高速銑削SKD61模具鋼表面完整性與疲勞壽命

0 引言

高速切削技術(shù)以其優(yōu)良的加工精度和較高的材料去除率，不但能在一定程度上替代磨削與電火花加工等，而且能極大地提高生產(chǎn)效率［1］。隨著高速加工技術(shù)在模具行業(yè)應(yīng)用的日益廣泛，各國對高速切削淬硬材料的研究不斷豐富［2］。在實(shí)際的模具鋼等淬硬鋼加工過程中，雖然采用了高速加工，但是加工表面質(zhì)量還不能滿足工程實(shí)踐的需要，仍需要在銑削外形完成后采用表面強(qiáng)化等工藝對模具或零件進(jìn)行強(qiáng)化處理，以增強(qiáng)其疲勞性能［3］。大量生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)都表明，模具材料的破壞形式主要是經(jīng)歷過一定頻次的應(yīng)力循環(huán)后發(fā)生的磨損、斷裂和疲勞破壞等［4］。零件的破壞往往始于表面，其疲勞壽命也主要由表面的完整性決定［5-9］，因此研究高速銑削模具鋼的表面完整性對其壽命的影響具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了不同切削參數(shù)對SKD61模具鋼表面完整性的影響，得到8組擁有不同表面完整性的試件，據(jù)此研究高速銑削加工后表面完整性對疲勞壽命的影響規(guī)律，并基于反向傳播（Back Propagation，BP）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建用表面完整性對疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測的模型。

1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選用的牌號SKD61模具鋼，是使用最廣泛的熱作和塑料模具鋼，常被用作壓力機(jī)擠壓各類合金壓鑄模、熱擠壓模具和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)模具，因此研究其表面完整性與疲勞壽命的關(guān)系對實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。SKD61的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 SKD61的化學(xué)成分質(zhì)量百分比 %

表2 SKD61的材料物理性能（淬火溫度1 000 ℃，回火溫度550 ℃）

1.2 疲勞樣件制備及表面完整性測量

試驗(yàn)采用FADIA D165 高速銑削加工中心，主軸轉(zhuǎn)速240r／min～24 000r／min，通過油氣潤滑的方式，使用10×10×25×100R1（刀徑10 mm、柄徑10mm、刃長25mm、總長100mm、圓角半徑1mm）的圓環(huán)面銑刀分別對SKD61模具鋼的表面和圓弧狀側(cè)面進(jìn)行銑削加工，表面銑削工藝參數(shù)如表3所示，銑削影響因素如圖1所示；圓弧狀側(cè)面采用側(cè)銑方法，且所有試件均選用相同的銑削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速10 000r／min，進(jìn)給速度3 000 mm／min，切削深度0.02mm。試件輪廓加工完成后采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，分別使用球頭銑刀和拋光輪對試件的邊緣進(jìn)行清根和拋光處理，疲勞工作區(qū)域使用20倍顯微鏡進(jìn)行觀察，以確保不存在對疲勞試驗(yàn)產(chǎn)生影響的劃痕和加工缺陷。為保證試驗(yàn)以及后續(xù)測試工作的準(zhǔn)確性，共加工8組試樣，每組試樣加工3個(gè)。

表3 工藝參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試樣的結(jié)構(gòu)尺寸參照GB／T15248-2008制備，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

銑削試驗(yàn)后對所有試件的表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，在試件的中點(diǎn)附近沿長度方向等間隔選取五個(gè)點(diǎn)作為測量點(diǎn)，間隔距離為5mm。粗糙度測量儀選用Corning Tropel公司的非接觸式激光粗糙度儀Laser-check 6212B；表面硬度的測量選用顯微硬度儀；工件的殘余應(yīng)力選用XStress3000X射線衍射儀進(jìn)行測量，試驗(yàn)運(yùn)用的是側(cè)傾角法，以-45°～+45°的不同入射角讓X射線多次照射到試件上，X光電子管電壓值為30kV，電流為6.6mA。

1.3 疲勞試驗(yàn)

所有表面測量工作完成后，用PLG-100C 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)中，加載波形選用正弦波形，應(yīng)力比R=-1，動(dòng)載荷為925MPa，試驗(yàn)加載頻率范圍為81 Hz～83 Hz。試驗(yàn)在室溫情況下進(jìn)行，為了保護(hù)試驗(yàn)樣機(jī)在疲勞破壞的一瞬間不會(huì)發(fā)生“過流”現(xiàn)象，將頻率降設(shè)為5 Hz，當(dāng)試驗(yàn)頻率下降5Hz時(shí)試驗(yàn)停止，并記下此時(shí)的循環(huán)次數(shù)作為試件的疲勞壽命。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面粗糙度對疲勞壽命的影響

