高速硬車20CrMnTi刀具耐用度研究

高妮萍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

齒輪經(jīng)過熱處理后硬度一般能達(dá)到HRC58～HRC62。CBN超硬刀具以車代磨，有高硬度、高耐磨損性、高加工精度等優(yōu)勢，可以高速車削齒輪零件，并能夠獲得較好的加工質(zhì)量。20CrMnTi是一種常用的齒輪加工材料，表面滲碳處理后硬度較高，有較好的淬透性和低溫抗沖擊性能，加工變形小，主要用于制作飛機(jī)、汽車上的傳動齒輪。針對熱處理后硬度為HRC58～HRC62的齒輪，如采用常規(guī)的加工方法，刀具切削難度大、磨損速度快，并且齒輪零件端面開有油孔，內(nèi)孔有鍵槽，屬于強(qiáng)斷續(xù)加工，傳統(tǒng)刀具一接觸到工件，在大的沖擊力下容易出現(xiàn)崩刃情況。高精度齒輪零件加工，對刀具的耐磨性和抗沖擊性能要求都很嚴(yán)格。國內(nèi)外很多學(xué)者對于20CrMnTi材料的高速切削做了大量的研究。王龍等[1]研究了20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼的磨削機(jī)制與規(guī)律，通過對零件表面劃痕微觀圖樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)磨削加工中法向力與切向力均隨著劃痕深度、進(jìn)給速度的增大而增大，并總結(jié)了零件表面粗糙度與磨削參數(shù)之間的關(guān)系；王麗萍等[2]進(jìn)行了硬態(tài)干式車削合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi切削力試驗(yàn)研究，通過測量不同切削條件下切削力的值，得出切削深度、進(jìn)給量切削速度對切削力的影響規(guī)律；王銀濤[3]通過實(shí)驗(yàn)分析了高速車削20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼不同時段，切削力隨刀具破損的變化規(guī)律，得出高速切削過程中刀具的疲勞破損失效機(jī)理。然而以上的這些研究都缺少在高速硬車斷續(xù)加工條件、切削參數(shù)對超硬刀具壽命的影響規(guī)律及刀具不同形態(tài)磨損時對齒輪制件表面粗糙度影響的研究。因此本文采用正交試驗(yàn)法，高速硬車20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼齒輪零件，研究影響刀具耐用度的具體因素。

1 淬火后20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼高速硬車實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)機(jī)床選用CJK6130臥式經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，最大功率為3 kW，主軸轉(zhuǎn)速為180～1 600 r/min。試加工材料為淬火后20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼，主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。加工刀具選擇BN-H10刀片，如圖1所示。齒輪制件如圖2所示，尺寸為φ60 mm×25 mm。

表1 20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼主要化學(xué)成分 %

本文采用3因素3水平正交試驗(yàn)法進(jìn)行淬火后20CrMnTi(HRC58～HRC62)合金結(jié)構(gòu)鋼硬車試驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)所需切削要素水平值，得出刀具壽命值，見表2。

表2 正交試驗(yàn)及測量結(jié)果

圖1 實(shí)驗(yàn)用硬車刀片 圖2 實(shí)驗(yàn)齒輪制件

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)立方碳化硼刀具在加工表面硬度較高的齒輪零件時，出現(xiàn)伴隨微崩刃的硬質(zhì)點(diǎn)磨損、粘結(jié)磨損和氧化磨損等多種磨損形式，使刀刃和刀面連接處形成缺口，這些缺口會存儲一部分工件上的硬質(zhì)顆粒，加速刀具磨損，從而使其失效。實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

圖3 硬車齒輪零件加工實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與規(guī)律

2.1 齒輪檢測結(jié)果分析

通過測量零件具體尺寸數(shù)值(如圖4所示)，得出齒輪尺寸精度滿足IT5級，齒距偏差數(shù)值較小，如圖5所示。在零件上選取20個采樣點(diǎn)，測量表面粗糙度，數(shù)值見表3，由表可知,表面粗糙度均小于Ra0.6 μm，即齒輪整體精度較高。對照齒輪加工精度等級表，可知采用新型立方碳化硼刀具進(jìn)行齒輪加工，可以獲得較高的尺寸精度和表面質(zhì)量。

