  f(mm/r)  α_p(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
对试验结果进行非线性回归处理，得到主切削力Fz、切深抗力Fy、进给抗力Fx三向切削力经验
公式分别为
Fz= 6284.06α_p^0.879f^0.664v^-0.406
Fy= 61.83α_p^0.308f^0.478v^-0.286
Fx= 1031.58α_p^1.129f^0.264v^-0.292
由上述经验公式可看出切削力与切削用量α_p、f、v之间的定量关系，即式中各变量的指数大小可反映出各因素对切削力的影响趋势和影响程度。主切削力Fz随切削深度α_p及进给量．f的增大而增大，随切削速度v的增大而减小；其中，切削深度α_p对Fz的影响最大，进给量f次之。
⒉刀具磨损试验结果与分析
在切削深度α_p=1．0mm，进给量f=0．14mm／r，切削速度v=84．7m／min的条件下，对NAK80模具钢与45钢进行了刀具磨损对比切削试验。每去除一定体积的试件材料后，在HIROX三维显示系统下观察刀具切削刃形貌及测量刀具后刀面磨损值，同时用Kistler测力仪跟踪切削力变化情况，并选取刀具磨钝标准VB=0.25mm.
当刀具后刀面磨损量达到VB=0.25mm时，45钢的材料去除量约为NAK80模具钢的4倍，这表明加工NAK80钢时刀具磨损相当严重，这主要是受材料机械性能、化学成分和显微组织等因素的影响。
将本试验结果与45钢的切削力经验公式对比可知，在相同切削条件下，切削NAK80钢的切削力比切削45钢(正火态)约增大39％ ，这主要是因为NAK80模具钢的抗拉强度高达1210MPa，超过45钢的两倍，相应地其剪切屈服强度高，变形抗力大，所需的切削力也大。同时，NAK80模具钢的硬度达40HRC，也加快了刀具磨损速率。另一方面，NAK80模具钢组织中存在板条状马氏体，且有大量Ni₃Al、ε-Cu硬质点，切削时功耗高，产生大量切削热，导致切削温度高。材料中的硬夹杂物使刀具前刀面与切屑底部发生剧烈摩擦，从而出现沟纹；另外，工件材料晶界处的微细硬质点提高了材料强度和硬度，使切削时剪切变形抗力增大，刀屑接触长度减小，刀尖接触面上的应力显著增大，在高温高压作用下，两种材料发生粘结，当粘结部分的单位切向力超过该处材料的剪切屈服强度时，粘结层与其下层金属产生相对运动，被切屑带走，导致前刀面出现麻点和凹坑。因此，加工NAK80模具钢时，刀具的主要磨损形式为磨料磨损和粘结磨损，而材料组织中存在大量硬质点是造成刀具磨损加剧的又一重要因素。
⒊表面粗糙度检测结果
用2201型表面粗糙度检查仪沿试件外圆面测量加工表面粗糙度。在切削深度α_p=0．5mm保持不变的情况下，分别选取三组进给量f=0．1，0．14，0．24mm/r和切削速度v=104．2，84．8，74．1，65．3m/min，检测出切削速度对表面粗糙度的影响，检测结果:随着切削速度增大，表面粗糙度值减小，当切削速度超过80～90m/min时，表面粗糙度基本稳定在某一Ra值上，且随着进给量的减小，表面粗糙度降低。
⒋切屑形态
NAK80钢在低速区和高速区均产生长螺卷屑，连绵不断长达数米，难以自行折断，且易缠绕在工件及刀具上，拉伤工件表面，因此该材料的切屑可控性差。

㈢结论
⒈与45钢相比，引起NAK80模具钢切削力增大的主要原因是材料的高强度。
⒉切削 NAK80模具钢时，刀具的磨损速率约为切削45钢时的4倍，这主要因为材料硬度高及组织中存在大量硬质点；刀具的主要磨损形式为磨料磨损和粘结磨损。
⒊加工NAK80模具钢时，当切削速度超过80～90m/min时，表面粗糙度低且稳定。
⒋切削NAK80模具钢的切屑为长螺卷屑，且可控性差。

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