切削參數(shù)對高速銑削超高強(qiáng)度鋼切屑形態(tài)的影響

吳順興

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

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切削參數(shù)對高速銑削超高強(qiáng)度鋼切屑形態(tài)的影響

吳順興

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

摘要：在不同切削參數(shù)下，對32Cr3NiMoVA超高強(qiáng)度鋼高速銑削過程中產(chǎn)生的切屑形態(tài)進(jìn)行試驗，采用VHX-500F型光學(xué)顯微鏡對切屑的自由表面和后表面進(jìn)行分析.試驗結(jié)果表明，在每齒進(jìn)給量0.2 mm/r、切削深度0.5 mm和切削速度200~1 000 m/min的范圍內(nèi)，形成適宜切削的螺旋狀切屑，并且隨著速度的增加，螺旋狀切屑的直徑先減少后趨于穩(wěn)定值，切屑的鋸齒化程度隨切削速度、每齒進(jìn)給量和切削深度的增加而增大.

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度鋼；32Cr3NiMoVA;高速銑削;切削參數(shù);螺旋狀切屑

高速加工工藝的推廣應(yīng)用是21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的重要任務(wù)[1].超高強(qiáng)度鋼以其優(yōu)異的性能，在航空航天和磨具等領(lǐng)域受到眾多科研工作者的關(guān)注.然而，其高強(qiáng)度、高硬度、低導(dǎo)熱率的特點，使之成為一種難加工材料.目前，國內(nèi)外學(xué)者針對超高強(qiáng)度鋼的切削研究主要集中在切削力、切削溫度和刀具磨損等方面，對切屑還缺乏系統(tǒng)的研究，而切屑是切削機(jī)理研究中的一個重要方面，切屑形成過程中的細(xì)微變化可能會影響到工件的表面質(zhì)量、工件精度和刀具壽命，特別是在高速加工過程中[2-5].筆者針對32Cr3NiMoVA超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了高速銑削試驗，研究了切削參數(shù)對切屑形態(tài)的影響，揭示了32Cr3NiMoVA超高強(qiáng)度鋼高速銑削切屑形態(tài)的形成規(guī)律，為超高強(qiáng)度鋼的銑削加工提供參考.

1試驗設(shè)備和條件

圖1　試驗裝置

表1　32Cr3NiMoVA的化學(xué)組成

高速銑削試驗裝置如圖1所示.試驗選取切削速度、每齒進(jìn)給量和切削深度作為影響因素，銑削方式為干銑削和對稱銑削，切屑試驗參數(shù)設(shè)計如表2所示.試驗開始之前，將一個新的刀片安裝在刀具刀柄上，并收集與每個試驗編號相對應(yīng)的切屑.采用日本基恩士(KEYENCE)超景深顯微鏡對切屑表面進(jìn)行觀察并分析切屑的形態(tài).

表2　切削試驗參數(shù)設(shè)置

2試驗結(jié)果與討論

2.1 切削速度對螺旋狀切屑形狀及直徑的影響

在切削深度ap=0.5 mm，每齒進(jìn)給量f=0.2 mm/r時，32Cr3NiMoVA超高強(qiáng)度鋼所形成的螺旋狀切屑見圖2，圖2b中d表示螺旋狀切屑的直徑.隨機(jī)選取不同切削參數(shù)下的5段切屑，用游標(biāo)卡尺測量其直徑d，取其平均值，繪制螺旋狀切屑直徑隨切削速度的變化曲線(圖2f).從圖2f可知，螺旋狀切屑的直徑隨著切削速度的增加而減小，最后趨于平緩.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，隨著切削速度的增加，切削溫度隨之升高，切屑帶走的熱量也在增加，導(dǎo)致切屑軟化加劇，從而形成螺旋狀切屑.

圖2　不同切削速度下的螺旋狀切屑形狀及其直徑變化趨勢

2.2 不同參數(shù)對切屑自由表面的影響

不同切削速度下的切屑自由表面形貌見圖3.在切削速度v=200 m/min時，切屑的自由表面沒有出現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)，在切削速度v=400 m/min時出現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)，片層結(jié)構(gòu)的頻率隨著切削速度的增加而增大.這是由于切削速度v的提高使得切屑的導(dǎo)熱率減小，增大了材料產(chǎn)生鋸齒的趨勢，致使片層結(jié)構(gòu)的頻率增大.文獻(xiàn)[6]對切削模型做了一定假設(shè)，并將切屑變形方程進(jìn)行無量綱化處理后，分別獲得決定導(dǎo)熱率和產(chǎn)熱率的無量綱參數(shù)λ和q方程，解釋了切削速度的提高會導(dǎo)致導(dǎo)熱率λ減小進(jìn)而增大片層結(jié)構(gòu)頻率的這一現(xiàn)象.

