張銀霞,于鑫,郜偉,王棟
(鄭州大學(xué)抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實驗室,河南 鄭州 450001)
18CrNiMo7?6表面滲碳鋼(國內(nèi)牌號為17Cr2Ni2Mo)是一種非常重要的齒輪材料,該鋼種經(jīng)滲碳、淬火后硬度能達到58?62HRC,由于其具有較高的機械強度和抗疲勞磨損能力,其被廣泛用于減速器齒輪和高速機車齒輪等方面。由于淬硬鋼的難加工性,為得到較好的表面完整性,此鋼種的終加工方式一般為磨削加工[1]。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展,特別是陶瓷、立方氮化硼等超硬材料的出現(xiàn),促進了“以車代磨”硬態(tài)切削加工技術(shù)[2]的產(chǎn)生,硬態(tài)切削不僅可以達到較好的加工精度,而且具有經(jīng)濟性和環(huán)保性等優(yōu)點,因此在對工件性能起關(guān)鍵作用的精加工中,已成為磨削加工的主要競爭者。表面粗糙度和表層殘余應(yīng)力作為表面完整性中的重要內(nèi)容,對工件的疲勞壽命[3]有著重要的影響。國內(nèi)外一些學(xué)者對硬態(tài)車削表面粗糙度和殘余應(yīng)力作出了卓有成效的研究,文獻[4]通過對比硬態(tài)車削、磨削,證明了與磨削相比,硬態(tài)車削可以在表層獲得更大的殘余壓應(yīng)力和更深的壓應(yīng)力層;文獻[4]通過對表面粗糙度進行建模和優(yōu)化,證明了刀尖圓弧半徑和進給量是影響表面粗糙度的重要因素;文獻[5]研究了硬態(tài)車削中不同刀刃幾何形狀和工藝參數(shù)對加工區(qū)三軸表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度的影響,證明了殘余應(yīng)力的行為與輸入?yún)?shù)有關(guān),并確定輸入?yún)?shù)的最佳范圍和誘發(fā)壓應(yīng)力的概率。
綜合分析硬態(tài)切削相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)[6],硬態(tài)切削工藝可以大幅度提高被加工工件的表面完整性[7?8],在一些加工條件下其加工精度與表面完整性甚至可以超過磨削工藝[9],研究普遍認為在各切削變量中,進給速度是影響表面完整性的最重要因素,但目前大部分研究集中在模擬仿真方面[10],硬態(tài)車削試驗研究相對較少,且針對18CrNiMo7?6淬硬鋼的研究主要集中在磨削及表面強化等方面,缺乏硬態(tài)車削方面的研究。通過試驗研究硬態(tài)車削工藝參數(shù)對18CrNiMo7?6淬硬鋼三維表面粗糙度及表層殘余應(yīng)力等表面完整性的影響規(guī)律,為18CrNiMo7?6淬硬鋼的硬態(tài)車削加工工藝制定提供了重要參考依據(jù)。
試驗材料為18CrNiMo7?6鋼,設(shè)計試樣規(guī)格為Φ(12.5×100)mm 的圓柱棒料,熱處理工藝類型為滲碳淬火,工藝層深為(1.50~1.80)mm。熱處理后對表面進行粗磨,預(yù)處理工件表面硬度為(60.0~61.0)HRC,表面粗糙度為(0.4~0.5)μm,表層殘余應(yīng)力沿深度方向表現(xiàn)為拉應(yīng)力,在26μm 處拉應(yīng)力最大,隨后逐漸降低,在100μm處開始趨于穩(wěn)定至?100MPa左右。
試驗設(shè)備選用CAK4085型數(shù)控車床,主電機額定功率為5.5 kW,主軸轉(zhuǎn)速范圍為(100~2000)r/min。刀具型號為TNGA160404?3S的立方氮化硼復(fù)合式刀片,形狀為正三角形,刀尖圓弧半徑為0.4mm,車削形式為干式硬態(tài)車削。試驗的目的在于探究硬態(tài)車削18CrNiMo7?6鋼各切削因素對表面粗糙度與殘余應(yīng)力的影響規(guī)律,以進給速度、切削速度、背吃刀量為主要變量設(shè)計單因素試驗,具體參數(shù),如表1所示。
表1 因素梯度表Tab.1 Factor Gradient Table
選擇三維表面粗糙度Sa作為測量目標,相對于二維表面粗糙度Ra,Sa攜帶有與功能特性有關(guān)的形貌信息,便于將表面參數(shù)與實際功能進行聯(lián)系。
使用NPFLEX三維表面形貌測量系統(tǒng)對已加工表面進行粗糙度檢測,每個試樣取3個測量點,取其平均值為測定值。當進給速度為10mm/min、切削速度為31m/min、背吃刀量為0.2mm時,已加工工件表面三維形貌,如圖2所示。可知此時Sa為0.215μm。
