精密干式硬態(tài)車削淬硬工具鋼加工表面溫度參數(shù)優(yōu)化*

彌 寧，唐林虎，黃建龍

(1.隴東學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000;2.蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，甘肅 蘭州 730050;3.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

精密干式硬態(tài)切削(FDHC)［1－2］具有高效率、低能耗、無污染及已加工表面損傷小的優(yōu)點(diǎn)，是最具應(yīng)用前景的先進(jìn)制造技術(shù)［3］。利用該技術(shù)加工淬硬鋼等難加工材料時，材料的高強(qiáng)度和高硬度使切削溫度高達(dá)800～1000℃［4］，這會嚴(yán)重影響已加工表面的質(zhì)量［5－6］。Tang［7－8］結(jié)合 Abaqus 軟件的動態(tài)切削仿真與切削試驗研究了PCBN刀具FDHC淬硬工具鋼AISI D2時切削刃、已加工表面等區(qū)域的溫度場。

筆者將利用正交試驗法，分析切削速度v、切削深度ap、走刀量f、工件淬火硬度H與刀尖半徑rε對已加工表面溫度影響的顯著性，并對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 車削試驗

2.1 試驗設(shè)備

車削試驗方案如圖1所示，在CAK6150Dj數(shù)控車床上進(jìn)行車削試驗，測溫系統(tǒng)設(shè)備由UT306紅外線測溫儀完成。如圖2所示，將裝有電池的紅外線測溫儀所提供的USB傳輸線接收端插入儀表的USB槽中，然后將連線的另一端與電腦的USB正確連接即可。車削過程中，啟用裝在電腦上的相應(yīng)測溫軟件，便可將測量過程中的數(shù)據(jù)實時記錄。

圖1 車削試驗方案

2.2 試件材料

試件材料采用Cr12MoV工具鋼，其化學(xué)成分依次為:C:1.55;Cr:11.25;Mo:0.45;Mn:0.35;Si:0.35;P:0.025;S:0.025;V:0.20。試驗件材料采用Cr12MoV工具鋼，直徑為48 mm，長度為300 mm。通過1040℃熱處理淬火后，經(jīng)不同的低溫回火［9－10］，得到硬度為51、58、62±1HRC的試件。

圖2 精密干式硬態(tài)車削

2.3 刀具組成、性能及有效幾何參數(shù)

選用北京沃爾德超硬工具有限公司生產(chǎn)的PCBN復(fù)合刀具(其中CBN刀頭的組成和性能見表1)，型號為SCGN150404。訂購的PCBN復(fù)合刀具裝夾在刀體后的有效幾何參數(shù)如表2所示。

表1 CBN刀頭的組成和性能

表2 PCBN刀具的有效參數(shù)

2.4 試驗方案的選擇

由于FDHT淬硬工具鋼過程中的工作量大，因此，利用正交試驗方案設(shè)計車削試驗［11］。該法優(yōu)點(diǎn)在于能以較少的試驗次數(shù)獲得大量的試驗數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)對切削速度v、切削深度ap、走刀量f、工件硬度H，刀尖半徑rε5個參數(shù)分別取三種不同水平，即五因素三水平正交表(35)，其變量水平如表3所列。

表3 變量水平

3 θW的試驗結(jié)果

試驗方案與結(jié)果分析如表4所列。

表4 已加工表面溫度的試驗方案與結(jié)果

續(xù)表4

4 分析與討論

4.1 影響因素的顯著性分析

通過對表4中數(shù)據(jù)的極差分析，可衡量各個影響因素對試驗結(jié)果影響的大小，同時可以決定最好因素水平的組合。圖3描述了極差的變化，結(jié)合表4的極差分析可知，5個影響因素中，對工件表面溫度影響的顯著性由強(qiáng)到弱依次為:工件淬火硬度H＞切削速度v＞切削深度ap≈走刀量f＞刀尖圓弧半徑rε。

圖3 影響因素的極差分析

4.2 影響因素的參數(shù)優(yōu)化

其因素與指標(biāo)的關(guān)系圖如圖4所示。通過對試驗結(jié)果分析可得各因素變化時，指標(biāo)的變化規(guī)律如下:

(1)速度從75 m/min增大到226 m/min時，工件表面溫度先小幅升高后急劇下降;這是因為當(dāng)切削速度大幅度提高時，切屑飛離工件的速度的相應(yīng)提高，此時，會帶走大量的熱量，從而已加工表面的溫度θW也大幅度降低。