圖4 齒輪零件檢測

圖5 齒形精度檢驗(yàn)

表3 齒輪零件表面粗糙度測量結(jié)果 單位：μm

2.2 刀具磨損形態(tài)分析

本文根據(jù)常用的刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式，研究影響刀具壽命的切削要素規(guī)律。在確定加工設(shè)備和刀具的基礎(chǔ)上，建立刀具壽命與切削用量關(guān)系多元線性回歸方程，如式(1)所示：

(1)

式中：T為刀具壽命；C為工件材料和切削條件系數(shù)；a1,a2,a3為指數(shù)。對式(1)進(jìn)行變換，兩邊取其對數(shù)，得到式(2)：

lgT=lgC+a1lgap+a2lgf+a3lgvc

(2)

式(2)中l(wèi)gT,lgC,lgap,lgf,lgvc分別用Y,a0,x1,x2,x3表示，得到簡化公式(3)：

Y=a0+a1x1+a2x2+a3x3

(3)

對式(3)進(jìn)行多元線性擬合運(yùn)算，求得回歸系數(shù)，利用分析軟件計(jì)算具體數(shù)值，得到式(4)：

Y=3.652 1-0.306 5x1-0.527 0x2-2.385x3

(4)

將式(4)轉(zhuǎn)換為刀具壽命指數(shù)形式為：

(5)

為了檢驗(yàn)刀具壽命模型與取樣值的擬合度，對刀具壽命回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證回歸方程中y與x間有顯著線性關(guān)系，與實(shí)際加工中刀具壽命能夠較好吻合，分析結(jié)果有效。

根據(jù)刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式(式(5))可以看出，切削要素對于刀具壽命的影響很大，其中切削速度影響最大、進(jìn)給量次之、背吃刀量(切削深度)最小。硬車齒輪工件時加工材料硬度較高，存在高速斷續(xù)切削情況，在加工中刀具前期會發(fā)生微崩刃、剝落等磨損形態(tài)，后期因切削疲勞而引起的破損主要形態(tài)為碎斷及裂紋，當(dāng)然不同的切削參數(shù)所引起的刀具磨損狀態(tài)也有所不同[4]。本次實(shí)驗(yàn)主要分析切削用量三要素對刀具失效形式及其壽命的影響。

BN-H10立方碳化硼刀具因其硬度高，前期主要為脆性破損，形態(tài)為微崩刃，即在刀刃上產(chǎn)生小缺口或者崩掉一小塊，缺口的大小與進(jìn)給量的大小相當(dāng)或者稍大；在切削速度不變的情況下，提高進(jìn)給量會出現(xiàn)貝殼式的剝落磨損形態(tài)；在進(jìn)行長時間的連續(xù)切削或高度斷續(xù)切削后，增加背吃刀量，沖擊載荷變大，切削力增大，切削刃上會出現(xiàn)小塊碎裂；切削繼續(xù)進(jìn)行，小塊碎裂集聚為大塊碎斷；隨著切削時間進(jìn)一步延長，在熱沖擊和力沖擊的混合作用下，刀片產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋不斷擴(kuò)散合并，最終導(dǎo)致刀片斷裂。

當(dāng)背吃刀量為0.1 mm時，分別分析vc=117 m/min，f=0.06 mm/r；vc=135 m/min，f=0.08 mm/r；vc=180 m/min，f=0.10 mm/r 3種情況下刀具的磨損情況，如圖6,7,8所示。