圖1 NPFLEX 三維形貌測量儀Fig.1 NPFLEX Three Dimensional Shape Measuring Instrument
圖2 表面三維形貌Fig.2 Three Dimensional Surface Topography
以ProtoLDR高速X射線殘余應(yīng)力分析儀為平臺進行殘余應(yīng)力檢測,使用Proto8818?V3電解拋光機對試樣表面剖層,通過預(yù)試驗確定腐蝕電壓為20V、時間為3s,每次剖層深度為10μm,總剖層深度為100μm,從而得到已加工試樣殘余應(yīng)力沿深度方向的分布規(guī)律。
圖3 PROTO X射線殘余應(yīng)力分析儀Fig.3 PROTO X?Ray Residual Stress Analyzer
圖4 PROTO 8818?V3電解拋光機Fig.4 Electrolytic Polishing Machine
當vc=31m/min、ap=0.10mm時,粗糙度隨進給速度的變化規(guī)律,如圖5所示。
圖5 三維表面粗糙度?進給速度Fig.5 Sa?Feed Rate
由圖可知Sa在(5~45)mm/min的范圍內(nèi)隨進給速度增大而增大,呈現(xiàn)正相關(guān)性。這是由于在硬態(tài)切削中,切削殘留高度與側(cè)向塑流是影響Sa的主要因素,在刀尖圓弧半徑與切削刃圓角半徑不變的情況下,側(cè)向塑流高度穩(wěn)定,而切削殘留高度隨進給速度增大而增大。當vf=10 mm/min、ap=0.1 mm時,粗糙度隨切削速度的變化曲線,如圖6所示。
圖6 三維表面粗糙度?切削速度Fig.6 Sa?Cutting Speed
由圖可知在(31~47)m/min 的速度范圍內(nèi),Sa隨切削速度增大而降低,在47m/min時Sa達到0.16μm;在(47~63)m/min區(qū)間內(nèi)Sa隨切削速度增加呈上升趨勢,但有一定波動。出現(xiàn)這一變化曲線的主要原因加工工件為細長軸工件,隨著切削速度增大,主軸轉(zhuǎn)速過大,機床系統(tǒng)振動增強使工件表面產(chǎn)生振紋,使Sa在一定程度上增大。
當vc=31m/min、vf=10mm/min時,粗糙度隨背吃刀量變化曲線,如圖7所示,在(0.05~0.25)mm的背吃刀量梯度范圍內(nèi),Sa值在(0.19~0.30)μm區(qū)間內(nèi)波動,無明顯規(guī)律,從而可知在一定范圍內(nèi),背吃刀量對三維表面粗糙度影響較小。
圖7 三維表面粗糙度?背吃刀量Fig7 Sa?Depth of Cut
當vc=31m/min、ap=0.10mm時,殘余應(yīng)力沿深度方向大小,如圖8所示。
圖8 殘余應(yīng)力?進給速度Fig.8 Residual Stress in?Feed Rate
表層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài),最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)于距表面(0~0.03)mm深度區(qū)間內(nèi)。殘余壓應(yīng)力沿深度方向先增大后減小至穩(wěn)定狀態(tài),因為已加工表面受到后刀面擠壓發(fā)生塑性變形從而在表層產(chǎn)生較大殘余壓應(yīng)力,隨著距表面深度的增加,塑性變形產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力影響小于熱載荷產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力,使殘余壓應(yīng)力逐漸減小至較為穩(wěn)定狀態(tài)。
由圖9可以看出,最大殘余壓應(yīng)力隨進給速度增加變化規(guī)律為:在(5~15)mm/min區(qū)間內(nèi)快速減小;在(15~30)mm/min區(qū)間內(nèi)仍持續(xù)減小,但減小速度下降;在(30~50)mm/min區(qū)間內(nèi)保持增大。原因是隨著進給速度的增加,切削溫度隨之升高,熱效應(yīng)引起的殘余拉應(yīng)力增加使最大殘余壓應(yīng)力表現(xiàn)為降低趨勢。但進給速度變大切削力也變大,已加工表面受到刀具后刀面的擠壓作用變大,殘余壓應(yīng)力最終表現(xiàn)為增加趨勢。
圖9 最大殘余應(yīng)力?進給速度Fig.9 Maximum Residual Stress?Feed Rate
