預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削40Cr的實(shí)驗(yàn)效果研究

賀愛東 葉邦彥 覃孟揚(yáng)

(①廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510300;②華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院，廣東 廣州510640)

硬態(tài)切削是一種用超硬刀具直接對(duì)硬度大于50HRC的淬硬鋼進(jìn)行精密切削的綠色加工工藝。由于在切削加工中工件受到切削力、熱載荷和高溫相變作用產(chǎn)生不均勻塑性變形，當(dāng)外載荷卸去后，工件內(nèi)部就產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。它可以是拉應(yīng)力也可以是壓應(yīng)力，其性質(zhì)和大小隨材料的性能和外載荷作用條件的不同而變化。殘余應(yīng)力是影響工件加工表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。文獻(xiàn)［1-3］顯示，殘余應(yīng)力對(duì)零件表面的靜壓強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性能及尺寸精度有很大影響。殘余拉應(yīng)力會(huì)降低疲勞壽命，從而縮減零件的工作壽命。反之，表面殘余壓應(yīng)力對(duì)提高零件的疲勞壽命是有利的。因此，采用何種手段有效地在切削淬鋼表面直接獲得殘余壓應(yīng)力是一個(gè)值得研究的問題［4-7］。

40Cr是機(jī)械制造業(yè)使用最廣泛的鋼材之一。經(jīng)淬火及中溫回火的淬硬40Cr常用于制造承受高負(fù)荷、大沖擊及中等速度工作的零件，如蝸桿、主軸、軸、套環(huán)及模具的凸凹模等。本文選用淬硬40Cr為實(shí)驗(yàn)材料，在普通車床上利用預(yù)拉應(yīng)力裝置進(jìn)行預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以切削參數(shù)(切削深度ap、進(jìn)給量f、切削速度vc)和施加的預(yù)應(yīng)力值σp為實(shí)驗(yàn)因素，研究其對(duì)硬態(tài)切削表面殘余應(yīng)力的影響效果。同時(shí)通過理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，證明硬態(tài)切削40Cr表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)公式的可行性，為有效地在切削40Cr表面直接獲得殘余壓應(yīng)力提供一定的參考，也具有一定的工程意義。

1 預(yù)應(yīng)力切削及其殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)

預(yù)應(yīng)力切削是一種借助于預(yù)拉應(yīng)力裝置和超硬刀具對(duì)工件進(jìn)行切削加工的加工工藝，該種加工工藝可在切削表面直接獲得殘余壓應(yīng)力［8］。在切削加工前，預(yù)先在工件待加工表面相應(yīng)截面的一定深度內(nèi)施加不超出工件材料彈性范圍內(nèi)的拉伸應(yīng)力，并且在保持該應(yīng)力的拉伸作用下對(duì)工件進(jìn)行切削加工，直到加工結(jié)束后再釋放該預(yù)拉應(yīng)力。工件基體彈性收縮作用使已加工表面受到一個(gè)收縮作用的壓應(yīng)力，使得最終加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)增加了轉(zhuǎn)向殘余壓應(yīng)力的趨勢(shì)，或使原本存在的殘余壓應(yīng)力加大。預(yù)應(yīng)力切削的本質(zhì)是利用材料的彈性恢復(fù)力在切削加工表面產(chǎn)生額外的壓應(yīng)力。

影響殘余應(yīng)力的因素很多，在預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削的加工中，如果刀具和加工材料不變，本文只考慮切削參數(shù)(切削深度ap、進(jìn)給量f、切削速度vc)及預(yù)應(yīng)力值σp作為主要參數(shù)，設(shè)定預(yù)應(yīng)力切削淬硬40Cr鋼的殘余應(yīng)力表達(dá)式為:

式中:C為殘余應(yīng)力σs的固定系數(shù)，僅與刀具以及其他切削條件有關(guān);a1、a2、a3和a4分別表示切削深度ap、進(jìn)給量f、切削速度vc和預(yù)應(yīng)力值σp的指數(shù)。

將式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得到式(2):

對(duì)式(2)中設(shè)定Y=lgσs，a0=lg C，X1=lg ap，X2=lg f，X3=lg vc，X4=lgσp，可得到式(3):

經(jīng)過上述轉(zhuǎn)換后，式(3)變換成為一次多元線性方程。如果已知(Y，X1，X2，X3，X4)值，可求解多元方程式獲得a1、a2、a3、a4、a0的值，將該組值代回式(1)中，最終得到殘余應(yīng)力理論預(yù)測(cè)公式。

2 預(yù)應(yīng)力切削實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力切削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力加載切削裝置如圖1所示。

