高速干車削300M鋼表面粗糙度及殘余應(yīng)力研究*

司馬中文，鄭光明，房友飛,2

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.山東博潤工業(yè)技術(shù)股份有限公司, 山東 淄博 255000)

高速干車削300M鋼表面粗糙度及殘余應(yīng)力研究*

司馬中文1，鄭光明1，房友飛1,2

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.山東博潤工業(yè)技術(shù)股份有限公司, 山東 淄博 255000)

針對(duì)高強(qiáng)度鋼300M在高速切削時(shí)加工質(zhì)量不穩(wěn)定的切削特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行高速干車削試驗(yàn)，研究切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：進(jìn)給量對(duì)加工表面粗糙度Ra的影響最大，且隨著進(jìn)給的增加，加工表面殘留材料高度差變大，加工質(zhì)量變差；加工表面進(jìn)給和切削方向的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，切削速度和切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響較大；在vc=300～400 m/min、f=0.15～0.20 mm/r、ap=0.10～0.15mm的切削條件加工時(shí)，可以獲得較低的加工表面粗糙度和較大的表面殘余壓應(yīng)力。文中的研究對(duì)高強(qiáng)度鋼類難加工材料的加工工藝優(yōu)化及高可靠性起落架零部件的制造具有理論指導(dǎo)意義。

加工表面粗糙度；殘余應(yīng)力；涂層刀具；干車削

0 引言

高強(qiáng)度合金鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能，尤其是超高的強(qiáng)度，使其在飛機(jī)、汽車、輪船等的關(guān)鍵承力零部件上被廣泛應(yīng)用，故高強(qiáng)鋼的加工質(zhì)量對(duì)整機(jī)的使用性能和安全性能產(chǎn)生重要的影響，但這種材料在高速加工時(shí)表現(xiàn)出刀具磨損嚴(yán)重、加工質(zhì)量難以保證等特點(diǎn)，屬于典型難加工材料[1-2]。隨著我國航空航天、汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)這類零部件加工的效率、可靠性要求不斷提高，如何獲得高質(zhì)量的加工表面成為亟待解決的問題。

在高速加工高強(qiáng)度鋼AISI 4340時(shí)發(fā)現(xiàn)采用低進(jìn)給和高切削速度可以獲得較小的殘余拉應(yīng)力[3]，且隨著進(jìn)給量的增加，表面粗糙度變大。根據(jù)方差分析和建立回歸模型的研究結(jié)果，得出進(jìn)給量對(duì)加工表面粗糙度影響最大的結(jié)論[4]。在進(jìn)行硬車削AISI H11鋼的試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果降低進(jìn)給量和增加切削速度可以顯著提高加工表面質(zhì)量[5]。

高強(qiáng)鋼在高速干銑削時(shí)[6]，由于切削力及切削熱引起的金相組織變化，導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，且隨著切削速度的增加，殘余壓應(yīng)力增大，影響深度也增大。在對(duì)模具鋼的硬態(tài)切削時(shí)研究發(fā)現(xiàn)[7-8]，采用面粗糙度來表征表面形貌更為合理，在刀具磨損初期階段表面粗糙度變化較大，而在穩(wěn)定磨損階段保持穩(wěn)定；模具鋼加工表面殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，沿層深方向應(yīng)力呈“勺”形分布規(guī)律。研究還發(fā)現(xiàn)，工件表面殘余應(yīng)力具有一定的離散性[9]，精加工表面的殘余應(yīng)力離散程度較小。當(dāng)加工表面殘余壓應(yīng)力曲線面積越大、離散度越低，疲勞壽命越長[10]。而通過優(yōu)化切削參數(shù)降低5.5%的表面粗糙度Ra，可以提高18.8%的耐腐蝕性[11]。

課題組在進(jìn)行高速切削高強(qiáng)鋼有限元仿真及刀具磨損機(jī)理的研究的基礎(chǔ)上[12-13]，繼續(xù)對(duì)工件加工表面完整性進(jìn)行分析，本文主要研究加工工藝參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)，為高效高質(zhì)量加工高強(qiáng)鋼提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 工件材料

工件材料為超高強(qiáng)度合金鋼300M(40CrNi2SiMoVA)。工件材料硬度為47HRC，表1和表2分別為300M的主要成分和主要機(jī)械性能[14]。初始工件尺寸為階梯棒料一端長度為200mm、直徑100mm，另一端長度為100mm、直徑70mm。

1.2 刀具材料

選用商用硬質(zhì)合金涂層刀具，由美國Kennametal生產(chǎn)，涂層為CVD TiCN/Al2O3厚涂層。選用的刀片型號(hào)為SNMG120408FN，刀尖圓弧半徑rε=0.8mm，車刀桿型號(hào)MSSNR2020K12，車削時(shí)刀具幾何參數(shù)分別為：主偏角κr=45°，刃傾角λs=0°，前角γo=6°，后角αo=-6°。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