大量研究表明［10-11］，表面粗糙度影響疲勞壽命。高速銑削后零件的表面粗糙度是加工表面的間距和不平度，從微觀上觀察往往是一些微小缺口，在這些微小缺口處易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，使其可能成為裂紋的形核處。如圖3所示，通過對SKD61的銑削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著表面粗糙度的增大，疲勞壽命呈減小趨勢，但并非嚴(yán)格單調(diào)遞減。當(dāng)Ra＜0.398 μm 時(shí)，疲勞壽命隨表面粗糙度的增大急速衰減，由584 889 次衰減至24 926 次；而當(dāng)Ra＞0.398μm時(shí)，疲勞壽命隨表面粗糙度的增大先增大后逐漸減小，但仍大于Ra=0.398μm 時(shí)的壽命值，在此區(qū)間壽命的波動(dòng)范圍為58 383～188 651次。由此可見，當(dāng)SKD61的表面粗糙度為0.398μm 時(shí)，其疲勞壽命最小，為24 926次。由上述分析可見，零件的疲勞壽命隨表面粗糙度的變化呈非單調(diào)變化，因此可以得出表面粗糙度并非是決定試件壽命的唯一因素。

2.2 表面硬度對疲勞壽命的影響

金屬在機(jī)加工后其晶格產(chǎn)生畸變、晶粒破碎、金屬位錯(cuò)活動(dòng)減弱、硬度和屈服強(qiáng)度得到增強(qiáng)，從而產(chǎn)生一定厚度的加工硬化層，阻礙了疲勞裂紋的萌生和發(fā)展［12］。

加工軟化和加工硬化對疲勞壽命的影響效果在圖4 中均有體現(xiàn)。試驗(yàn)表明，對應(yīng)于維氏硬度的468HV 和543HV，零件的疲勞壽命分別取得各自區(qū)間的極小值，且硬度為468HV 時(shí)壽命最短，為24 926次。圖中的AB 區(qū)間為加工軟化區(qū)，位于此區(qū)間的零件在交變載荷的作用下壽命很低，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免；當(dāng)零件的顯微硬度超過基體硬度時(shí)其總體趨勢為壽命增加，但當(dāng)表面顯微硬度位于CD 區(qū)間時(shí)壽命有所下降，這可能是此區(qū)間內(nèi)切削力和切削熱綜合作用引起的表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力的變化對零件的疲勞壽命影響占主導(dǎo)地位而導(dǎo)致的。加工硬化使試件在交變載荷作用下的循環(huán)次數(shù)由106 413次快速增長到584 889次，增長了近5.8倍?？梢?，在一定范圍內(nèi)，高速銑削SKD61 導(dǎo)致的加工硬化程度的提高，極大地延長了試件的疲勞壽命。

2.3 殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響

當(dāng)材料發(fā)生屈服時(shí)殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生衰減，對疲勞壽命的影響消失。Foch 提出了殘余應(yīng)力是否發(fā)生松弛（衰減）的理論依據(jù)，即σm+σa+σr＜σs，其中：σm為平均應(yīng)力；σa為應(yīng)力幅；σr為殘余應(yīng)力，可視為平均施加在試件上；σs為材料的屈服極限。本文的8組試驗(yàn)施加的外載荷為925 MPa，載荷比R=-1，殘余應(yīng)力最大值為132 MPa，代入上式可得σm+σa+σr＜1 240 MPa，即所有試樣的殘余應(yīng)力均不發(fā)生衰減，因此高速銑削后的殘余應(yīng)力對疲勞壽命存在影響。XRD（X-ray diffraction）的測量探測點(diǎn)約在表面下方20μm 處，由表3 可知，此處存在沿刀具進(jìn)給方向上的殘余應(yīng)力，其中4號和8號試樣表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，其余試樣表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力。由測得的疲勞壽命可知，存在殘余壓應(yīng)力的試樣，其疲勞壽命均遠(yuǎn)高于存在殘余拉應(yīng)力試樣的壽命。這是由于試樣在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，加工后存在的殘余壓應(yīng)力可以抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，其壽命高于加工后表層受拉的試件，隨著殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力（如圖5），其循環(huán)次數(shù)的變化幾乎呈嚴(yán)格單調(diào)遞減的趨勢。根據(jù)，式中為裂紋擴(kuò)展率，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化值，C和m 為材料常數(shù)，可知應(yīng)力強(qiáng)度因子是裂紋擴(kuò)展的推動(dòng)力，當(dāng)材料加工完成后，如果表面受到殘余壓應(yīng)力，則殘余壓應(yīng)力和外加交變載荷的拉應(yīng)力共同作用，會(huì)使試件承受的ΔK值變小，從而減緩了裂紋擴(kuò)展率、延長了壽命；同時(shí)由于殘余壓應(yīng)力的存在，使得試件實(shí)際承受的平均應(yīng)力和循環(huán)比R值降低，從而降低了裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子的門檻值ΔKth，按門檻值的定義，當(dāng)ΔK＜ΔKth時(shí)裂紋擴(kuò)展率減弱或不再擴(kuò)展。由此可知，試驗(yàn)所得曲線滿足理論分析結(jié)果。綜上，高速銑削SKD61的切向殘余壓應(yīng)力對試件的局部疲勞壽命有較大的提升且趨勢明顯。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測疲勞壽命