整個(gè)預(yù)應(yīng)力加載裝置由圓螺母2、施力螺母9、壓板3、圓錐推力軸承4、支撐板5、支撐桿6及止轉(zhuǎn)塊8等構(gòu)件組成。加工前先將樣件安裝在裝置中，并通過轉(zhuǎn)動(dòng)施力螺母對(duì)樣件施加預(yù)拉應(yīng)力。施加的預(yù)應(yīng)力值可以通過在樣件表面的應(yīng)力貼片直接測(cè)量。安裝好樣件后，將帶有樣件的整個(gè)裝置裝夾在車床卡盤1上，并用尾座頂尖10頂住樣件的中心孔支撐。加工時(shí)，上支撐板5和支撐桿6組成的支撐架在止轉(zhuǎn)塊8的作用下保持不動(dòng)，圓螺母2與施力螺母9通過前后兩個(gè)壓塊3和支撐桿組成的支撐架對(duì)樣件7拉緊后，在車床卡盤1的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。刀具從兩根支撐桿之間的空間伸入到加工位置對(duì)樣件進(jìn)行切削加工。由于對(duì)工件施加預(yù)拉力是獨(dú)立于機(jī)床設(shè)備的，因此不會(huì)對(duì)機(jī)床產(chǎn)生作用力，不影響機(jī)床的剛度和穩(wěn)定性。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料和刀具

實(shí)驗(yàn)材料:淬硬合金鋼40Cr，表面高頻處理，表面硬度62 HRC，已做消除表面殘余應(yīng)力處理。材料的化學(xué)成分及彈性模量和切變模量分別如表1、表2所示。實(shí)驗(yàn)樣件為棒料，直徑30 mm，切削有效長度為200 mm(兩端分別車出拉伸工藝用的外螺紋)。刀具為成都工具研究所生產(chǎn)的FJR45型無涂層的PCBN外圓刀，采用的是整體焊接形式。該實(shí)驗(yàn)刀具的幾何參數(shù)如表3所示。

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分(GB/T3077－1999)wt/%

表2 40Cr鋼的彈性模量和切變模量

表3 刀具的幾何參數(shù)表

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用四因素三水平的正交切削實(shí)驗(yàn)方案。其中四因素分別為預(yù)應(yīng)力值σp、切削速度vc、進(jìn)給量f、切削深度ap。正交車削實(shí)驗(yàn)方案所采用的切削參數(shù)和預(yù)應(yīng)力值如表4所示。

表4 正交車削的切削參數(shù)和預(yù)應(yīng)力值

測(cè)量儀器:德國 BRUKER 公司生產(chǎn)的D8ADVANCE型X射線衍射儀;熱處理設(shè)備為SRJX-12-9型箱式電阻爐，常用溫度1 000℃。

切削設(shè)備為車床CA6140。

本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量軸向殘余應(yīng)力。經(jīng)過切削后的樣件，可以用X射線衍射儀進(jìn)行表面軸向殘余應(yīng)力的測(cè)量，拋光采用手動(dòng)控制，選用精度為0.001 mm的千分尺測(cè)量。為了保證測(cè)量殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確性，樣件表面測(cè)量點(diǎn)按圖2所示進(jìn)行布置，即在樣件同一截面相隔90°的位置布置4個(gè)測(cè)量點(diǎn)。最后，每個(gè)深度處的殘余應(yīng)力值則用4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為該深度的應(yīng)力測(cè)量值，這樣可以減小應(yīng)力本身的測(cè)量誤差和每次拋光深度的測(cè)量誤差。所有樣件用同一把刀加工完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 切削參數(shù)和預(yù)應(yīng)力值對(duì)殘余應(yīng)力的影響

表5為正交切削實(shí)驗(yàn)測(cè)得的軸向殘余應(yīng)力值。正值代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力。

從表5正交切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果和表6影響殘余應(yīng)力的顯著性計(jì)算結(jié)果來看，在4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素中，預(yù)應(yīng)力值σp對(duì)殘余應(yīng)力的影響程度明顯，而其他3個(gè)切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響則相對(duì)較小，不明顯。

