不銹鋼微量潤滑車削殘余應(yīng)力的研究

覃孟揚(yáng)，賀愛東，葉邦彥，梁立東，周莉

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東廣州510665;2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640)

0 前言

不銹鋼在空氣中或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中具有優(yōu)越的耐腐蝕性，是具有廣泛應(yīng)用前景的合金。但不銹鋼又是一種難加工 (切削)材料，其物理性能體現(xiàn)為韌性強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)小、加工硬化嚴(yán)重，導(dǎo)致了切削力大、刀具磨損快、切削溫度高和易粘刀等缺點(diǎn)［1］，從而限制了它的應(yīng)用。為了克服上述問題，在實(shí)際切削加工不銹鋼時(shí)，往往需要使用大量切削液，不但使加工成本高昂，而且對環(huán)境造成很大影響，不符合目前綠色制造的發(fā)展趨勢［2］。

微量潤滑技術(shù) (Minimal Quantity Lubrication，簡稱MQL)指將壓縮氣體與極微量潤滑液混合汽化后，形成微米級的液滴，噴射到切削區(qū)進(jìn)行有效潤滑的一種切削潤滑方法。它的潤滑液使用量僅為傳統(tǒng)潤滑方式的1%～2%，環(huán)保效果優(yōu)越，但加工質(zhì)量接近傳統(tǒng)潤滑方式，被認(rèn)為是極具有推廣前途的 (準(zhǔn))干切削技術(shù)，在學(xué)術(shù)界和工程界都得到了高度重視［3－5］。大量研究發(fā)現(xiàn)MQL在不銹鋼切削加工中，可以改善了切削性能，顯著地提高刀具耐用度和加工表面粗糙度［6－7］。加工殘余應(yīng)力是加工表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它對工件使用性能、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性有著重要影響［8］。目前對不銹鋼MQL加工殘余應(yīng)力的研究很少，無法對不銹鋼MQL加工質(zhì)量形成全面的認(rèn)識，因此需要對該問題進(jìn)行更多研究。

文中采用SUS304不銹鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，以切削深度、切削速度、進(jìn)給量和MQL切削液類型作為實(shí)驗(yàn)因素，對不銹鋼進(jìn)行MQL車削的正交實(shí)驗(yàn)，以了解這些因素對加工殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。研究結(jié)果有助于深入了解不銹鋼MQL加工機(jī)制，同時(shí)為調(diào)整不銹鋼加工殘余應(yīng)力，獲得高質(zhì)量的不銹鋼零件提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

試驗(yàn)加工工藝為車削，機(jī)床為CA6140。試樣材料為SUS304不銹鋼 (牌號為06Cr19Ni10)，材料性能見表1。試樣直徑為30 mm，總長為300 mm。刀具為TiAlN涂層硬質(zhì)合金車刀，所有試驗(yàn)均采用相同刀具，幾何參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)所使用切削液均為環(huán)保型切削液。

MQL裝置為愛默琳公司118S標(biāo)準(zhǔn)型商用微量潤滑霧化系統(tǒng)。設(shè)置如下:MQL壓縮氣體壓強(qiáng)為0.6 MPa，空氣壓縮機(jī)供氣;潤滑液采用脈沖微量供液，脈沖頻率為100 Hz;采用側(cè)面外供液方式，噴管和刀具處于同一平面，和機(jī)床主軸方向成45°，噴管內(nèi)徑6 mm，離刀尖距離為20 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用四因素三水平的正交試驗(yàn)方案。以切削速度vc、切削深度ap、進(jìn)給量f和MQL切削液為影響因素，以加工殘余應(yīng)力σ為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)的影響因素及水平設(shè)定見表3，正交實(shí)驗(yàn)具體方案見表4，整個(gè)實(shí)驗(yàn)有9個(gè)試樣。

表3 正交實(shí)驗(yàn)因素及水平

表4 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

1.3 殘余應(yīng)力測量

對加工后的試樣采用Panalytical公司PW3040型X射線衍射儀測量試樣外表面的殘余應(yīng)力大小。采樣點(diǎn)取試樣切削區(qū)中點(diǎn)，殘余應(yīng)力的測量方向?yàn)檩S向。測量值以正值表示拉應(yīng)力，以負(fù)值表示壓應(yīng)力。

2 結(jié)果和討論

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。結(jié)果顯示各個(gè)試樣的加工殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其大小在194～640 MPa之間變化。加工殘余應(yīng)力是工件加工過程中，加工表面所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的綜合結(jié)果。切削熱產(chǎn)生熱效應(yīng)，使工件表面產(chǎn)生拉的傾向，而切削力的作用產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)，則使工件表面有受壓的傾向，兩種傾向的最終結(jié)果，使工件表面形成拉壓力或者壓壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不銹鋼的MQL切削條件下，切削區(qū)依然有比較大的切削熱，加工表面是熱效應(yīng)大于機(jī)械效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

