高強(qiáng)度鋼干切削加工表面粗糙度幾何輪廓特征分析*

辛 民 龍震海

(①中國(guó)神華能源股份有限公司鐵路貨車(chē)運(yùn)輸分公司技術(shù)部，北京100011;②北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京100081)

隨著節(jié)能、環(huán)保概念的宣傳和推廣，少/無(wú)切削液加工技術(shù)在工業(yè)界也日益受到重視［1-2］。切削液的主要作用是減少切削過(guò)程中第一剪切變形區(qū)的切削溫度，改善第二、第三剪切變形區(qū)的邊界潤(rùn)滑條件［3］。因此，在加工過(guò)程中減少甚至取消切削液的使用量，對(duì)已加工表面質(zhì)量和刀具壽命都會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。隨著涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、CBN 等高性能刀具材料技術(shù)的發(fā)展，干切削條件下的刀具磨損問(wèn)題逐漸得到改善。但與此同時(shí)，對(duì)于干切削和少潤(rùn)滑液切削加工是否會(huì)對(duì)已加工表面質(zhì)量及其使用性能產(chǎn)生不利影響的顧慮依舊存在。

本次研究力圖通過(guò)干切削與油潤(rùn)滑條件下的對(duì)比車(chē)切削工藝試驗(yàn)，考查邊界潤(rùn)滑條件下，高強(qiáng)度鋼工件已加工表面幾何輪廓曲線特征參數(shù)的變化規(guī)律，以期深入理解干切削加工機(jī)理，闡明加工表面粗糙度特征參數(shù)變化規(guī)律及其對(duì)工件表面質(zhì)量的作用影響。

1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)研究選用高強(qiáng)度合金鋼30CrMnSiA 為試驗(yàn)對(duì)象，其機(jī)械物理性能為:屈服強(qiáng)度800 MPa，硬度40 HRC，斷面收縮率0.27，回火馬氏體組織，晶粒度為8 級(jí)。外圓車(chē)削削試驗(yàn)在森精Sl -25 m 型精密數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行。車(chē)削刀具選用DNMG432 涂層硬質(zhì)合金車(chē)刀片(刀尖圓弧半徑re=0.8 mm)。切削液為常規(guī)油性切削液，與工件軸線90°角垂直澆注。切削速度選擇50、100、150、200 m/min 共4 個(gè)水平，進(jìn)給量固定為0.1 mm/r，背吃刀量固定為0.25 mm。試驗(yàn)過(guò)程中，使用同一刀尖對(duì)兩獨(dú)立試樣分別進(jìn)行油潤(rùn)滑切削和干切削，總切削長(zhǎng)度不超過(guò)3 m，盡可能保持刀尖刃口磨損狀態(tài)一致。

加工表面輪廓與表面粗糙度指標(biāo)測(cè)量采用的是三豐SV-400 型表面輪廓測(cè)量?jī)x，取樣長(zhǎng)度2.5 mm，評(píng)定長(zhǎng)度選擇4 mm，采樣頻率0.5 μm。使用輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓最大高度Ry作為輪廓曲線的幅值參數(shù)表征。Ra和Ry的計(jì)算分別見(jiàn)式(1)、(2)。同一加工表面沿圓周方向均勻分布測(cè)量8 次，取平均值為試驗(yàn)測(cè)量值。根據(jù)文獻(xiàn)［4 -8］，使用圓弧刀尖的加工表面粗糙度指標(biāo)的理論值可以由式(3)和(4)得出。

