梁瑞敏

1 現(xiàn)狀與問題描述

零件材料為法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)Z8CND17-04屬于馬氏體不銹鋼，硬度HRC36-41，表面粗糙度Ra0.4，一般車削加工實(shí)現(xiàn)比較困難。實(shí)際加工選擇肯納刀具公司的刀片DNGP15402KC730。切削速度111 m/min；進(jìn)給0.02 mm/s；切深0.075 mm，零件加工完成后，要求做疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為在循環(huán)加載最小載荷Fmin=-4859 KN，最大載荷Fmax=4083 KN的作用下，壽命要達(dá)到733 600次以上。但是公司加工的零件在試驗(yàn)進(jìn)行到110 000次循環(huán)次數(shù)時(shí)靠近大端處發(fā)生斷裂失效。見圖1所示。

圖1活塞斷裂圖

圖2斷裂橫截面

2 原因分析

2.1 金相分析

從金相顯示裂紋擴(kuò)展是本次失效的主要原因，從切面可看到鍍鉻層和基體交界面，機(jī)加工紋路呈波浪狀，鍍鉻層里的裂紋延伸至基體中并靠近斷裂起始源，機(jī)加工表面粗糙度表現(xiàn)為鉻層和基體交界處形成波峰和波谷，在波峰處存在殘余拉應(yīng)力，波谷處存在殘余壓應(yīng)力。大多數(shù)鍍鉻層的裂紋在交界面的波峰處產(chǎn)生，而且圖2中硬化層中存在擴(kuò)展裂紋，初步斷定鍍鉻層里的擴(kuò)展裂紋是由加工硬化引起的。

2.2 對(duì)比試驗(yàn)分析

對(duì)比其他供應(yīng)商使用的刀片是DNMG110404MF1025。我們對(duì)所用切削參數(shù)、加工后的金相圖片、維氏硬度進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如下：

從表1看出DNMG11040404MF1025的刀片幾何圓角，切削速度，進(jìn)給，切深均是DNGP150402KC730的2倍。且在鉻層和基體交界面顯示平緩，刀片基體心部和表面差只有22 HV。而我公司交界面呈有規(guī)律的波浪狀（與0.02 mm/r的加工狀態(tài)符合），且大多數(shù)鍍鉻層的裂紋在交界面的波峰處產(chǎn)生，且基體心部和表面差有114HV（已加工表面發(fā)生硬化現(xiàn)象可以通過檢測(cè)基體表面和心部的維氏硬度差值來反映）。刀片圓角小，切深、進(jìn)給以及切削速度相對(duì)低，當(dāng)切深和進(jìn)給量過小時(shí)，刀具的切削刃鈍圓部分在已加工表面單位長(zhǎng)度上擠壓次數(shù)增多，硬化現(xiàn)象也會(huì)增大。

3 工藝試驗(yàn)

結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，通過改進(jìn)刀具幾何角度和切削參數(shù)來改進(jìn)加工硬化現(xiàn)象，試驗(yàn)如下：

（1）刀具配置：根據(jù)加工硬化產(chǎn)生裂紋的機(jī)理分析，試驗(yàn)中增大刀具的前角、后角，保持切削刃鋒利，減輕零件表面的加工硬化現(xiàn)象。

（2）切削參數(shù)配置：根據(jù)加工硬化產(chǎn)生裂紋的機(jī)理分析，切削速度過大、過小都會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，在滿足零件加工精度的要求下，我們選取了9組切削參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行試切削，力求尋求一組最合理的切削參數(shù)。

（3）維氏硬度比較：DNGP150402KC730這組刀片加工零件表面和心部維氏硬度差異HV 114，說明在加工后表面產(chǎn)生了硬化，這樣的硬化程度是不可以接受的。

（4）金相比較：從金相圖看出，DNGP150402KC730這一組刀片產(chǎn)生的硬化層最厚，DNMG110404MF1025這一組刀片產(chǎn)生的硬化層最薄，CCGX120404ALH10這組刀片產(chǎn)生的硬化層介于上訴兩者之間。

可見，刀片配置，切削參數(shù)選擇對(duì)零件的表面質(zhì)量都有一定影響，尤其對(duì)于高精度不銹鋼材料零件，其基體表面易產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，表面的硬化使得表面脆性增加，嚴(yán)重可導(dǎo)致基體裂紋的產(chǎn)生，隨著裂紋的擴(kuò)展引起零件疲勞斷裂發(fā)生失效。

（5）實(shí)際應(yīng)用效果：綜合各種因素，根據(jù)實(shí)際情況選用了表4中第7項(xiàng)的切削條件完成了零件的加工。

4 結(jié)束語(yǔ)

零件表面的加工硬化層雖然會(huì)增強(qiáng)其耐磨性，但脆性也同時(shí)增加，成為發(fā)生裂紋而促使表面破損和疲勞破壞的主要原因，零件的表面殘余應(yīng)力容易使表面產(chǎn)生裂紋，降低零件的疲勞強(qiáng)度。從浩如煙海的刀具品牌中，選擇出物美價(jià)廉，同時(shí)又適合企業(yè)生產(chǎn)科研的刀具，是令制造業(yè)企業(yè)十分頭痛的事，刀具選型實(shí)用、合理、科學(xué)，不僅可以提高生產(chǎn)加工效率，最大限度地發(fā)揮數(shù)控加工設(shè)備的加工潛能。同時(shí)，還可以大大縮減企業(yè)刀具消耗，達(dá)到節(jié)約刀具成本的目的。所以說在刀具良莠混雜的情形下刀具選型變得非常關(guān)鍵，選型過程中需要注重性價(jià)比，多實(shí)踐，多比較。

表1刀片使用對(duì)照表

表2工藝試驗(yàn)表