張海珍 閆獻(xiàn)國 郭 宏 葛家山 韓曉君

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原030024)

深冷處理又稱作超低溫處理(或超亞冷處理)，它的處理溫度在-100 ℃以下，是常規(guī)熱處理的延伸［1］。深冷處理是將被處理對象置于特定的、可控的低溫環(huán)境中，使其材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而達(dá)到提高或改善材料性能的一種技術(shù)［2］。董允等人研究不同的深冷處理方案對高速鋼耐磨性的影響，結(jié)果表明由于有超細(xì)碳化物的彌散析出，可以使高速鋼的耐磨性提高一倍以上［3］。嚴(yán)紅娟等人研究深冷處理對高速鋼鉆頭硬度、耐磨性的影響，結(jié)果表明深冷處理促使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，并在馬氏體基體上析出彌散分布的微細(xì)碳化物，從而提高了鉆頭的硬度和耐磨性，鉆頭使用壽命提高2～4 倍［4］。V. Firouzdor 等人將φ2 mm 高速鋼鉆頭浸入液氮中進(jìn)行深冷，然后進(jìn)行高速干切削試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在深冷處理過程中形成細(xì)小均勻的碳化物顆粒，阻止了鉆頭的擴(kuò)散磨損，提高了鉆頭的耐磨性，使鉆頭的耐磨性和壽命提高到126%［5］。但是這種提高很大程度上受深冷處理?xiàng)l件的影響，采用不同的深冷處理工藝會(huì)使材料獲得不同的硬度和斷裂韌性的組合，進(jìn)而使材料的耐磨性有很大的差別［6-7］。

磨損是機(jī)用絲錐常見的失效形式，高速鋼機(jī)用絲錐經(jīng)常發(fā)生的磨損形式是后刀面磨損，隨著后刀面磨損帶寬度的增加刀具將逐漸喪失切削性能，所以絲錐通常采用切削齒主后刀面的最大磨損值VB作為絲錐的磨損極限來確定其使用壽命［8］。因此，有必要研究不同深冷處理工藝對絲錐后刀面磨損的影響。冷培榆將高速鋼成品絲錐置入液氮中浸泡24 h，對深冷處理前后的組織及性能進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，深冷處理可以提高絲錐的耐磨性，M8 成品絲錐深冷處理后的使用壽命是深冷處理前的1.45 倍［9］。但是若將試件直接置入液氮中進(jìn)行深冷，會(huì)使試件表面和芯部的溫度和冷卻速率相差較大［10］，會(huì)使試件變脆，在加工時(shí)刀具容易發(fā)生崩刃。本文采用正交試驗(yàn)的方法，以5 ℃/min 的降溫速度，不同的深冷溫度和保溫時(shí)間，對高速鋼成品絲錐進(jìn)行深冷處理，將處理過的絲錐在加工中心上以不同的切削速度進(jìn)行攻絲試驗(yàn)，測量一定攻絲長度時(shí)絲錐的后刀面最大磨損值VB，分析不同深冷工藝和切削速度對絲錐后刀面磨損的影響，并以極差分析法找到最優(yōu)組合，為優(yōu)化成品絲錐深冷處理工藝和加工方案的制訂提供參考。

1 深冷處理和磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

絲錐在使用過程中的磨損除了受絲錐本身的結(jié)構(gòu)因素和熱處理工藝影響外，還受加工過程中的工藝裝備、切削液、操作者主觀方面等多種因素的影響，因此，絲錐后刀面磨損的產(chǎn)生式由眾多因素交互作用的綜合結(jié)果，十分復(fù)雜。本試驗(yàn)主要研究深冷處理對絲錐攻絲過程中后刀面磨損量的影響，同時(shí)考慮在攻絲試驗(yàn)過程中切削速度對后刀面磨損的影響。由于絲錐攻絲時(shí)的切削速度可以用主軸轉(zhuǎn)速來表示，因此，確定試驗(yàn)因素為:深冷溫度(℃)、保溫時(shí)間(h)、主軸速度(r/min)。根據(jù)絲錐及加工材料特性，對每個(gè)因素選出3個(gè)水平值建立因素水平表，如表1 所示，故本試驗(yàn)屬于三因素三水平試驗(yàn)，根據(jù)確定的因素與水平選用L9(34)正交表。

