Some Observations of the Chip Formation Process and the White Layer Formation in High Speed Milling of Hardened Steel

With the advent of recent advances in machine tools design (main spindle, feed drives, etc.), high-speed milling has become a cost-effective manufacturing process to produce products with high surface quality, low variations in the machined surface characteristics, and excellent dimensional accuracy. In taking into account the most obvious advantages of high-speed machining over conventional machining, a key issue is to identify the effective range of cutting speed that corresponds to high-speed machining producing improved machining performance. The simple reason for this is the fact that machining performance improves when entering the high-speed region but, large increase in cutting speed is not cost-effective due to rapidly increasing tool-wear rates and high power consumption. In order to address this issue requiring a trade-off, an attempt has been made in this paper by formulating an approximate procedure which is based on the analysis of chip-formation mechanisms and a chip-shape analysis, together with the use of metallographic methods. This procedure includes fundamental understanding of the well-known phenomena of white layer formation during the high-speed machining of hardened steels. Essentially, the white layer generated on a machined surface represents a surface defect. Therefore, it is necessary to determine the factors influencing its generation and its prevalent characteristics. There is lack of knowledge in this area, which tends to present the influence of the white layer on the surface integrity and performance of the machined part as a function of machining conditions. This article provides a basis for the determination of the optimal range of cutting speeds and feed rates in high-speed milling of hardened steels ensuring minimized influence of the white layer on the workpiece quality and machined surface integrity.     

高速铣削淬硬模具钢的切屑变形

使用TiAlN涂层整体圆柱立铣刀,以200～942m/min的铣削速度,对淬硬P20钢进行了高速铣削试验,研究了各种切削速度下的切屑变形。对于淬火硬度为41HRC的P20钢,切削速度为754～942m/min时,形成了带有绝热剪切带的锯齿形切屑;对于淬火硬度为32HRC的P20钢,锯齿形切屑形成的切削速度是848～942m/min;切削速度和工件硬度对切屑变形有着重要的影响。基于切屑纵截面尺寸的微观测量,建立了高速铣削淬硬钢时锯齿形切屑变形的计算模型。结果显示：应变、应变率和锯齿频率随切削速度增大而快速增大,在切削速度为942m/min时,它们分别高达23、107s－1和244kHz。     

淬硬钢的高速铣削加工

本文讨论了与淬硬钢高速铣削加工有关的主要方面,包括切削刀具、刀具路径、加工参数等.并着重论述了一些在高速 铣削加工中应当注意的问题。     

高速立铣P20淬硬钢的切屑形态和切削力的试验研究

使用直径为12mm的TiAlN涂层整体圆柱立铣刀,以151～942m/min的切削速度,对硬度为HRC41的P20淬硬钢进行了高速铣削试验,考察了各种切削速度下的切屑形态和切削力。切削速度为151～650m/min时,形成带状切屑;切削速度为754～942m/min时,形成锯齿形切屑。切削力随切削速度的增大而增大,当切削速度增大到某一临界值,切削力达到最大,此后,随切削速度的继续增大,切削力减小。基于高速切削变形理论,分析了切削速度对切削力的影响规律。     

高速铣削淬硬钢时的切屑形态试验研究

使用Ti Al N涂层整体圆柱立铣刀,以(151~942)m/min的铣削速度,对淬硬的45钢和3Cr2Mo钢进行了高速铣削试验,研究了各种切削速度下的宏观及微观切屑形态。发现在高的铣削速度下形成了带有绝热剪切带的锯齿形切屑,并分析了切屑形态的演化过程。工件材料的硬度、强度、导热性能及切削速度对切屑形态和绝热剪切带的形成有着重要的影响。工件材料越硬、强度越高、导热系数越低,切削速度越大,越容易形成带有绝热剪切带的锯齿形切屑,而且,随着切削速度的增加,切屑的形态由卷曲向平坦发展。     

润滑方式对高速铣削淬硬钢的影响

使用TiSiN和TiAlN涂层刀具在3种不同冷却润滑方式下,在高速加工中心上采用固定的切削工艺参数,对淬硬钢SKD11(HRC 62)进行切削试验,研究加工工件的表面粗糙度、切削力、刀具磨损及切屑形态的不同.结果 表明:TiSiN涂层铣刀相对于TiAlN涂层能更好地降低已加工面的表面粗糙度,减小切削力,降低刀具的磨损;...     

高速铣削淬硬钢的表面粗糙度的试验研究

通过试验,对CBN刀具高速铣削淬硬钢工件的表面粗糙度进行了分析。表明润滑方式对表面粗糙度的影响最大,刀具螺旋角的影响次之,而铣削方式的影响较小。     

淬硬模具钢SKD61的高速铣削加工研究

针对淬硬条件下的压铸模常用钢SKD61的高速铣削进行研究，结果表明：铣削速度越高，表面质量越好；油液冷却所得到加工表面质量比气体冷却的好。模具淬硬钢高速铣削加工既可以保证加工表面的质量，又可以获得较高的生产效率。     

高速铣削P20和45淬硬钢的切削力

使用TiAlN涂层的整体硬质合金球形立铣刀，对45钢（52HRC、48HRC、42HRC）及P20钢（41HRC、33HRC）进行了高速铣削试验。基于材料变形下的流动应力方程及剪切角理论，分析了切削速度、工件硬度、材料性能对切削力的影响。试验中的切削参数如下：切削速度为156～816m／min，每齿进给量为0．1mm，轴向切削深度为3mm，切削宽度为1mm。结果表明：高速铣削淬硬钢产生锯齿形切屑，切削速度和工件硬度对切削力有显著影响。     