為進(jìn)一步表征加工表面輪廓曲線的微觀特征，使用幅值密度函數(shù)ADF(Amplitude Density Function)和輪廓支撐長(zhǎng)度率tp，作為輪廓曲線幅度分布特征的表達(dá)。幅值密度函數(shù)ADF 是表面輪廓微觀不平度高度的分布函數(shù)，它的圖形曲線可通過(guò)如下方法獲得:將輪廓在取樣長(zhǎng)度內(nèi)分為等間距的n(本次研究選擇n=50)個(gè)縱坐標(biāo);在輪廓峰頂線至輪廓谷底線的區(qū)域內(nèi)，作若干條平行于中線的等間距平行線;兩相鄰平行線在輪廓線上截取的區(qū)域內(nèi)，可計(jì)得含有n個(gè)縱坐標(biāo);由各組相鄰平行線分別計(jì)取所得得坐標(biāo)點(diǎn)連線即為幅值分布曲線。輪廓支撐長(zhǎng)度率tp是輪廓支撐長(zhǎng)度與取樣長(zhǎng)度之比，是幅值密度函數(shù)ADF的累積分布。輪廓支撐長(zhǎng)度曲線的某一點(diǎn)上，支撐長(zhǎng)度率是幅值分布在該點(diǎn)處的累積值。

2 結(jié)果與分析

干切削和油潤(rùn)滑條件下的Ra和Ry值與切削速度之間關(guān)系曲線如圖1 所示。圖中水平點(diǎn)劃線為根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算所得理論粗糙度指標(biāo)值RaT=0.39 μm 和RyT=1.56 μm。在所選試驗(yàn)范圍內(nèi)，油基切削液的加入對(duì)加工表面粗糙度統(tǒng)計(jì)值Ra和Ry的影響并不顯著。對(duì)于Ra指標(biāo)而言，在切削速度為50 m/min 時(shí)，潤(rùn)滑條件下的Ra為0.67 μm，優(yōu)于干切削條件下的0.71 μm。隨著切削速度的增加，干切削時(shí)的表面粗糙度指標(biāo)Ra和Ry值均不同程度大于油潤(rùn)滑條件下所獲得的Ra和Ry值，但相對(duì)誤差隨切削速度的增加逐漸減小。

另一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，除vc=150 m/min 時(shí)實(shí)測(cè)Ra和Ry值與理論計(jì)算值基本相同外，其他速度條件下，Ra和Ry的實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值。該現(xiàn)象表明，在進(jìn)給量0. 1 mm/r 和切削深度0.25 mm條件下，加工表面輪廓的殘留高度不再符合理論幾何輪廓生成機(jī)制。材料在不同切削溫度條件下的熱塑性變形以及邊界潤(rùn)滑的摩擦學(xué)特性，將直接影響切削加工表面輪廓。

圖2 為切削速度vc=50 m/min 時(shí)，干切削與油潤(rùn)滑加工表面輪廓的幅值分布曲線與支撐長(zhǎng)度率曲線。圖2a 中，橫坐標(biāo)為某一幅值在子區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)頻次，縱坐標(biāo)為該子區(qū)間中點(diǎn)位置所在輪廓幅值?？傮w上，干切削與油潤(rùn)滑條件下的輪廓幅值分布規(guī)律基本相同，但在輪廓幅值1.5 μm 處，油潤(rùn)滑切削加工輪廓上輪廓偏距的概率統(tǒng)計(jì)值要高于干切削加工輪廓。此外，油潤(rùn)滑條件下輪廓點(diǎn)的幅值均小于2 μm，而干切削時(shí)最大幅值為3 μm。上述現(xiàn)象表明，vc= 50 m/min 且f= 0. 1 mm/r時(shí)，油性切削液的加入會(huì)對(duì)工件表面輪廓曲線生成產(chǎn)生一定作用，能夠減小粗糙度數(shù)值。

圖2b 中，橫坐標(biāo)為輪廓支承長(zhǎng)度率，縱坐標(biāo)為輪廓曲線的幅值分布。當(dāng)tp低于20%或tp高于70%時(shí)，油潤(rùn)滑加工輪廓的幅值要小于干切削加工輪廓，而當(dāng)tp在20%和70%之間時(shí)，油潤(rùn)滑加工輪廓的幅值要大于干切削加工輪廓?？紤]到輪廓支撐長(zhǎng)度率是工件表面耐磨性能的直觀表征，可以得出:若單純以表面輪廓為考查對(duì)象，干切削加工表面與油潤(rùn)滑加工表面的耐磨性將會(huì)有一定的差別。