2.3 切削要素對刀具壽命的影響規(guī)律

從式(5)中可以看出,切削速度對刀具壽命的影響非常大、進(jìn)給量次之、背吃刀量最小。刀具壽命隨切削速度的變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出，在背吃刀量相同的條件下，逐漸增大切削速度，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整進(jìn)給量大小，刀具壽命先有所升 高，呈現(xiàn)直線凸峰狀態(tài)，隨著切削速度的不斷增大，刀具壽命逐漸呈下降趨勢。出現(xiàn)這個狀態(tài)的原因是：實(shí)驗(yàn)采用淬火后的20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼，材料難加工，低速切削時，其沖擊力大，刀具受力不均勻，從而加劇磨損，出現(xiàn)微崩刃，降低刀具壽命；高速切削時，刀具熱量不容易散出，出現(xiàn)粘結(jié)磨損和氧化磨損，使刀片出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。在切削力作用下，刀具溫度繼續(xù)升高，內(nèi)部還會出現(xiàn)裂紋，隨著裂紋不斷擴(kuò)散合并，刀具就會出現(xiàn)斷裂、破損。

圖6 正常磨損 圖7 微崩刃 圖8 剝落

圖9 切削速度對刀具壽命的影響曲線

進(jìn)給量對刀具壽命的影響規(guī)律如圖10所示。在切削速度和背吃刀量一定的情況下，刀具壽命隨著進(jìn)給量的增加而降低。當(dāng)進(jìn)給量從0.06 mm增加到0.08 mm時，刀具壽命下降平穩(wěn)；當(dāng)進(jìn)給量繼續(xù)增加到0.10 mm時，刀具壽命下降顯著。原因是齒輪零件加工存在高速斷續(xù)情況，當(dāng)進(jìn)給量增加時，切削力增大，切削熱增多，刀具磨損增加；當(dāng)進(jìn)給量繼續(xù)增大，切削力的不均勻變化引起切削溫度大幅升高，熱量聚集，加劇刀具磨損，使刀具壽命急劇下降。

圖10 進(jìn)給量對刀具壽命的影響曲線

2.4 刀具磨損對齒輪表面質(zhì)量的影響

高速硬車20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼齒輪零件時，存在高速斷續(xù)切削情況。切削力不斷變化引起切削溫度升高，使加工環(huán)境變得復(fù)雜，加速刀具磨損，影響工件的表面加工質(zhì)量[5]。圖11是刀具磨損對表面質(zhì)量的影響曲線。從圖中可以看出，以后刀面的磨損值為判斷標(biāo)準(zhǔn)，零件的表面質(zhì)量隨著刀具的磨損整體呈下降趨勢。在刀具開始磨損時，零件表面質(zhì)量迅速下降，當(dāng)達(dá)到一定程度后，零件表面質(zhì)量進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)磨損加劇,出現(xiàn)剝落、裂紋，加工環(huán)境惡化時，零件表面質(zhì)量直線下降。

圖11 刀具磨損對表面質(zhì)量的影響曲線

3 結(jié)論

1)采用新型立方碳化硼刀具，高速切削硬鋼20CrMnTi(滲碳后硬度為HRC58～HRC62)，其加工精度可達(dá)到IT5，表面粗糙度值在Ra0.6 μm以下，可為后續(xù)優(yōu)化高硬度齒輪精加工車削參數(shù)、保證零件表面質(zhì)量、提高加工效率、降低生產(chǎn)成本提供依據(jù)。

2)高速硬車20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼時，刀具磨損隨著切削參數(shù)的不同呈現(xiàn)不同的形態(tài)。隨著切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的逐步增加，刀具磨損形態(tài)從正常磨損到微崩刃繼而到刀片材料脫落、裂紋、斷裂失效，刀具壽命也隨之降低。

3)高速硬車20CrMnTi合金結(jié)構(gòu)鋼時，工件表面粗糙度值隨著刀具磨損總體呈上升趨勢。在切削前期，工件表面質(zhì)量隨著刀具的磨損呈下降趨勢，過程相對平穩(wěn)；一段時間后，隨著刀具磨損加劇，工件表面質(zhì)量迅速降低。