圖3　切削速度對切屑形態(tài)的影響

不同每齒進(jìn)給量下獲得的放大切屑形貌見圖4(v=600 m/min,ap=0.25 mm).從圖4可以清楚地看到，隨著每齒進(jìn)給量的增大，片層結(jié)構(gòu)變得越來越清晰，即切屑的鋸齒化程度得到加強(qiáng).將切屑鋸齒段之間的長度表示為L(圖4b)，在不同切削參數(shù)下獲得每組的切屑，5次測定L并計算其平均值，獲得L隨切削速度的變化趨勢(圖4e).從圖4e可知，L隨著每齒進(jìn)給量的增大而增大，這與文獻(xiàn)[7]結(jié)論一致(應(yīng)變速率和切削速度的增加將導(dǎo)致工件材料的脆性增強(qiáng)，切屑更傾向于形成鋸齒形切屑，但高的切削速度導(dǎo)致高的切削溫度，使材料的脆性減弱).在3個切削參數(shù)中，切削深度ap對切削熱的影響最大，切削速度v次之，進(jìn)給量f的影響最小[5].從理論上分析，在同一速度v不同進(jìn)給量f下，應(yīng)變速率變化不大.由于在同一切削速度v時，進(jìn)給量f的增加將導(dǎo)致切削熱增加，切削溫度升高導(dǎo)致L增大.

不同切削深度下的切屑形貌見圖5(v=600 m/min,f=0.2 mm/r).從圖5中可以清楚地看到，當(dāng)切削深度ap=0.5 mm時，由刀尖剪切而成的切屑底部片層結(jié)構(gòu)開裂，有成為分裂切屑的可能.究其原因是，切削深度的增加導(dǎo)致切削力的增大，這加劇了刀-屑接觸界面的摩擦，使得切屑的溫度升高，從而加劇鋸齒化程度.

圖4　每齒進(jìn)給量對切屑形態(tài)的影響

圖5　切深對切屑形態(tài)的影響

從圖5片層結(jié)構(gòu)的切屑中還可發(fā)現(xiàn)，沿切削刃向外方向，切屑自由表面的鋸齒化程度減弱.這是由于刀具端刃參與切削，產(chǎn)生的大部分熱量傳到與其接觸的切屑上，熱量沿切削刃向外方向傳播，造成離端刃近的地方溫度高，遠(yuǎn)的地方溫度低.

由此可知，切屑鋸齒化程度隨著溫度的升高而增大.在形成片層結(jié)構(gòu)的切屑上，由側(cè)切削刃剪切而成的主要部分片層結(jié)構(gòu)與由刀尖部分剪切而成的底部片層結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生傾斜現(xiàn)象，且兩者傾斜方向相反，這是緣于刀尖半徑的影響[8].

2.3 切屑后表面形態(tài)比較

試驗過程中不同切削參數(shù)下的切屑后表面形貌見圖6.

圖6　切屑后表面的形態(tài)比較

從圖6可以清楚看出，切屑后表面上出現(xiàn)了一些平行的條紋，這與不規(guī)則的切削刃和潛在的硬質(zhì)粒子[9]相關(guān).盡管在不同切削參數(shù)下，刀-屑界面的接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力和摩擦力不一致，但所形成的切屑后表面形貌也有驚人的相似性.從文獻(xiàn)[9-10]對鈦合金和AISIH13的研究可以發(fā)現(xiàn)：在銑削加工過程中，切屑后表面滑過刀具的前刀面，經(jīng)歷了由于刀-屑界面的高接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力和摩擦力造成的塑性變形，由此形成了平滑光澤的后表面.

3結(jié)語

通過一系列的銑削試驗分析了切削參數(shù)對切屑形態(tài)的影響，根據(jù)試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)在每齒進(jìn)給量為0.2 mm/r，切削深度為0.5 mm及切削速度為200~1 000 m/min的范圍內(nèi)，32Cr3NiMoVA超高強(qiáng)度鋼形成適宜切削的螺旋狀切屑，且隨著切削速度的增加，螺旋狀切屑的直徑先減少后趨于穩(wěn)定的值.

(2)在切削速度達(dá)到400 m/min時，銑削過程中產(chǎn)生的切屑都具有片層結(jié)構(gòu)，且隨著切削速度的增加，片層結(jié)構(gòu)的頻率也隨之增大.

(3)隨著每齒進(jìn)給量的增加，切屑鋸齒段之間的長度L也隨之增大，切削速度、每齒進(jìn)給量及切削深度的增加加劇了切屑的鋸齒化程度.

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(責(zé)任編輯陳炳權(quán))

Experiment Research on Chip Morphologies of 32Cr3NiMoVA Ultra￣High￣

Strength Steel Over a Variety of Cutting Parameters

WU Shunxing

(College of Physics，Mechanical and Electrical Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China)

Abstract:An experimental investigation of chip morphologies in high￣speed dry milling of 32Cr3NiMoVA steel was conducted over a variety of different cutting parameters.The free surface and the back surface of the chip were investigated through VHX-500F optical microscope.The experimental results showed that，with 0.2 mm/r feed per tooth,0.5mm cutting depth and 200 to 1 000 m/min cutting speed，a suitable cutting chip of helical chip was formed;and with the cutting speed increased，the diameter of the helical chip reduced at first but eventually stabilized at a relatively constant value.The degree of chip serration was more pronounced and evident with the increase in cutting speed，feed per tooth and cutting depth.The variation in chip serration should be attributed to the reinforcement of coupled thermo￣mechanical behavior in the cutting process with the increase in machining parameters.

Key words:ultra￣high￣strength steel；32cr3niMoVa；high￣speed milling；cutting parameters；helical chip

作者簡介：吳順興(1987—)，男，湖南吉首人，吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院教師，碩士，主要從事難加工材料高速切削加工技術(shù)研究.

收稿日期：2015-03-09

中圖分類號：TG156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.013

文章編號：1007-2985(2015)03-0056-05