表1 因素水平表

1.2 深冷處理試驗(yàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)由液氮的供給部分、控制部分和工作部分組成，如圖1 所示。

(1)液氮供給部分(液氮罐)選用查特的自增壓液氮容器，容器內(nèi)外筒全部采用不銹鋼制成，內(nèi)筒下部采用玻璃鋼支撐，以加強(qiáng)容器強(qiáng)度和抗震性能，容器采用多屏絕熱形式，內(nèi)外筒之間包有多層高效絕熱材料，容積為100 L，上面設(shè)有增壓閥，進(jìn)液孔及安全閥。

(2)控制部分包括控制箱和計(jì)算機(jī)兩部分?？刂葡湓O(shè)計(jì)了智能溫度控制器、配電模塊、控制模塊。配電模塊給整個(gè)系統(tǒng)配電。智能溫度控制器將深冷箱中鉑熱電阻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以便進(jìn)行RS485 信號傳輸，所以在計(jì)算機(jī)的RS232 接口上要將其轉(zhuǎn)換成RS232 信號，以便計(jì)算機(jī)與其通訊。RS485 -232 轉(zhuǎn)換模塊采用AD Link 公司的ND6520。計(jì)算機(jī)安裝軟件“深冷加工v1.0”，通過控制箱的控制模塊配合計(jì)算機(jī)內(nèi)的I/O 輸出板卡實(shí)現(xiàn)電磁閥V1和V2以及加熱器的控制。計(jì)算機(jī)主要完成深冷箱溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示、人工智能控制運(yùn)算、控制輸出、曲線繪制、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)保存等功能，具有監(jiān)測和控制雙重作用。

(3)工作部分深冷罐為YDS-15 -210 型，容器的內(nèi)外殼均采用不銹鋼制成。為了形成強(qiáng)制對流，形成均勻氣冷，減少溫度波動(dòng)，在深冷罐頂蓋下方設(shè)有風(fēng)扇。加熱器采用2 kW 的圓形加熱棒，置于深冷罐上部風(fēng)扇的外圈，以方便均勻散熱。深冷箱的頂蓋上設(shè)有兩個(gè)進(jìn)液氮的低溫電磁閥閥門，閥門采用中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制的KZDF 系列電磁閥;測溫元件采用PT100 溫度傳感器，深冷罐配有試件筐可以懸在容器的半空中。

試驗(yàn)時(shí)，將試件放于試件筐中，懸在深冷罐的中部，打開風(fēng)扇。啟動(dòng)控制箱電源，啟動(dòng)控制電腦，將控制軟件打開，設(shè)置降溫程序，降溫速度設(shè)為5 ℃/min，啟動(dòng)溫控，系統(tǒng)工作時(shí)計(jì)算機(jī)通過串口采集深冷罐的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，將其和要求的降溫程序數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行數(shù)字PID 運(yùn)算，通過計(jì)算機(jī)內(nèi)置的一塊I/O 板卡輸出控制信號給控制模塊，用于控制兩個(gè)電磁閥和加熱棒，從而控制進(jìn)入深冷箱中液氮的流量，以及加熱管的加熱時(shí)間，實(shí)現(xiàn)樣品的溫度控制。當(dāng)液氮噴入深冷箱后迅速汽化，汽化后的氣流通過風(fēng)扇強(qiáng)制對流以使液氮罐內(nèi)獲得均勻的溫度。

1.3 磨損試驗(yàn)

