NAK80是一種新型高級鏡面塑料模具鋼，大量用于制造家電、汽車等行業用的大型精密模具。研究該材料的切削加工性，對于保證模具加工質量、提高加工效率、降低生產成本有著重要意義。通過對NAK80模具鋼的切削試驗，研究了切削用量與切削力、刀具磨損及表面粗糙度的關系，分析了刀具磨損機理，對NAK80模具鋼的切削加工性進行了評價，為實際生產提供了理論和試驗依據。

㈠試驗條件
⒈試驗材料：NAK80模具鋼
化學成分：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％ ；機械性能：σ_b= 1210MPa， δ=17％ ，α_k=1．19MJ／m²，硬度40HRC；金相組織：粒狀貝氏體和板條狀馬氏體。
⒉試驗機床：C616A車床。
⒊試驗刀具：YW2硬質合金刀片。幾何角度：κr= 90°，γ= 15°， λs=0°，α0=8°，κr＇=30°，α0＇=8°。
⒋采樣參數：采樣頻率：5000Hz，采樣時問：15秒。
⒌測量儀器：Kistler9257BA型測力儀；HIROX三維顯示系統；2201型表面粗糙度檢查儀。

㈡試驗結果與分析
⒈切削力與切削用量關聯度的建立
由于切削力主要受切削深度α_p進給量f和切削速度v等因素的影響，為了以盡可能少的試驗次數獲得有說服力的試驗結論，我們確定采用正交試驗法進行切削力試驗，即選取3個因素α_p、f和ν，各因素的水平數取3，分別為：α_p=0．2，0．5，1．0mm；f=0．1，0．14，0．2mm/r； ν=117．3，95．4，83．4m/min。切削試驗數據見表1。
表1 NAK80塑料模具鋼切削試驗數據
序號  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
對試驗結果進行非線性回歸處理，得到主切削力Fz、切深抗力Fy、進給抗力Fx三向切削力經驗
公式分別為
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
由上述經驗公式可看出切削力與切削用量α_p、f、v之間的定量關系，即式中各變量的指數大小可反映出各因素對切削力的影響趨勢和影響程度。主切削力Fz隨切削深度α_p及進給量．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α_p對Fz的影響最大，進給量f次之。
⒉刀具磨損試驗結果與分析
在切削深度α_p=1．0mm，進給量f=0．14mm／r，切削速度v=84．7m／min的條件下，對NAK80模具鋼與45鋼進行了刀具磨損對比切削試驗。每去除一定體積的試件材料后，在HIROX三維顯示系統下觀察刀具切削刃形貌及測量刀具后刀面磨損值，同時用Kistler測力儀跟蹤切削力變化情況，并選取刀具磨鈍標準VB=0.25mm.
當刀具后刀面磨損量達到VB=0.25mm時，45鋼的材料去除量約為NAK80模具鋼的4倍，這表明加工NAK80鋼時刀具磨損相當嚴重，這主要是受材料機械性能、化學成分和顯微組織等因素的影響。
將本試驗結果與45鋼的切削力經驗公式對比可知，在相同切削條件下，切削NAK80鋼的切削力比切削45鋼(正火態)約增大39％ ，這主要是因為NAK80模具鋼的抗拉強度高達1210MPa，超過45鋼的兩倍，相應地其剪切屈服強度高，變形抗力大，所需的切削力也大。同時，NAK80模具鋼的硬度達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硬質點，切削時功耗高，產生大量切削熱，導致切削溫度高。材料中的硬夾雜物使刀具前刀面與切屑底部發生劇烈摩擦，從而出現溝紋；另外，工件材料晶界處的微細硬質點提高了材料強度和硬度，使切削時剪切變形抗力增大，刀屑接觸長度減小，刀尖接觸面上的應力顯著增大，在高溫高壓作用下，兩種材料發生粘結，當粘結部分的單位切向力超過該處材料的剪切屈服強度時，粘結層與其下層金屬產生相對運動，被切屑帶走，導致前刀面出現麻點和凹坑。因此，加工NAK80模具鋼時，刀具的主要磨損形式為磨料磨損和粘結磨損，而材料組織中存在大量硬質點是造成刀具磨損加劇的又一重要因素。
⒊表面粗糙度檢測結果
用2201型表面粗糙度檢查儀沿試件外圓面測量加工表面粗糙度。在切削深度α_p=0．5mm保持不變的情況下，分別選取三組進給量f=0．1，0．14，0．24mm/r和切削速度v=104．2，84．8，74．1，65．3m/min，檢測出切削速度對表面粗糙度的影響，檢測結果:隨著切削速度增大，表面粗糙度值減小，當切削速度超過80～90m/min時，表面粗糙度基本穩定在某一Ra值上，且隨著進給量的減小，表面粗糙度降低。
⒋切屑形態
NAK80鋼在低速區和高速區均產生長螺卷屑，連綿不斷長達數米，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。

㈢結論
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度。
⒉切削NAK80模具鋼時，刀具的磨損速率約為切削45鋼時的4倍，這主要因為材料硬度高及組織中存在大量硬質點；刀具的主要磨損形式為磨料磨損和粘結磨損。
⒊加工NAK80模具鋼時，當切削速度超過80～90m/min時，表面粗糙度低且穩定。
⒋切削NAK80模具鋼的切屑為長螺卷屑，且可控性差。

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文章來源：東莞市弘超模具科技有限公司 技術中心
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