高勝利，屈盛官，孫富建，張 良

(1.太原電力高等專科學?；A部，山西太原030013;2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640)

0 引言

鋁青銅，為含質量分數5% ～12%Al元素的銅基合金，其主要的合金元素除了Cu，Al元素之外還包括Fe，Ni，Mn和Si等.鋁青銅合金具有優(yōu)越的物理性能、機械性能和摩擦學性能，在合金中加入不同質量分數的合金元素時，高強耐腐蝕合金的工作溫度能夠達到400℃［1］.W.S.Li等從減磨性和耐磨性方面研究了Cu-14Al-X合金的機械和磨損性能，指出Cu-14Al-X合金可作為拉拔模具的材料［2］.L.Wang等利用空心陰極放電離子鍍技術，在QAL10-4-4鋁青銅刀具基體上沉積形成了鋁青銅涂層，明顯提高了刀具的耐磨性能［3］.

基于粘結和硬度對鋁青銅摩擦性能的影響，并考慮金相組織對鋁青銅機械和摩擦學性能的影響情況，李元元等研制出一種新的高強度耐磨鋁青銅合金.此種合金與另外兩種同類鋁青銅合金(日本 AIBC2(JIS H5114-79)合金和法國 UA9Fe3Y200(NFA 53-709-70)合金)相比，其屈服強度分別提高了44.5%和19.7%，布氏硬度分別提高了16.6%和11.9%［1］.Y.Y.Li利用 M2 高速鋼刀具和YW1硬質合金刀具車削此鋁青銅，研究了切削過程中的磨損機理和粘結性能［4］.張?zhí)锏冗M行了此高強度耐磨鋁青銅的滾壓實驗，分析了滾壓速度和滾壓次數對工件表面粗糙度和顯微硬度的影響［5］.

切削是一個復雜的熱機過程，被切削工件表面承受高應變速率、高應變、高切削力和高切削溫度.表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應力是表征切削表面質量的三個主要參數.YBC251涂層硬質合金刀具在切削此高強度耐磨鋁青銅合金中表現(xiàn)出了優(yōu)于YW1硬質合金的切削性能.為了研究此種刀具對被切削工件表面完整性的影響情況，本文利用YBC251涂層硬質合金刀具對高強度耐磨鋁青銅合金進行了切削實驗，分析了切削參數(切削速度、進給量和切削深度)對切削工件表面質量(表面顯微硬度和表面殘余應力)的影響情況.

1 實驗材料和實驗方案

1.1 實驗材料

切削實驗在C6132Al車床上進行，切削過程中不使用任何潤滑劑和冷卻液.實驗所用的高強耐磨鋁青銅合金的化學成分如表1所示［1］，機械性能如表2所示［1］.實驗所用的 YBC251涂層(TiN/Al2O3/TiCN)硬質合金刀具的角度參數如表3所示.

表1 高強耐磨鋁青銅合金化學成分組成Tab.1 Chemical composition of workpiece material(in weight percent) (wt.%)

表2 高強耐磨鋁青銅合金機械性能Tab.2 Mechanical properties of workpiece material

表3 YBC251涂層硬質合金刀具角度參數Tab.3 Tool parameters of YBC251 coatde cemented carbide tool

1.2 實驗方案

在切削實驗中，切削速度、進給量和切削深度的范圍分別為8～176 m/min，0.05～0.34 mm/r和0.1～3.0 mm.采用HVS1000數顯顯微硬度計測量不同切削參數條件下工件表面的顯微硬度.硬度計設定條件:加載載荷9.8 N，加載時間20 s.采用盲孔法測量不同切削參數下工件表面的殘余應力.在每個棒料上有7個切削加工段，分別記錄不同切削速度或不同進給量條件下的殘余應力，在不同的切削加工段的同一截面上均勻(0°，120°，240°)地鉆3個 2.0 mm 深的孔，每個孔貼一片兩向應變片，分別測量在其切削條件下的軸向和環(huán)向殘余應變值.根據高強度耐磨鋁青銅材料的力學特性(彈性模量 127 GPa，泊松比0.327)，通過彈性力學原理計算出在不同切削速度和不同進給量下的軸向和環(huán)向殘余應力.

2 實驗結果與討論

2.1 切削參數對表面加工硬化的影響

在切削過程中，工件表面同時受到切削力引起的塑性變形和切削溫度造成的高溫重結晶的影響，塑性變形引起工件表面加工硬化，高溫重結晶引起表面軟化，這兩者共同影響著被切削工件表面的加工硬化程度［6］.

2.1.1 切削速度的影響

如圖1所示，工件表面的顯微硬度隨著切削速度的增加而逐漸減小.在切削過程中，隨著切削速度的增加，切削產生的熱量也相應地增加，雖然增多的切屑帶走了更多的熱量，但是切削溫度仍然有所增加.鄧文君等利用有限元法研究了高強度耐磨鋁青銅正交切削加工的過程，發(fā)現(xiàn)切削溫度隨著切削速度的增加有大幅度的升高［7］.C.Dinc等建立了一種有限差分時域溫度預測模型，指出刀具-切屑接觸表面的最大溫度隨著切削速度的增加而增加［8］.由此可以得出，切削速度的增加引起了切削溫度的提高，造成了工件表面再結晶軟化.高溫軟化效應的影響足以補償工件表面加工硬化作用的影響，從而引起工件表面的加工硬度降低.