高速車削試驗(yàn)在CKD6136i型數(shù)控車床(主軸最大轉(zhuǎn)速6000 r/min)上進(jìn)行，試驗(yàn)條件為干切削，切削參數(shù)如表3所示。本文所述的加工表面粗糙度值和殘余應(yīng)力值是在刀具穩(wěn)定磨損階段的測量結(jié)果(后刀面磨損量VB= 0.1～0.2 mm時(shí))。采用USB200型數(shù)碼工具顯微鏡和CS-3200型便捷式粗糙度儀測量刀具后刀面磨損量及工件加工表面粗糙度。

試驗(yàn)結(jié)束后，借助線切割制備試樣，如圖1所示為加工表面形貌及應(yīng)力測試試樣制備示意圖，分別在Wyko NT9300型光學(xué)輪廓儀和Xsress 3000型X射線應(yīng)力分析儀上進(jìn)行加工表面形貌、殘余應(yīng)力的測試。

光學(xué)輪廓儀測試加工表面形貌時(shí)選擇放大倍數(shù)10，檢測區(qū)域?yàn)?24μm×467μm。X射線應(yīng)力分析儀測試殘余應(yīng)力時(shí)采用直徑2mm的準(zhǔn)直管，鉻靶，Kα輻射線。衍射晶面為(211)面，2θ=156.4°，曝光時(shí)間為5s。測試前用無應(yīng)力鐵粉進(jìn)行校正。

表1 300M鋼的主要成分 (質(zhì)量百分比%)

表2 300M鋼的主要機(jī)械性能

表3 切削參數(shù)

圖1 加工表面形貌及應(yīng)力測試試樣制備示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加工表面粗糙度

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)表面粗糙度理論模型進(jìn)行了較深入的研究，其中在車削條件下，建立了進(jìn)給量f和刀尖圓弧半徑rε與表面粗糙度Ra的理論模型，如式(1)所示[15]：

(1)

由上式可見，減小f或增加rε，將獲得較小的Ra值，尤其是f對(duì)Ra的影響最大。故在進(jìn)行精加工時(shí)，建議采用較小進(jìn)給和較大的刀尖圓弧半徑。

圖2所示為切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度Ra的影響。由圖可見，在切削穩(wěn)定階段，隨著切削速度、進(jìn)給量和切削深度的增加，加工表面粗糙度Ra有增加的趨勢，其中進(jìn)給量對(duì)Ra的影響最大，這與公式(1)的分析結(jié)果相一致。而切削速度和切削深度的增加，主要是金屬去除率增加，單位時(shí)間內(nèi)切削力和切削溫度升高，增大了工件材料塑性變形，導(dǎo)致加工表面粗糙度Ra增加。

采用光學(xué)輪廓儀觀察加工表面三維形貌，采樣區(qū)域?yàn)?24μm×467μm，圖3所示為不同進(jìn)給量切削時(shí)加工表面的三維形貌圖。由圖可見明顯的刀痕和高低起伏的殘留材料，形成了已加工表面。在相同區(qū)域范圍內(nèi)，隨著進(jìn)給量的增加，刀痕數(shù)減少，但是殘留高度增加，致使Ra值變大。

由此可見，在vc=300～400 m/min，f=0.10～0.20 mm/r，ap=0.10～0.20 mm的條件切削，可以獲得較低的加工表面粗糙度。

(a) f=0.15 mm/r, ap=0.15 mm

(b) vc=500 m/min, ap=0.15 mm

(c) vc=500 m/min, f=0.15 mm/r圖2 切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度Ra的影響

(a) f=0.10 mm/r

(b) f=0.20 mm/r

(c) f=0.25 mm/r圖3 加工表面三維形貌(vc=500 m/min, ap=0.15 mm)

2.2 加工表面殘余應(yīng)力

圖4所示為切削參數(shù)對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響。進(jìn)給方向指的是沿軸線方向，切削方向?yàn)榧庸け砻嫜貓A周的切線方向(圖1)。進(jìn)給方向上的殘余應(yīng)力范圍在-424.6～-33.6MPa之間，切削方向上的殘余應(yīng)力變化范圍在-854.4～-219.4MPa?？梢娺M(jìn)給和切削方向的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且切削方向的應(yīng)力絕對(duì)值較大。

在高速干車削高強(qiáng)鋼時(shí)，工件表面形成塑性變形應(yīng)力場和溫度場，在高溫和擠壓作用下晶粒被拉長，工件內(nèi)部材料不能伸長，導(dǎo)致加工表面形成壓應(yīng)力。切削方向的力為主切削力，切削分力值較大，導(dǎo)致材料變形加大，從而獲得較大的殘余應(yīng)力值。