(1)絲錐選用陜西渭河工模具總廠生產(chǎn)的M8 -2絲錐，4 槽，切削錐長度7 齒，制造標(biāo)準(zhǔn)為GB 966 -67，材質(zhì)為高速鋼，牌號為W6Mo5Cr4V2。

(2)試驗(yàn)材料:H13，合金工具鋼，硬度26HRC，選用板材，尺寸參數(shù)為200 mm ×300 mm ×12.1 mm，材料兩面銑去氧化皮。

(3)試驗(yàn)機(jī)床:加工中心，美國哈挺機(jī)床有限公司，型號GX-600，采用虎鉗裝夾工件，切削液為煤油與機(jī)油1∶1，加工底孔時(shí)先用φ5 mm 高速鋼中心鉆定位，再用φ6.8 mm 高速鋼麻花鉆鉆底孔。

(4)攻絲型式:通孔。

(5)后刀面磨損量測量:萬能工具顯微鏡。將萬能工具顯微鏡的目鏡改為CCD 攝象機(jī)，將CCD 攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，可以將獲得試件的影像數(shù)字信息傳給計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)觀察試件的影像信息。在萬能工具顯微鏡的軌道上安裝線位移傳感器，以獲得試件的位移數(shù)字信息，并將位移數(shù)字信息傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理根據(jù)試件的大小，選用3 倍目鏡，試件的安裝采用雙頂尖的方式，如圖2 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)取3 個(gè)絲錐進(jìn)行攻絲，在攻絲過程中依據(jù)參考文獻(xiàn)［10］所規(guī)定的絲錐壽命判斷條件，來判斷是否停止試驗(yàn)。當(dāng)絲錐加工40 個(gè)孔即攻絲長度為484 mm 時(shí)，測量絲錐后刀面的最大磨損值VB，取3 個(gè)絲錐的平均值。測量結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果

2.2 極差分析

采用極差分析的方法對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表3 所示。極差值R 越大，說明該因素對后刀面磨損量的影響越大，則由分析結(jié)果可以看出，深冷處理過的高速鋼絲錐攻絲長度達(dá)到484 mm 時(shí)，對絲錐后刀面磨損量影響最顯著的因素為主軸轉(zhuǎn)速，其極差為0.08 mm;其次為深冷溫度，極差為0.057 mm;最不顯著的因素為保溫時(shí)間，極差為0.045 mm。

表3 對后刀面磨損量影響的極差分析結(jié)果mm

后刀面最大磨損值VB隨深冷溫度、保溫時(shí)間、主軸轉(zhuǎn)速三因素變化的效應(yīng)圖如圖3 所示。從效應(yīng)圖可以看出，深冷溫度為-120 ℃后刀面磨損值最小，隨深冷時(shí)間的增加絲錐后刀面磨損值減小，隨主軸轉(zhuǎn)速的增加絲錐后刀面磨損值增大，則得到最小后刀面磨損值的最優(yōu)組合為:深冷溫度-120 ℃，保溫時(shí)間為4 h，主軸轉(zhuǎn)速為150 r/min。

3 結(jié)語

由以上試驗(yàn)結(jié)果及分析可以得出，采用深冷處理工藝對高速鋼成品絲錐處理后進(jìn)行攻絲加工時(shí)，深冷溫度、保溫時(shí)間、主軸轉(zhuǎn)速三因素對絲錐后刀面磨損的影響按顯著程度由高到低依次為主軸轉(zhuǎn)速、深冷溫度、保溫時(shí)間。所以對高速鋼絲錐進(jìn)行深冷處理時(shí)采用-120 ℃的深冷溫度，較長的保溫時(shí)間，較小的攻絲速度，可以減小絲錐后刀面的磨損，延長刀具的壽命。該試驗(yàn)結(jié)果可以推廣到其他高速鋼回轉(zhuǎn)類成品刀具的深冷處理工藝和加工方案的制訂。

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