(2)切削深度從0.10 mm增大到0.30 mm時，θW先急劇增大后小幅降低;這是因為當(dāng)切削深度增加時，增大的切削力會引起做功增大，從而切削熱會增加;另一方面，切削深度的增大導(dǎo)致單位時間內(nèi)切去的材料增加，這樣，切屑在單位時間內(nèi)帶走的熱量會明顯增多。在此機(jī)理作用下，工件已加工表面的溫度θW會呈現(xiàn)如圖4所示的趨勢。

(3)走刀量從0.10 mm/r增大到0.30 mm/r時，工件表面溫度基本呈線性方式降低;這是因為，當(dāng)走刀量增大時，工件表面單位面積上刀尖接觸的時間以及走過的痕跡會減少，這樣，具有極高溫度的刀尖與工件表面的傳熱時間會大幅度減少，從而，工件表面的溫度會以線性方式降低。

(4)工件淬火硬度從51增大到64±1 HRC時，工件表面溫度基本呈線性方式增大。

(5)刀尖圓弧半徑 rε由0.8～1.6 mm 變化時，刀尖圓弧半徑越大，已加工表面的溫度越高;因為處于高溫狀態(tài)下的刀尖當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑增大時傳給工件表面的熱量會增加;同時，較大的刀尖圓弧半徑能使切屑變形程度增大［1，5］，產(chǎn)生的切削熱增加，故而工件表面的溫度相應(yīng)較高。

(6)可見，工件表面溫度是由切削熱的產(chǎn)生與傳出的平衡條件決定的。產(chǎn)生的切削熱越多，切屑帶走的熱量越少，刀尖與工件的接觸時間越少，刀－工接觸弧長越大，工件表面的溫度越高。反之，工件表面溫度越低。

(7)若以工件表面最低溫度為優(yōu)化目標(biāo)，則同一淬硬狀態(tài)工件的最優(yōu)車削參數(shù)為A3B1C3E1。

圖4 工件表面溫度θW與5個影響因素的關(guān)系

5 結(jié)論

利用PCBN刀具對淬硬工具鋼Cr12MoV進(jìn)行了一系列精密干式硬態(tài)車削試驗，并運(yùn)用極差法分析，得到了影響因素對工件表面溫度影響的顯著性，其由強(qiáng)到弱依次為:工件淬火硬度H＞切削速度v＞切削深度ap≈走刀量f＞刀尖圓弧半徑rε。同時，得到了車削不同淬硬狀態(tài)工具鋼時最低工件表面溫度的最優(yōu)車削參數(shù)，其 v=226m/min，f=0.10 mm，ap=0.30 mm，rε=0.8 mm。

［1］唐林虎，黃建龍，高成秀，等.干式硬態(tài)車削淬硬工具鋼Cr12MoV表面粗糙度試驗與預(yù)測模型［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2012，38(2):34－36.

［2］唐林虎，黃建龍，高成秀.精密干式硬態(tài)車削淬硬工具鋼時表面粗糙度的參數(shù)優(yōu)化［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(1):112－114.

［3］Klocke F，Brinksmeier E，Weinert K.Capability profile of hard cutting and grinding processes［J］.Annals of the CIRP，2005，54(2):552－580.

［4］文東輝.PCBN刀具硬態(tài)切削機(jī)理及技術(shù)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2002.

［5］El－Wardany T I，Kishawy H A，Elbestawi M A.Surface Integrity of Die Material in High Speed Hard Machining，Part 1:Micrographical Analysis［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2000，122(4):620 －631.

［6］El－Wardany T I，Kishawy H A，Elbestawi M A.Surface Integrity of Die Material in High Speed Hard Machining，Part 2:Microhardness Variations and Residual Stresses［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2000，122(4):632 －641.

［7］Tang L，Huang J，Xie L.Cutting tool edge temperature in dry hard orthogonal cutting AISI D2 tool steel with CBN tool［J］.Advanced Materials Research，2010(6):169－173.

［8］Tang L，Huang J，Xie L.Finite element modeling and simulation in dry hard orthogonal cutting AISI D2 tool steel with CBN cutting tool［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，53(1/2):1167 －1181.

［9］鄒安全，鄧芬燕.Cr12MoV模具鋼熱處理工藝試驗研究［J］.模具工業(yè)，2001(11):55－57.

［10］王麗君，苗 彬，孟先新.Cr12MoV鋼不同熱處理條件下的硬度和金相組織分析［J］.模具工業(yè)，2005(9):52－56.

［11］中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所數(shù)理統(tǒng)計組.正交實驗法［M］.北京:人民教育出版社，1975.