刀具在切削初期會(huì)導(dǎo)致加工表面殘余應(yīng)力較大的變化[8]，但到了穩(wěn)定磨損階段，由于刀具本身磨損率的減小，切削力比較穩(wěn)定，致使殘余應(yīng)力變化也較小(圖4)。隨著切削速度的增加，傳送到工件上的熱量增加，同時(shí)刀-工間的摩擦加劇，致使切削溫度升高，熱應(yīng)力發(fā)揮主要作用，表面形成拉應(yīng)力的趨勢增加，故殘余壓應(yīng)力有減小的趨勢(圖4a)。隨著進(jìn)給量的增加，熱源的移動(dòng)速度變大，熱傳散時(shí)間縮短，傳遞給工件的熱量減小，機(jī)械應(yīng)力作用增強(qiáng)，應(yīng)力分布層加深，故表面殘余應(yīng)力減小，壓應(yīng)力值增加(圖4b)。在本實(shí)驗(yàn)條件下，切削深度的變化導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力同時(shí)發(fā)揮作用，致使殘余應(yīng)力呈波動(dòng)變化，在ap=0.20mm時(shí)，獲得較大的殘余應(yīng)力值(圖4c)。切削速度和切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的大小影響較大，在低速和高進(jìn)給條件下，可以獲得高的殘余壓應(yīng)力。

由此可見，在vc=300～400 m/min，f=0.15～0.25 mm/r，ap=0.10～0.15 mm的條件切削，可以獲得較高的表面殘余壓應(yīng)力。

(a) f=0.15 mm/r, ap=0.15 mm

(b) vc=500 m/min, ap=0.15 mm

(c) vc=500 m/min, f=0.15 mm/r圖4 切削參數(shù)對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響

3 結(jié)論

本文通過高速干車削300M鋼，研究了切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度及表面殘余應(yīng)力的影響，并優(yōu)化了切削參數(shù)，主要結(jié)論如下：

(1)隨著切削速度、進(jìn)給量和切削深度的增加，表面粗糙度Ra值增加，且進(jìn)給量的影響最大。

(2)加工表面的進(jìn)給和切削方向均為殘余壓應(yīng)力，且切削方向的壓應(yīng)力值較大。切削速度和切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響較大。

(3)較低的加工表面粗糙度和較高的表面殘余壓應(yīng)力可在vc=300～400 m/min、f=0.15～0.20 mm/r、ap=0.10～0.15 mm的切削條件下獲得。

(4)本文的研究結(jié)果可望在加工表面質(zhì)量預(yù)測、高強(qiáng)鋼類難加工材料的切削加工性研究等方面起著積極的作用。下一步將對(duì)加工表面深度方向的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。

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SurfaceRoughnessandResidualStressinHigh-speedDryTurningof300MSteel

SIMA Zhong-wen1，ZHENG Guang-ming1，F(xiàn)ANG You-fei1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China;2. Shandong Borun Process Industrial Technology Co., Ltd., Zibo Shandong 255000,China)

According to the instability in machined quality during high-speed cutting of high-strength steel 300M, a series of experiments on high-speed dry turning of 300M are carried out. Effect of cutting parameters on machined surface roughness and residual stress is investigated. The result shows that the feed rate has the greatest influence on the machined surface roughnessRa. The residual material height difference becomes larger with the increase in feed rate, which lead to the poor machined surface quality. The machined surface compressive stresses are obtained in the feed direction and the cutting direction. The influence of cutting speed and depth of cut is greater. The lower machined surface roughness and higher surface residual compressive stress can be obtained atvc=300～400 m/min,f=0.15～0.20 mm/r andap=0.10～0.15 mm. The research of this paper has theoretical significance on optimization of cutting technology for high-strength steels and manufacturing of high-reliability landing gear parts.

surface roughness; residual stress; coated tool; dry turning

TH161;TG712

A

1001-2265(2017)12-0121-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.030

2017-08-03；

2017-08-23

國家自然科學(xué)基金(51505264)

司馬中文(1971—)，女，山東蘭陵人，山東理工大學(xué)副教授，碩士，研究方向?yàn)楦咚偾邢骷庸すに囇芯浚?E-mail)smzw0827@163.com；通訊作者：鄭光明(1986—)，男，山東費(fèi)縣人，山東理工大學(xué)講師，博士，研究方向?yàn)楦咚俑咝Ъ庸ぜ氨砻嫱暾匝芯浚?E-mail)zhengguangming@sdut.edu.cn。

(編輯李秀敏)