圖3a結(jié)果顯示，在切削用量不變的情況下，殘余壓應(yīng)力的值隨預(yù)應(yīng)力值的增加而變大，這表明預(yù)應(yīng)力可以有效地提高切削加工表面的軸向殘余壓應(yīng)力。原因是施加的彈性范圍內(nèi)的預(yù)拉伸應(yīng)力越大，切削后釋放拉伸力而獲得的回復(fù)壓力也越大，最終在已經(jīng)發(fā)生塑性變形的切削表面施加一個(gè)更大的額外殘余壓應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力在切削表面形成的殘余壓應(yīng)力不受切削力和切削熱的影響，而只和施加的預(yù)應(yīng)力大小有關(guān)。傳統(tǒng)切削加工形成的殘余應(yīng)力主要受切削力和切削熱的影響，切削力對(duì)工件表面的擠壓產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力使加工表面形成殘余壓應(yīng)力的趨勢(shì)，切削熱在熱應(yīng)力作用下使加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的趨勢(shì)。最終的表面殘余應(yīng)力則是由以上兩種作用綜合的結(jié)果(不考慮相變影響)。而預(yù)應(yīng)力切削加工表面的殘余應(yīng)力則可以看作是在傳統(tǒng)切削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力基礎(chǔ)上疊加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的額外殘余壓應(yīng)力的結(jié)果，其實(shí)質(zhì)是機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力3部分作用耦合而成。在預(yù)應(yīng)力切削中，由于切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響不及施加的預(yù)應(yīng)力值對(duì)殘余應(yīng)力的影響明顯，因此在預(yù)應(yīng)力切削中，受施加的預(yù)應(yīng)力值產(chǎn)生的壓應(yīng)力比其他參數(shù)產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力大，最終在表面形成殘余壓應(yīng)力。

表5 正交切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 影響殘余應(yīng)力的顯著性計(jì)算結(jié)果

圖3b顯示在預(yù)應(yīng)力值、切削速度及進(jìn)給量不變的情況下，切削深度越大，殘余壓應(yīng)力越小。由于工件采用40Cr淬硬材料，硬度高，在受到徑向切削力時(shí)軸向彎曲變形很小，而實(shí)驗(yàn)用的刀具刀尖半徑較大，致使工件受到的徑向切削力遠(yuǎn)大于軸向和進(jìn)給方向的切削力，使得由摩擦產(chǎn)生的切削熱更多，從而在加工表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力也更大，導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力降低。

另外圖3c、3d顯示，殘余壓應(yīng)力隨著vc和f增加也會(huì)相應(yīng)減小，這是因?yàn)関c和f增大后，會(huì)增加切削熱，有增加殘余拉應(yīng)力的趨勢(shì)，從而減小殘余壓應(yīng)力。結(jié)合圖3b、3c、3d中的3個(gè)切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響結(jié)果可以看出，預(yù)應(yīng)力切削淬硬鋼時(shí)，切削深度ap對(duì)殘余應(yīng)力影響較明顯。這與傳統(tǒng)切削時(shí)切削深度對(duì)殘余應(yīng)力影響不明顯有所不同。

3.2 殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)公式的驗(yàn)證

將表5中的2、3、5、6、8、9六組數(shù)據(jù)代入式(3)中，由于1、4、7三組數(shù)據(jù)中的σp=0，不予考慮。經(jīng)求解后得:

最終，加工殘余應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式可以表達(dá)如下:

再進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，利用表4切削方案中的切削參數(shù)，改變預(yù)應(yīng)力值。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表7。表7中顯示出的公式計(jì)算的殘余應(yīng)力值σc和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值σs存在誤差，其中最大誤差率為3.17%。說明通過公式來預(yù)測(cè)的殘余應(yīng)力是可行的。另外，表中還顯示產(chǎn)生的誤差率與預(yù)應(yīng)力大小有關(guān)，預(yù)應(yīng)力越大，出現(xiàn)的誤差率越大。

表7 公式計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值

4 結(jié)語

本文通過正交實(shí)驗(yàn)研究了切削參數(shù)和預(yù)應(yīng)力值對(duì)預(yù)應(yīng)力切削表面殘余應(yīng)力的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到以下結(jié)論:

(1)預(yù)應(yīng)力切削有產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力或減少表面殘余拉壓力的效果。預(yù)應(yīng)力對(duì)殘余應(yīng)力的影響比切削的3個(gè)參數(shù)(切削深度ap、切削速度vc、進(jìn)給量f)對(duì)殘余應(yīng)力的影響要大。

(2)在預(yù)應(yīng)力不變的情況下，隨著3個(gè)切削參數(shù)的增大，硬態(tài)切削表面殘余壓應(yīng)力都有降低的趨勢(shì)。其中切削深度ap對(duì)硬切削表面殘余應(yīng)力的影響較明顯，這與傳統(tǒng)切削時(shí)切削深度對(duì)殘余應(yīng)力影響不明顯的結(jié)論不同。

(3)在相同切削參數(shù)的條件下，預(yù)拉伸應(yīng)力可以增加工件表面殘余壓應(yīng)力，在材料彈性范圍內(nèi)施加預(yù)拉伸應(yīng)力越大，獲得殘余壓應(yīng)力的趨勢(shì)越明顯。

(4)導(dǎo)的預(yù)應(yīng)力切削淬硬40Cr表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)公式經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明是可行的。

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