當vf=10mm/min、ap=0.10mm時,不同切削速度條件下殘余應(yīng)力變化規(guī)律,如圖10、圖11所示。
圖10 殘余應(yīng)力?切削速度Fig.10 Residual Stress?Cutting speed
圖11 最大殘余應(yīng)力?切削速度Fig.11 Maximum Residual Stress?Cutting Speed
由圖可知表層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài),最大殘余應(yīng)力值出現(xiàn)于距表面(0~0.03)mm 深度區(qū)間。當vc在(31~39)m/min 范圍內(nèi)時,最大殘余壓應(yīng)力隨切削速度增大而增大,當vc大于39m/min時,殘余應(yīng)力最大值穩(wěn)定在(?550~?650)MPa區(qū)間內(nèi)。原因是在(31~39)m/min速度范圍內(nèi),切削溫度上升速度較小,塑性變形對殘余應(yīng)力的影響強于熱效應(yīng)的作用,導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力最大值增大;(39~63)m/min速度范圍內(nèi),隨著切削速度的進一步增加,切削溫度上升較快,工件表層內(nèi)熱載荷產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力增加速度與塑性變形產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力增加速度保持一致,因此殘余壓應(yīng)力的最大值保持穩(wěn)定。當vc=31m/min、vf=10mm/min時,不同背吃刀量條件下殘余應(yīng)力變化規(guī)律,如圖12、圖13所示。
圖12 殘余應(yīng)力?背吃刀量Fig.12 Residual Stress in?Depth of Cut
圖13 最大殘余應(yīng)力?背吃刀量Fig.13 Maximum Residual Stress?Depth of Cut
表層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài),沿深度方向先增大后減小,在距表面60μm 處逐漸平衡,最大殘余應(yīng)力值出現(xiàn)于距表面(0~0.02)mm深度區(qū)間。最大殘余壓應(yīng)力隨背吃刀量增加始終處于在(?400~?500)MPa區(qū)間內(nèi),原因是背吃刀量變化對單位長度上的切削力影響不大,對塑性變形影響較小,因此最大殘余壓應(yīng)力變化較穩(wěn)定。
(1)18CrNiMo7?6滲碳鋼硬態(tài)車削條件下,三維表面粗糙度Sa隨進給速度增大而升高;當vc在(31~47)m/min區(qū)間時,Sa隨切削速度增大而降低,超過47m/min后,隨著機床?刀具?工件系統(tǒng)振動增強,Sa隨切削速度增大而升高;背吃刀量增大,Sa變化無明顯線性規(guī)律;當vc、vf、ap分別為31m/min、5mm/min和0.10mm時Sa可達0.16μm;(2)18CrNiMo7?6滲碳鋼經(jīng)硬態(tài)車削后試樣表層殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài),且沿深度方向表現(xiàn)為先增大后減小至穩(wěn)定狀態(tài)的變化規(guī)律,最大殘余壓應(yīng)力處于距表面(0~0.03)mm深度區(qū)間內(nèi),沿深度應(yīng)力值范圍為(?300~?700)MPa;(3)在各切削變量中,進給速度對表層殘余應(yīng)力影響最大,殘余應(yīng)力最大值隨進給速度增加先減小后增大;在切削速度較低時,殘余應(yīng)力最大值隨切削速度增加快速增大,在切削速度越過39m/min后,應(yīng)力值趨于穩(wěn)定;背吃刀量對殘余應(yīng)力影響最小,殘余應(yīng)力最大值變化無明顯線性規(guī)律;當vc、vf、ap分別為59m/min、10mm/min 和0.10mm時,殘余壓應(yīng)力可達?642.09MPa;(4)18CrNiMo7?6 滲碳鋼的硬態(tài)切削加工能夠獲得較好的三維表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力,提高表面完整性,研究結(jié)果可為18CrNiMo7?6滲碳鋼的加工工藝制定提供依據(jù)。