圖1 切削速度對表面顯微硬度的影響Fig.1 Influence of cuting speed on surface microhardness

2.1.2 進給量的影響

進給量對工件表面顯微硬度的影響如圖2所示.隨著進給量的增加，工件表面的顯微硬度增加，單位時間內第一變形區(qū)和第二變形區(qū)的面積增加，導致切削力增加.增加了的切削力在一定程度上提高了刀具的磨損速率，切削刃的磨損影響了工件表面的金相組織［9-11］，同時增加的切削力提高了表面的塑性變形程度.因此，進給量對表面顯微硬度的影響，可以歸于切削力的增加和刀具磨損速率的增加引起的加工硬化速率大于溫度軟化速率.

2.1.3 切削深度的影響

圖3所示為切削深度對工件表面顯微硬度的影響.隨著切削深度的增加，顯微硬度先增加，最后趨于平穩(wěn).在切削深度小于0.4 mm時，由于刀具刀尖圓弧(rε=0.4 mm)的作用，實際參與切削的刀具角度參數與刀具幾何角度不一致，導致加工工件表面的塑性變形減小，降低了表面的顯微硬度［12］.在切削深度大于 0.4 mm 時，切削深度的增加導致參與切削的切削刃長度也隨之增加，雖然切削力和產生的總熱量增加，但是工件表面的塑性變形和溫度不會有太大的變化，所以表面的顯微硬度值基本保持不變.

圖2 進給量對表面顯微硬度的影響Fig.2 Influence of feed rate on surface microhardness

圖3 切削深度對表面顯微硬度的影響Fig.3 Influence of cutting depth on surface microhardness

2.2 切削參數對表面殘余應力的影響

切削工件的表面殘余應力是由切削力和切削溫度造成在不同深度方向上的不均勻塑性變形所引起的.殘余壓應力和拉應力分別與機械應力與熱應力相關.切削力分為主切削力、切深抗力和進給抗力，主切削力對環(huán)向殘余應力影響最大，進給抗力對軸向殘余應力影響最大.

2.2.1 切削速度的影響

圖4所示為切削速度對工件表面殘余應力的影響曲線.在切削過程中，對軸向殘余應力影響最大的進給抗力較小，對環(huán)向殘余應力影響最大的主切削力較大，而進給抗力引起的壓應力不足以抵消熱應力引起的拉應力，從而導致軸向殘余應力和環(huán)向殘余應力分別表現(xiàn)為拉應力和壓應力.隨著切削速度的增加，軸向殘余拉應力先增大，而環(huán)向殘余壓應力先減小，其形成機理均是增加切削速度，熱應力引起的拉應力的變化速率大于機械應力引起的壓應力的變化速率.繼續(xù)增加切削速度，軸向拉應力減小，環(huán)向壓應力增大.在切削大多數金屬材料工件表面質量的研究中，切削速度對殘余應力的影響均呈現(xiàn)單調遞增或者遞減的變化［13-14］.在高強耐磨鋁青銅的切削過程中，可能是由于在中等切削速度時，刀具前刀面形成積屑瘤，增加了切屑與前刀面的摩擦，產生了大量的熱量.在切削溫度大于一定范圍后，熱應力的影響開始起到主導地位［15］，增大了熱應力對殘余應力的影響，而較低速的切削速度不利于積屑瘤的形成.

圖4 切削速度對表面殘余應力的影響Fig.4 Influence of cutting speed on surface residual stress

2.2.2 進給量的影響

圖5所示為進給量對工件表面殘余應力的影響.由于軸向切削力小于環(huán)向切削分力，所以軸向殘余拉應力總是略大于環(huán)向殘余拉應力.隨著進給量的增加，軸向殘余應力先增加后減小，其變化規(guī)律與D.Y.Jang等切削奧氏體不銹鋼時殘余應力的變化趨勢相同［14］.在一定的范圍內，提高進給量會導致切削溫度迅速增加，從而增大了軸向殘余拉應力.當超過一定的范圍時，熱應力對工件表面的軟化作用逐漸減弱，引起軸向拉應力減小.

隨著進給量的增加，環(huán)向殘余應力由壓應力變?yōu)槔瓚?，并且隨之逐漸增加.在進給量較小的情況下，由于刀尖圓弧的作用，厚度較薄的切屑形成過程相當于刀具對工件表面的擠壓作用［16］，無法形成有效切削;當進給量逐漸增加時，逐漸形成有效的切削，從而殘余壓應力逐漸變?yōu)闅堄嗬瓚?

圖5 進給量對表面殘余應力的影響Fig.5 Influence of feed rate on surface residual stress

3 結論

1)進給量對加工表面的加工硬度影響最大，切削速度其次.雖然切削深度對加工硬度的影響最小，但是由于刀尖圓弧的影響，當切削深度小于0.4 mm時，加工硬度隨著切削深度的增加而變化較大.

2)在切削速度對表面殘余應力的影響中，軸向殘余應力和環(huán)向殘余應力分別表現(xiàn)為拉應力和壓應力.由于積屑瘤的影響，表面軸向殘余拉應力隨著切削速度的增加先增大后減小，而環(huán)向殘余壓應力先減小后憎大.

3)在進給量對表面殘余應力的影響中，軸向殘余應力為拉應力，并隨著進給量的增加先增加后減小.環(huán)向殘余應力，隨著進給量的增加，由于刀尖圓弧的影響，先為壓應力，后逐步轉為拉應力，隨后殘余拉應力隨著進給量的增加而增加.

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