硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位鉆頭刀體的熱處理工藝仿真研究

馬福磊， 侯志剛， 李志貞

（1.煙臺大學(xué)，山東煙臺 264003；2.煙臺艾迪精密機械股份有限公司，山東煙臺 264006）

0 引言

硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位鉆頭,簡稱“U鉆”，主要由刀體、刀片和其他附件組成，如圖1所示。在鉆削加工中,刀尖磨鈍后,不需要重新刃磨，可以將刀片轉(zhuǎn)位后繼續(xù)使用，具有較高的加工效率，在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 U鉆的結(jié)構(gòu)示意圖

刀體作為承載刀片的載體，在加工中需要承受較大的轉(zhuǎn)矩和軸向力，以及由不平衡徑向力產(chǎn)生的彎矩。因此刀體本身需具備較高的強度、剛度、硬度等性能。熱處理是U鉆刀體制造中重要的工序，但會產(chǎn)生較大的變形和殘余應(yīng)力。由于工藝過程和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，傳統(tǒng)的經(jīng)驗和實驗方法難以準(zhǔn)確預(yù)測和控制變形，給后續(xù)的精加工造成困難。

由于熱處理工藝的重要性，近年來國內(nèi)外學(xué)者已進行了較多的研究。特別是利用有限元方法分析得出熱處理工藝中的溫度、組織和變形過程的變化規(guī)律，已經(jīng)取得了很多成果。日本的Ju等[1]借助COSMAP有限元軟件對SCr 420鋼的淬火過程進行分析，討論了相變塑性對殘余應(yīng)力及變形的影響；Sugianto[2]研究了SCr420H鋼斜齒輪滲碳淬火后輪齒殘余應(yīng)力的微觀組織分布；曹欣等[3]基于DEFORM軟件對模型表面的換熱系數(shù)的確定，以及表面換熱系數(shù)對溫度預(yù)測結(jié)果的影響等，都做了較深入的研究；張偉[4]討論了溫度變化、相變及相變塑性對熱處理后殘余應(yīng)力分布的影響，并就熱處理數(shù)值模擬中存在的問題和發(fā)展前景作了總結(jié)；王延忠等[5]研究了弧齒錐齒輪熱處理中的過程殘余應(yīng)力與變形；常江等[6]通過DEFORM軟件對弧形推桿局部淬火熱處理模擬仿真，預(yù)測桿內(nèi)的應(yīng)力分布情況和最終的翹曲變形，通過分析結(jié)果優(yōu)化了工藝方案；孫朝陽等[7]考慮溫度和相變對物性參數(shù)的影響，提出了包含附加應(yīng)力和應(yīng)變的彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系，并采用ABAQUS軟件構(gòu)建了淬火過程的數(shù)值模擬平臺。

本文采用DEFORM軟件建立了4倍徑φ34 mm U鉆刀體熱處理過程的三維有限元分析模型，并根據(jù)實際生產(chǎn)的工藝參數(shù)進行仿真分析，得到了熱處理過程中刀體的溫度場和變形的變化規(guī)律，以及刀體各部位變形量的大小和方向，為后續(xù)精加工留出適當(dāng)余量，以此來指導(dǎo)實際生產(chǎn)中控制加工余量，提高加工效率。

1 熱處理工藝

刀體材料為40CrNiMo，熱處理工藝如圖2所示。先在550℃環(huán)境下預(yù)熱，升溫至860℃后，保溫1.5 h，淬火冷卻至100℃，工件完全冷卻后，再升溫至200℃回火，最后空冷至室溫。經(jīng)過淬火處理后，刀體大部分能夠得到馬氏體組織，具有較高的強度和硬度，經(jīng)低溫回火處理后，表層為回火馬氏體+二次滲碳體，具有較好的耐磨性，心部為低碳回火馬氏體+游離鐵素體，由于淬火使晶粒細(xì)化，所以韌性和強度也較好。

圖2 刀體熱處理工藝曲線

由于刀體屬于細(xì)長工件，且刀體兩側(cè)具有較長的容屑槽，在淬火時應(yīng)垂直放置工件，避免受熱不均勻。在淬火時，也應(yīng)垂直浸入油中，同時要不斷攪拌油液，避免蒸汽聚集在容屑槽處，導(dǎo)致冷卻速度不均勻，使刀體變形加劇。

2 有限元建模

刀體熱處理的有限元模型如圖3所示。刀體長度為234 mm，直徑為φ50 mm。有限元網(wǎng)格采用四面體單元，有限元模型共有6532個節(jié)點，27 864個單元。

