劉 宇 呂 玲 馬付建 張生芳 沙智華

(①大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;②大連科技學(xué)院機(jī)械工程系，遼寧 大連 116052)

在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，許多零件的配合表面既要求高的表面摩擦系數(shù)，又要求大的表面接觸剛度，例如，制動盤的摩擦表面、制動器推桿套筒配合面等［1］。工件表面的摩擦系數(shù)除了與自身的材質(zhì)、潤滑條件有關(guān)外，還與工件的表面微觀形貌關(guān)系密切［2-3］。表面形貌在宏觀上的表現(xiàn)就是工件的表面質(zhì)量(包括表面粗糙度、波度等)。然而，傳統(tǒng)的加工工藝表面粗糙度和表面剛度是無法兼顧的，一般認(rèn)為加工后表面粗糙度值增大，則表面的接觸剛度就會相應(yīng)地降低［4-5］。本文研究塑性材料表面的擠壓切削方法，探索通過刀具對工件表面的擠壓切削，同時獲得大的表面粗糙度和高表面接觸剛度值的加工工藝。

1 擠壓切削的原理

擠壓切削的原理是將滾壓加工與切削加工相結(jié)合，充分利用刀刃圓弧的作用，使得刀具在工件表面少量切削的同時對加工表面進(jìn)行擠壓，以實現(xiàn)表面的強(qiáng)化［6］。以軸類工件外表面車削加工為例，若車削外圓時增大進(jìn)給量，同時采用很小的背吃刀量，則既能加工出波紋型的表面紋理，增大了表面粗糙度值，還會由于刀尖圓弧半徑的存在，使得加工時切削刃“咬”不住金屬而打滑，大部分材料沒有被去除，而是被擠壓力纖維化，壓進(jìn)了工件表面，形成了加工硬化層，從而達(dá)到了提高表面硬度和耐磨性的目的。

同時，由于擠壓加工時刀具對工件表面造成塑性變形，可使加工后表面獲得有益的殘余壓應(yīng)力，如圖1所示。

加工時，在切削力的作用下，加工表面層受沿切削速度方向拉應(yīng)力而產(chǎn)生伸長塑性變形;在擠壓力作用下，加工表面層受垂直于切削速度方向擠壓應(yīng)力而產(chǎn)生擴(kuò)展塑性變形。這兩種塑性變形使得表面積趨向增大，此時里層處于彈性變形狀態(tài)，當(dāng)切削力去除后，里層金屬趨向于復(fù)原，但受已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制，回復(fù)不到原狀，因而在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層則為拉應(yīng)力與之平衡。殘余壓應(yīng)力的存在提高了工件的疲勞強(qiáng)度，增加了使用壽命。

2 擠壓切削的實驗研究

2.1 實驗方案設(shè)計

應(yīng)用不同工藝參數(shù)在數(shù)控車床上，以三角外螺紋車刀對45 鋼軸類工件進(jìn)行了以正交表L9(34)為模板的3 因素、3 水平正交試驗，各實驗所采用的工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 擠壓切削外圓樣件工藝參數(shù)

2.2 工件表面粗糙度的測量

采用表面輪廓儀，以取樣長度L=2.5 mm，測量長度5 mm，垂直放大倍率V=500，水平放大倍率H=10，對實驗樣件分別在不同位置測量3 次，得出表面粗糙度Ra的值，如圖2 所示。

3 實驗結(jié)果分析

為了便于分析，把因素水平作為橫坐標(biāo)，試驗指標(biāo)的平均值Ra作為縱坐標(biāo)，畫出各因素與指標(biāo)的關(guān)系圖如圖3 所示。從圖3 中可以看出:(1)隨著進(jìn)給量的增加，表面粗糙度值逐漸增大，這主要是由于刀具相對于工件作進(jìn)給運(yùn)動時，將刀具的幾何形狀復(fù)映到加工表面，形成的切削層殘留高度與進(jìn)給量成正比;(2)隨著切削速度的增加，表面粗糙度值先緩慢增大后急劇減小，這主要是因為切削速度增加，刀具對工件的作用時間減小，工件表面受刀具作用的塑性變形相應(yīng)減小，則表面粗糙度值相應(yīng)減小;(3)隨著背吃刀量的減小，表面粗糙度值先減小后增大，這是因為在進(jìn)給量較大的前提下增大背吃刀量，可增大切削層殘留高度，而當(dāng)背吃刀量很小時，刀具對工件表面的擠壓和打滑會形成附加的塑性變形，增大表面粗糙度值。

3.1 正交試驗的極差分析

對于所采用的精車外圓樣件，加工實驗是以正交表L9(34)為模板的正交試驗。其中影響表面粗糙度的3 個因素分別是進(jìn)給量A、切削速度B 和背吃刀量C，各因素對應(yīng)了3 個水平。以表面粗糙度Ra為分析指標(biāo)，將正交試驗的結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表2 所示。

表2 中Ki行的數(shù)值分別是因素A、B、C 的第i 水平所對應(yīng)的表面粗糙度Ra之和。ki為i 水平的平均值。極差是同一列中k1、k2、k3極值之差，反映了因素水平對試驗指標(biāo)的影響程度。

