背吃刀量對(duì)車削42CrMoA鋼表面粗糙度及切屑的影響

劉軍壯，郇艷，寧宇

青島工程職業(yè)學(xué)院 山東青島 266112

1 序言

42CrMoA鋼是一種中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度高，淬透性好，韌性好，淬火時(shí)變形小。調(diào)質(zhì)后綜合力學(xué)性能好，在高溫工作環(huán)境下有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度[1]。適宜要求具備一定強(qiáng)度和韌度的機(jī)械零件，如機(jī)車大齒輪、折彎?rùn)C(jī)的模具、壓力容器中受載荷極大的連桿和彈簧夾，石油深井鉆桿接頭與打撈工具及高溫條件下的連接件（≤530℃）、緊固件（＜510℃）制造[2]。

由于42CrMoA鋼強(qiáng)度高，屬于難切削材料。切削過程中，工件材料的強(qiáng)度越高，切削力、切削功率就越大，切削溫度隨之增高，影響加工的表面粗糙度。由于金屬切削過程是在高溫、高壓及高速狀態(tài)下進(jìn)行，因此切屑的形成機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，車削42CrMoA鋼時(shí)，容易形成很長(zhǎng)的螺卷屑，螺卷屑過長(zhǎng)容易纏繞在工件上，影響切削過程的穩(wěn)定性、操作安全、刀具壽命、生產(chǎn)效率和已加工表面的質(zhì)量。本文采用硬質(zhì)合金涂層刀具對(duì)調(diào)質(zhì)處理的42CrMoA 鋼進(jìn)行車削試驗(yàn)，研究不同背吃刀量對(duì)表面粗糙度及斷屑效果的影響[3，4]。

2 試驗(yàn)設(shè)備

（1）機(jī)床 本試驗(yàn)采用數(shù)控車床CKD6150A（見圖1），機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速2200r/min，最大車削長(zhǎng)度750mm，卡盤直徑250mm。

圖1 數(shù)控車床CKD6150A

（2）刀具 35°V形硬質(zhì)合金涂層刀片，型號(hào)為VNMG160404FF，直線形斷屑槽，槽形代號(hào)FF。刀柄為93°主偏角，型號(hào)為MVJNR2525M16，試驗(yàn)采用的切削液為較濃的乳化液，型號(hào)為BC20-ART.1200-05。刀具幾何參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用刀具幾何參數(shù)

（3）工件材料 42CrMoA鋼，規(guī)格：φ30mm×360mm；熱處理：調(diào)質(zhì)；表面硬度：30～35 HRC；其化學(xué)成分與主要的力學(xué)性能分別見表2、表3[5，6]。

表2 42CrMoA鋼的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 調(diào)質(zhì)42CrMoA主要力學(xué)性能

3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

（1）試驗(yàn)方案 硬質(zhì)合金涂層刀具精車時(shí)推薦的切削用量范圍：背吃刀量0.1～0.3mm，進(jìn)給量0.1～0.3mm/r，轉(zhuǎn)速1300～1500r/min。加工的工件直徑范圍16～30mm。

為了確定背吃刀量對(duì)表面粗糙度及斷屑效果的影響規(guī)律，取不同的背吃刀量值進(jìn)行單因素試驗(yàn)，把進(jìn)給量固定在0.15mm/r，從保證提高去除率和工藝剛度的角度考慮，把切削速度固定在110m/min。背吃刀量取0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.4mm、0.5m、1.00mm和1.50mm9個(gè)數(shù)值，試驗(yàn)過程中工件從d=27mm開始切，最終切至d=21mm，試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速不超過1500r/min。

（2）試驗(yàn)結(jié)果及分析 上述試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。在不同背吃刀量下表面粗糙度的測(cè)量結(jié)果如圖2所示，當(dāng)切屑呈螺旋狀規(guī)則形狀時(shí)，Ra值隨著背吃刀量的增加而降低，背吃刀量在0.35～1mm時(shí)Ra值較好，均在1.6μm以下。當(dāng)切屑變?yōu)樗樾紩r(shí)，Ra值呈現(xiàn)不規(guī)則的變化趨勢(shì)，當(dāng)背吃刀量繼續(xù)加大，切屑堆積在前刀面上，切削過程排屑不良導(dǎo)致Ra值升高[7，8]。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 背吃刀量ap對(duì)Ra值的影響

在切削時(shí)發(fā)現(xiàn)，第9組試驗(yàn)的切屑堆積在前刀面上，切屑堆積到前刀面上不利于切削過程的進(jìn)行，同時(shí)還會(huì)影響已加工表面質(zhì)量和刀具壽命。此組試驗(yàn)與其他組的唯一差別是背吃刀量最大，第9組ap=1.5mm。從這一因素出發(fā)考慮就會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著切屑寬度增大，一方面切屑太寬不能卷曲形成螺卷屑，另一方面，切屑寬度值超過刀尖圓弧處的斷屑槽形在切削刃長(zhǎng)度上的長(zhǎng)度值，此時(shí)主切削刃處的斷屑槽不起斷屑作用。由于主切削刃處的斷屑槽寬度小，切削刃前角大，切屑經(jīng)過前刀面時(shí)受到斷屑槽的阻礙而堆積在前刀面上，圖3為堆積在前刀面上的切屑形態(tài)，切屑的小段彎曲說明斷屑槽阻礙切屑的流動(dòng)。

圖3 堆積在前刀面上的切屑形態(tài)

進(jìn)給量f=0.15mm/r時(shí)，切削過程的切屑折斷后的長(zhǎng)度L值隨背吃刀量ap的變化情況如圖4所示。切屑長(zhǎng)度隨著背吃刀量的增加先增加后減小，在ap=0.2mm時(shí)切屑最長(zhǎng)，平均長(zhǎng)度為182mm。

圖4 f＝0.15mm/r時(shí)切屑長(zhǎng)度的變化

圖5為進(jìn)給量f=0.2mm/r時(shí)的切屑長(zhǎng)度變化，對(duì)比圖4和圖5，斷屑槽的斷屑效果存在一個(gè)不理想的背吃刀量范圍，這個(gè)范圍隨著進(jìn)給量的變化而變化，但變化不大，同時(shí)也可得出進(jìn)給量對(duì)切屑長(zhǎng)度有很大的影響。

圖5 f＝mm/r時(shí)切屑長(zhǎng)度的變化

4 結(jié)束語

1）當(dāng)切屑呈螺旋狀規(guī)則形狀時(shí)，Ra值隨著背吃刀量的增加而降低，背吃刀量在0.3～1mm時(shí)，Ra值較好，均在1.6μm以下。當(dāng)切屑變?yōu)樗樾紩r(shí)，Ra值變化表現(xiàn)為不規(guī)則的變化趨勢(shì)，當(dāng)背吃刀量繼續(xù)加大，切屑堆積在前刀面上，切削過程排屑不良導(dǎo)致Ra值升高。

2）車削42CrMoA時(shí)，背吃刀量ap對(duì)切屑長(zhǎng)度的影響確實(shí)很大，進(jìn)給量f對(duì)切屑長(zhǎng)度也有一定的影響。進(jìn)給量在0.15mm/r與0.2mm/r時(shí)切屑長(zhǎng)度隨著背吃刀量的增加先增加后減小，在ap=0.2mm左右時(shí)切屑最長(zhǎng)，斷屑效果差。