圖3 ～5 分別為切削速度vc為100 m/min、150 m/min 和200 m/min 時(shí)的輪廓幅值分布曲線和支承長(zhǎng)度率曲線。當(dāng)切削速度vc為100 m/min 時(shí)，油潤(rùn)滑加工表面輪廓在3 μm 和1.5 μm 幅值處的概率統(tǒng)計(jì)值略高于干切削加工表面輪廓。該現(xiàn)象可以解釋為干切削的輪廓幅值的算術(shù)平均值Ra=1.15 μm 雖然略大于油潤(rùn)滑Ra=1.04 μm，但油潤(rùn)滑時(shí)的Ry=5.5 μm 大于干切削時(shí)的Ry=4.99 μm。在tp低于40%時(shí)，油性切削液的引入對(duì)加工表面的耐磨性能略有提高，但不顯著，而當(dāng)tp高于40 低于80%時(shí)，干切削加工表面的耐磨性則略?xún)?yōu)于油潤(rùn)滑表面。

當(dāng)切削速度為150 m/min 時(shí)，干切削與油潤(rùn)滑加工表面的耐磨性能差別最為顯著。在輕載條件下(tp小于40%)，油潤(rùn)滑加工表面的耐磨性能將優(yōu)于干切削加工表面，而在重載條件下(tp高于40%)，干切削加工表面的耐磨性能要好于油潤(rùn)滑加工表面。當(dāng)切削速為200 m/min 時(shí)，油性切削液的作用基本消失，干切削與油潤(rùn)滑加工表面的幅值分布曲線和輪廓支撐長(zhǎng)度率曲線基本相同。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下研究結(jié)論:

(1)高強(qiáng)度鋼此類(lèi)材料在外圓切削加工中，加工表面粗糙度指標(biāo)Ra和Ry的統(tǒng)計(jì)值，受潤(rùn)滑條件的影響較小;干切削和油潤(rùn)滑條件下，隨切削速度的提高，粗糙度指標(biāo)Ra和Ry的變化趨勢(shì)基本保持一致。

(2)在相近的粗糙度指標(biāo)下，干切削與油潤(rùn)滑條件下，加工表面的輪廓支承長(zhǎng)度率tp的差異，會(huì)導(dǎo)致工件表面耐磨性能的改變。因此，高強(qiáng)度鋼工件需根據(jù)實(shí)際受載情況，慎重選擇干切削加工工藝。

(3)切削速度200 m/min 時(shí)，油性切削液的作用基本消失，干切削和油潤(rùn)滑條件加工表面無(wú)明顯差別。

［1］Diniz A E，F(xiàn)erreira J R，F(xiàn)ilho F T. Influence of refrigeration/lubrication condition on SAE 52100 hardened steel turning at several cutting speeds［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2003，43:317 -326.

［2］Bruni C，L d’Apolito，et al.，F(xiàn)inish milling operations of AISI 420 B stainless steel under dry and wet conditions，In:Proc. of the 10th CIRP International Workshop on Modelling of Machining Operations［C］，Reggio Calabria，Italy (2007)275 -279.

［3］周澤華，于啟勛. 金屬切削原理［M］. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［4］Benardos PG，Vosniakos GC. Predicting surface roughness in machining:a review［J］. Int J Mach Tools Manuf，2003，43:833 –844.

［5］Hasegawa M，Seireg A，Lindberg R A. Surface roughness model for turning［J］. Tribol Int，1976:285-289.

［6］Mital A，Mehta M. Surface finish prediction models for fine turning［J］.Int J Product Res 1998，26(12):1861 -1876.

［7］Chou YK，Song H. Tool nose radius effects on finish turning［J］. J Mater Process Technol 2004，148(2):259 -268.