淬硬轴承钢高速切削过程的实验与仿真

通过切削实验和有限元仿真相结合。研究了3种典型刃口形式即锋利切削刃口、倒圆刃口和倒棱刃口对高速切削高硬度（60～62HRC）的GCr15材料时的切削温度、切削力和已加工表面残余应力的影响规律。结果显示，在硬态切削条件下，倒棱形式刃口产生的切削热传给刀具和已加工表面的比例较少。对已加工表面残余应力的仿真结果表明，倒棱刃口与倒圆刃口都在已加工表面表层存在拉应力，在距表层150～200μm之间存在一最大的压应力，数值都是-200MPa左右，所不同的是倒圆刃口形式的残余应力变质层的厚度要大一些，与实验数据相比，残余应力的变化规律相同，应力变质层厚度相同，但实验得到的最大压应力数值要大一倍左右。     

激光加热辅助车削淬硬钢的白层形成临界切削速度预测与实验研究

淬硬钢已加工表面极易产生白层,对零件的服役性能造成很大影响,采用激光加热辅助车削替代常规车削来加工淬硬钢可解决白层形成的问题.利用VDFLUX用户子程序建立了热力耦合移动激光加热辅助车削过程有限元模型并进行仿真.基于有限元模型仿真结果和白层形成临界切削速度预测模型,分析了不同激光预热参数对白层形成临界切削速度的影响.结...     

TiAlN涂层刀具高速铣削淬硬模具钢时磨损规律与寿命的研究

基于涂层刀具的摩擦学机理,通过干铣削、水溶性切削液、空气油雾、氮气油雾介质下淬硬模具钢高速铣削磨损试验的研究,得出氮铝钛（TiAlN）涂层刀具高速铣削淬硬模具钢时的磨损规律与寿命。     

PCBN刀具铣削淬火钢切屑形成机理的探讨

综述了有关淬火钢高温软化切削机理的研究现状，通过T-V耐用度试验、铣削力试验和切屑显微组织的分析，对PCBN刀具铣削淬火钢的切屑形成机理及切屑形态进行了分析和讨论，证实了切削区切屑金属相变的存在。     

淬硬钢高速铣削表面粗糙度预测模型研究

应用响应面法建立了淬硬模具钢高速铣削表面粗糙度的预测模型,并分析了切削速度、进给率和轴向切削深度对表面粗糙度的影响,发现进给率是影响表面粗糙度的主要因素.该模型的置信度为95%,预测结果和试验测得的数据十分吻合,对实际生产加工中切削参数的优化选择具有一定的指导作用.     

人工神经网络预测高速铣削淬硬钢圆弧切削力

在高速加工中心上，用φ2mm铣刀，采用单因素法，对45#淬硬钢（52HRC）进行了高速铣削圆弧路径的实验。建立BPNN人工神经网络模型，用此模型对实验结果进行预测，结果表明，其结果与实验数据有很好的吻合性。切削力的准确预测不仅对合理选择切削用量、刀具几何参数有重要的作用，还是刀具磨损状态的关键指标。利用此模型，可为加工参数和刀具选择提供依据。     

高速切削淬硬模具钢切屑形成机理的试验研究

对淬硬到60HRC的冷作模具钢Cr12MoV进行高速车削试验研究,分析了切削用量对切屑形成的影响规律。试验发现在中低切削速度时出现锯齿型切屑,但是在高切削速度下却出现带状切屑这种反常现象。同时切削速度对切屑变形系数的影响与传统金属切削理论相反。另外,经分析认为高硬度材料在高速切削时切屑形成主要由切削过程中的绝热剪切和金属热软化以及材料热导率变化共同作用的结果。     

40Cr钢磨削淬火层组织及其形成机理

采用棕刚玉砂轮在MMD7125型精密平面磨床上对40Cr钢进行了磨削淬火试验,研究了淬硬层组织及形成机理。结果表明:采用适当的磨削参数可满足该钢所要求的淬火温度,进而获得适宜的淬硬层显微硬度和强化层深度;磨削淬火层由完全硬化区和过渡区组成;完全硬化区主要由细小针状马氏体组成,从表面到里层,组织形貌呈现“细→粗→细“的变化规律,其形成机理是热-力耦合作用影响磨削淬火过程中的奥氏体晶粒大小及其位错密度,并将直接影响转变后的马氏体组织形貌。     

淬硬钢高速微小孔钻削工艺试验研究

从淬硬钢高速微小孔钻削时钻头承受的负荷入手,以HRC62淬硬轴承钢材料为对象,通过试验的方法,检测和分析钻削过程中动态切削力(轴向力和扭矩)的特征,研究淬硬钢微小孔钻削的可行性和切削条件。并通过试验研究切削速度、进给量等钻削工艺参数对切削力的影响规律,提出改善硬态切削性能、提高钻头耐用度的淬硬钢微小孔钻削工艺规范。     

干硬切削表面白层厚度的建模与预测

干硬切削加工过程中产生的表面白层对零件的使用性能和使用寿命有很大影响,对白层厚度进行准确的定量预测具有重要的理论意义与应用价值。基于材料的化学热力学基本理论,对切削过程中合金元素、应力、应变等因素耦合影响下的奥氏体相变温度进行了理论推导,根据计算出的相变温度和有限元的模拟结果,建立了基于相变形成相理的白层厚度预测模型。GCr15淬硬钢试验结果与预测结果对比分析表明,本模型适用于热力耦合占主导地位的切削过程,该模型能够在考虑了热-力耦合因素的情况下更为准确地预测出干硬切削表面相变白层的厚度。     

高速铣削过程铣削力建模及析因试验分析

根据铣削过程和铣刀的几何模型,建立铣削力的瞬时表达式和平均切削力公式,给出基于响应曲面法的切削力系数的二次多项式。综合应用析因试验设计和统计分析理论,计算切削力系数的回归系数模型并分析了切削参数对切削力系数的影响规律。