通過表2 的極差分析可以判定:實驗中各因素對指標(biāo)表面粗糙度Ra影響按大小順序來說應(yīng)為切削速度B、進(jìn)給量A、背吃刀量C，最好的方案是B2A3C1，即B2切削速度，第2 水平:400 r/min;A3進(jìn)給量，第3 水平:0.3 mm/r;C1背吃刀量，第1 水平:0.1 mm。

表2 加工表面粗糙度的極差分析

但是，通過對樣件表面形貌的觀測實驗表明，切削速度影響樣件表面粗糙度是另有原因的。

3.2 樣件表面形貌的觀測

通過超景深三維顯微鏡分別以×30、×100 及×200 的放大倍數(shù)對實驗樣件表面進(jìn)行觀測，并記錄和存儲觀測照片。圖4～6 為不同切削速度下的樣件表面顯微照片。

從圖4～6 中可以看出，在切削速度為200 r/min條件下樣件表面有明顯受刀具擠壓、劃擦的痕跡，且存在由于刀具切削、擠壓樣件表面而產(chǎn)生的樣件材料表面的塑性變形和裂紋;在切削速度為400 r/min 條件下刀具對樣件表面的破壞程度更加嚴(yán)重，樣件表面產(chǎn)生大量的由塑性變形形成的材料凸起和凹坑，在樣件8 的表面還存在較為明顯的材料剝落痕跡，這也是在400 r/min 切削條件下樣件表面粗糙度值增大的一個主要原因，在這種情況下雖然樣件表面粗糙度值有所增大，但加工表面的接觸剛度將顯著降低，這將影響零件的工作性能和使用壽命;在切削速度為800 r/min 條件下，觀測樣件表層破壞程度較小，刀具刻痕清晰整齊，樣件表面質(zhì)量良好。這主要是由于增大切削速度，使得刀具對樣件表面的作用時間減小了，樣件表層金屬材料受刀具切削力而塑性變形的時間縮短了，這樣樣件的表層金屬不至由于受到拉伸塑性變形過大而產(chǎn)生裂紋與破壞。因此認(rèn)為盡管在切削速度為200 r/min和400 r/min 時加工表面的粗糙度值有所增大，但是，這種表面粗糙度值的增大是在犧牲金屬表面層質(zhì)量的前提下獲得的，這使得零件表面的接觸剛度明顯降低。這種方法獲得的較大的表面粗糙度值與加工目的是相違背的。為了在保證樣件良好的表面層質(zhì)量下盡可能大的表面粗糙度值，選用較高的切削速度。

盡管背吃刀量對表面粗糙度的影響并不顯著，但增加背吃刀量可增大刀具對樣件表面的擠壓力，增加樣件材料表面的纖維化程度，實現(xiàn)表面的強(qiáng)化和硬化。為提高表面的接觸剛度，可相應(yīng)增大背吃刀量。

從圖4～6 中可看出，刀尖作用在樣件表面的刻痕較細(xì)，這反映出加工過程中刀尖圓弧半徑較小。尖細(xì)的刀尖對樣件表面將產(chǎn)生更多的刻劃作用，而不是希望獲得的因刀具“咬”不住金屬而產(chǎn)生的擠壓作用，并且尖細(xì)的刀尖對樣件表面纖維的破壞將加劇加工表面的凸凹不平。此外，鋒利的刀尖減少了刀具對樣件表面的實際作用面積，將造成應(yīng)力集中，不利于擠壓作用均勻地施加于樣件表面。

根據(jù)正交試驗及表面形貌觀測所獲得的規(guī)律，為保證表面接觸剛度的同時獲得更大的表面粗糙度值，可在選用更高切削速度(1 000 r/min 以上)的同時，以大的進(jìn)給量(0.3 mm/r)，大的背吃刀量(如0.2 mm)并相應(yīng)增大所用刀具的刀尖圓弧半徑，以獲得較為理想的加工表面。

3.3 加工實例

圖7 為采用上述推薦切削用量并增大刀具刀尖圓弧半徑后獲得的擠壓切削樣件表面形貌圖。表面規(guī)則的波紋型紋理增大了表面粗糙度值，相應(yīng)地增大了表面摩擦系數(shù)，同時由于切削時刀具對樣件的擠壓作用，使得樣件表面的接觸剛度明顯增大。經(jīng)分析，在保證接觸剛度的前提下，擠壓切削加工的樣件表面摩擦系數(shù)增大了約29%。

4 結(jié)語

本文針對特殊零件表面對摩擦系數(shù)和接觸剛度的雙重要求，研究了一種表面擠壓切削加工方法，該方法通過切削過程中施加刀具對工件的擠壓作用，獲得大粗糙度值和強(qiáng)化表面。對影響加工表面質(zhì)量的切削參數(shù)進(jìn)行了實驗研究，最終通過加工獲得了較為理想的加工表面。所得結(jié)論如下:

(1)通過擠壓切削加工可增大加工表面的表面粗糙度值和接觸剛度，使加工表面的摩擦系數(shù)和使用壽命得到相應(yīng)提高。

(2)切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量對擠壓切削加工表面粗糙度的影響程度依次由大變小，但較低的切削速度將造成工件表面質(zhì)量的破壞。

(3)改變背吃刀量和刀尖圓弧半徑的大小對改善加工表面的接觸剛度都有一定的影響。

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