3 仿真結(jié)果與討論

圖3 刀體熱處理仿真模型

圖4 刀體跟蹤參考點分布圖

通過仿真，得到了刀體溫度場的變化過程，組織成分的含量以及硬度的變化信息，并且得到了刀體變形大小和方向的變化規(guī)律。

3.1 溫度場仿真結(jié)果

為準(zhǔn)確跟蹤觀察刀體溫度、組織和硬度的變化情況，分別在刀體的表面、距表面約1 mm處和刀體芯部取3個點，如圖4所示。

提交運算后，得出刀體上不同部位的3個點的溫度變化情況如圖5所示。

圖5 刀體跟蹤參考點溫度隨時間變化情況

由圖5可見，在熱處理過程中芯部溫度變化相對于表面有明顯滯后的現(xiàn)象，且在淬火冷卻時，溫度變化較為緩和，導(dǎo)致芯部馬氏體生成時間較晚，含量相對較低，硬度較低。

3.2 組織成分和硬度仿真結(jié)果

刀體淬火后馬氏體體積分?jǐn)?shù)和硬度分布分別如圖6和圖7所示?？梢姶慊鸷蟮扼w表面馬氏體含量較高，達(dá)到了82.7%，硬度為41.7 HRC。刀體芯部馬氏體含量較低，硬度為27 HRC。這樣的硬度符合后續(xù)加工的要求。

3.3 變形仿真結(jié)果

圖6 刀體淬火后馬氏體含量

圖7 刀體熱處理工藝后的硬度分布圖

圖4中選取的3個跟蹤點的，位移隨時間的變化情況如圖8所示。

在刀體加熱階段，刀體變形主要受熱應(yīng)力影響，隨著溫度的不斷升高，刀體不斷膨脹，在達(dá)到淬火溫度時，刀體變形量最大，為2.78 mm。

圖8 刀體熱處理過程中不同點的變形量

在淬火初期，尚未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，刀體變形仍舊主要受熱應(yīng)力影響，表面冷卻快，芯部尚處在較高溫度之下，故表面收縮受到芯部的抵制。隨著冷卻的進行，刀體表面溫度達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度開始相變轉(zhuǎn)化，但此時馬氏體引起的體積膨脹不足以抵消熱應(yīng)力引起的體積收縮，所以此時熱應(yīng)力仍然起到主導(dǎo)作用，芯部對表面的體積膨脹起到抑制作用。在冷卻至一定溫度后，由于芯部的冷卻速度高于表面的冷卻速度，芯部的收縮受到表面牽制，由于容屑槽結(jié)構(gòu)的不對稱性，使得內(nèi)容屑槽收縮量較大，變形量也逐漸偏向內(nèi)容屑槽方向。完全冷卻后，表面與芯部的溫度完全一致，此時馬氏體影響的相變應(yīng)力和溫度影響的熱應(yīng)力逐漸穩(wěn)定且為壓應(yīng)力，此時的刀體變形量隨溫度的降低整體下降到0.642 mm。

綜合以上分析過程，刀體在淬火過程中變形的變化規(guī)律，主要是在幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，由熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

圖9是整個熱處理工藝完成后，刀體的變形情況，從圖中可以看出回火對刀體變形有一定的校正效果，此時刀體最大變形量為0.449 mm，位置在刀體刀片槽附近。從變形方向上看，變形方向沿著刀體軸向，偏向內(nèi)容屑槽。

圖9 刀體熱處理工藝完成后變形量

根據(jù)仿真得出的變形量，此種型號的刀體，后續(xù)加工余量在0.8 mm時，較為適合，此余量較之前的2 mm余量，減少1.2 mm，較大程度上縮減了加工時間。

4 結(jié)論

利用有限元分析軟件DEFORM，建立了40CrNiMo材料刀體熱處理工藝有限元分析模型，對刀體熱處理過程中變形量、微觀組織和溫度場進行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1）經(jīng)過淬火工藝后，得到了刀體3個具有代表性部位的變形情況，能夠為后續(xù)精加工留出較為精確余量。在刀體前端刀片槽附近，熱處理變形最為劇烈，因此熱處理前的粗加工階段，要在刀體前端外容屑槽附近留出較多的余量，刀體其它部位可適當(dāng)減少后續(xù)余量。

2）經(jīng)過淬火工藝后，刀體表面硬度為41 HRC，芯部硬度為32 HRC,滿足刀體強度和韌性的使用要求。

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