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡述

至今為止使用最為廣泛的疲勞壽命預(yù)測方法為S-N 曲線方法，不同的零件，由于形狀不同，加工精度和熱處理工藝不盡相同，其S-N 曲線自然不同。本文為了探究一種可忽略零件結(jié)構(gòu)、尺寸等外在因素的疲勞壽命預(yù)測模型，從試件的表面完整性對疲勞壽命的影響機(jī)理出發(fā)，針對機(jī)加工零件的壽命受其表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力的影響，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用非線性可微函數(shù)、按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄟM(jìn)行權(quán)值訓(xùn)練的多層前饋型網(wǎng)絡(luò)，它通過對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值的不斷調(diào)整，可使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一［13-14］。BP網(wǎng)絡(luò)使用最速下降法，在無需揭示描述映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程條件下，能學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)大量的輸入—輸出模式映射關(guān)系。

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的預(yù)測模型中，將表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力作為輸入自變量，將疲勞壽命作為輸出因變量，由于輸入層有3個(gè)節(jié)點(diǎn)、輸出層有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)Kolomogorov定理，任意n維到m維映射可以依賴一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)，本文選擇三層網(wǎng)絡(luò)和單隱層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的逼近誤差和泛化誤差，采用試拼試湊法確定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為11，其他參數(shù)如表4所示。

表4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和驗(yàn)證

從8組樣本中任取7組作為訓(xùn)練樣本，將剩余1組作為驗(yàn)證樣本，分別對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，以保證網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖7所示。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中不斷調(diào)整隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，當(dāng)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為11時(shí)網(wǎng)絡(luò)誤差趨于穩(wěn)定，模型的訓(xùn)練過程結(jié)束。網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練誤差隨訓(xùn)練次數(shù)的變化如圖8所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型的訓(xùn)練步數(shù)達(dá)到第3步時(shí)，網(wǎng)絡(luò)模型的均方誤差為5.968 8×10-9，滿足目標(biāo)值要求，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練停止，預(yù)測誤差值與真實(shí)值的散點(diǎn)圖如圖9所示。

如圖10所示，預(yù)測的所有樣本中，誤差百分比最大值為第6組樣本的15.8%，其余數(shù)據(jù)誤差均在8%以下波動(dòng)。結(jié)果表明：針對高速銑削后的零件，該預(yù)測模型可在一定范圍內(nèi)使用表面完整性量化指標(biāo)對零件的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。

4 結(jié)束語

本文通過對SKD61進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，獲得了其表面完整性與工藝參數(shù)、疲勞壽命間的關(guān)系，結(jié)合利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測，得到的結(jié)論如下：

（1）銑削加工后表面完整性的改變對SKD61模具鋼的疲勞壽命有很大影響，適當(dāng)減小表面粗糙度、增大表面殘余壓應(yīng)力和表面硬度，可以提高零件的疲勞壽命；殘余拉應(yīng)力的存在以及加工軟化作用會(huì)使SKD61模具鋼的使用壽命快速衰減。

（2）利用零件的表面完整性和BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對零件的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測的誤差百分比范圍在2.3%～15.8%之間，該方法對小范圍內(nèi)的樣本預(yù)測效果較好，若用于大范圍內(nèi)的壽命預(yù)測，則需擴(kuò)充訓(xùn)練的樣本數(shù)量。

（3）利用銑削加工后的材料表面完整性量化指標(biāo)，使用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以建立其他材料的疲勞壽命預(yù)測模型，其優(yōu)點(diǎn)是可以較大幅度地減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)如果忽略零件本身形狀，還可以對復(fù)雜條件下的機(jī)加工零件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。

（4）圓環(huán)面銑刀可用于模具表面的精加工，通過合理的工藝參數(shù)搭配，不僅可以得到粗糙度值Ra=0.261μm 甚至更好的加工表面精度，還可以獲得較好的零件疲勞壽命，因此其可部分代替電火花加工。

隨著試驗(yàn)材料和工藝參數(shù)范圍的不斷擴(kuò)增，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測精度可繼續(xù)提升，將疲勞壽命作為衡量加工質(zhì)量的目標(biāo)參數(shù)，對實(shí)際生產(chǎn)具有更大的意義。

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