注意的是，試樣1的加工殘余應(yīng)力要大于304不銹鋼的強(qiáng)度極限。這種現(xiàn)象和不銹鋼加工硬化層性能特殊性有關(guān)。有關(guān)研究表明，由于激烈的擠壓和塑性變形，金屬材料硬化層的硬度為往往原始硬度的2～4倍，材料強(qiáng)度和硬度是相關(guān)的，因此試樣表面材料實(shí)際強(qiáng)度也大于原始強(qiáng)度，可以承受超過強(qiáng)度極限的拉應(yīng)力。

殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差 (見表4)和顯著性分析 (見表5)可以看出，4個(gè)因素中，對加工殘余應(yīng)力的影響從大到小依次為:切削速度vc、切削液、切削深度ap和進(jìn)給量f。其中，切削速度vc和切削液對殘余應(yīng)力有比較大的影響，切削深度ap影響很小，進(jìn)給量f可以認(rèn)為幾乎沒有影響。

表5 顯著性分析

切削參數(shù)中，切削速度vc對切削熱影響最大。vc增大時(shí)，無論切削力還是摩擦力都在增大，引起切削發(fā)熱劇增，但由于不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，切削熱難于由切屑帶走，從而使切削刃和工件表面熱效應(yīng)顯著增加;另一方面，切削速度vc增加時(shí)，由于氣流帶動作用，會妨礙MQL切削液對切削區(qū)的滲透，降低了切削液對切削區(qū)的冷卻和潤滑效果，進(jìn)一步降低其對切削熱的影響，所以切削速度vc對殘余應(yīng)力影響最大。切削深度ap和進(jìn)給量f對切削熱產(chǎn)生及MQL滲透性的影響都很小，也就對熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)影響很小，導(dǎo)致對殘余應(yīng)力影響小。

切削參數(shù)大小對殘余應(yīng)力的影響趨勢如圖1所示，殘余應(yīng)力隨著切削速度vc的增大而增大;當(dāng)切削深度ap和進(jìn)給量f較小時(shí)，殘余應(yīng)力隨著這兩者增大而增大，但當(dāng)這兩者大到某個(gè)程度后，殘余應(yīng)力反而隨兩者增大而減小。

圖1 切削參數(shù)對加工殘余應(yīng)力的影響

切削液類型對殘余應(yīng)力的影響僅次于切削速度vc。MQL冷卻機(jī)制和傳統(tǒng)澆注式潤滑不同，首先其微液滴揮發(fā)相變可以吸收大量熱量，降低熱效應(yīng);其次，切削液通過對切削區(qū)的滲透潤滑作用，降低摩擦，可以同時(shí)降低熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，二者都可以影響到殘余應(yīng)力大小。雖然MQL切削液用量少，但冷卻和潤滑效果良好，對切削熱產(chǎn)生了很大的抑制作用，對殘余應(yīng)力的影響要大于切削深度ap和進(jìn)給量f。

圖2顯示，MQL設(shè)置相同條件下，獲得殘余拉應(yīng)力從大到小的切削液順序是:植物性切削油、合成酯和聚乙二醇。由于不同切削液成分不同，其相變潛熱、高溫潤滑性能以及滲透性也不一樣，必然會導(dǎo)致它們對試樣熱效應(yīng)和機(jī)械效影響存在差異，從而獲得了不同的殘余應(yīng)力值。

圖2 切削液對加工殘余應(yīng)力的影響

整體上來看，所有單一因素對加工殘余應(yīng)力作用來說都是不顯著的 (見表5)，這說明了殘余應(yīng)力形成的多因素復(fù)雜性，單一因素只能產(chǎn)生有限的影響，無法從根本上改變殘余應(yīng)力。除了實(shí)驗(yàn)的4個(gè)因素外，材料性能、MQL設(shè)置、刀具幾何角度和材料都對殘余應(yīng)力有很大影響。另一方面，實(shí)驗(yàn)獲得的殘余應(yīng)力是194～640 MPa，變化范圍較大，說明了當(dāng)多因素聯(lián)合調(diào)節(jié)時(shí)，對殘余應(yīng)力有一個(gè)較大的調(diào)整效果，在實(shí)際加工時(shí)，要考慮多因素的綜合作用。這些因素之間是否存在交互作用，則需要作下一步研究。

3 結(jié)論

(1)不銹鋼在MQL切削下，所得殘余應(yīng)力一般為拉應(yīng)力。

(2)對加工殘余應(yīng)力的影響從大到小依次為:切削速度、切削液類型、切削深度和進(jìn)給量;其中切削速度和切削液類型影響較大，殘余應(yīng)力隨著切削速度增加而增大。

(3)切削參數(shù)和切削液單一因素對加工殘余應(yīng)力影響不顯著;多因素聯(lián)合調(diào)節(jié)時(shí)，則有一個(gè)較大的影響效果。

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