高強(qiáng)度鋼Cr12MoV硬態(tài)切削已加工表面變質(zhì)層形成機(jī)理

岳彩旭　仲昭楠　馬晶　楊永衡

摘要：在高強(qiáng)度鋼的精加工中，硬態(tài)切削已經(jīng)逐步成為了部分代替磨削的先進(jìn)新興工藝。已加工表面質(zhì)量直接影響精加工后工件的使用性能，在諸多已加工表面質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中變質(zhì)層尤為重要。以聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具硬態(tài)切削高強(qiáng)度模具鋼Cr12MoV過(guò)程中表面變質(zhì)層生成情況為研究對(duì)象，在變質(zhì)層的各項(xiàng)指標(biāo)中重點(diǎn)關(guān)注表面顯微硬度、白層厚度及其連續(xù)性和變質(zhì)層的厚度，分析了切削速度、進(jìn)給量、切削深度和刀具磨損等因素對(duì)已加工表面變質(zhì)層生成的影響，研究結(jié)果為控制變質(zhì)層生成及合理選擇切削加工參數(shù)提供，理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：硬態(tài)切削；高強(qiáng)度鋼Cr12MoV；表面變質(zhì)層；刀具磨損

中圖分類(lèi)號(hào)：TC501.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2015）06-0032-05

0 引言

高強(qiáng)度鋼Cr12MoV具有較高的淬透性、硬度和強(qiáng)度，且材料耐磨性強(qiáng)，因此被廣泛的應(yīng)用在承受重載荷的場(chǎng)合。機(jī)械加工中加工質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的使用性能有較大的影響，已加工表面質(zhì)量的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)就是變質(zhì)層，這就使得對(duì)已加工表面變質(zhì)層的研究顯得尤為重要。表面變質(zhì)層一般可以分為白層和過(guò)渡層，其屬性幾乎完全不同，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。Ramesh等研究了白層形成機(jī)理，結(jié)果表明中切削速度對(duì)白層的形成有很大影響，且低速切削條件下白層是由工件表面發(fā)生劇烈的塑性變形引起的，而高速條件下白層的形成則是由于材料相變。D.Umbrello對(duì)淬硬鋼GCr15硬態(tài)切削過(guò)程已加工表面變質(zhì)層生成機(jī)制展開(kāi)了系統(tǒng)研究，研究結(jié)果表明變質(zhì)層厚度隨著切削速度和工件硬度增大而增大。S.Zhang和Y.B.Guo教授深入研究了高強(qiáng)度鋼AISIH13硬態(tài)銑削表層的形成機(jī)制，得到了切削參數(shù)對(duì)變質(zhì)層深度的影響規(guī)律。哈爾濱理工大學(xué)的岳彩旭老師所在課題組對(duì)Cr12MoV硬態(tài)切削已加工表面的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，得出了預(yù)測(cè)白層厚度的方法。大連理工大學(xué)的孔維森以淬硬鋼GCr15為研究對(duì)象，研究了高速干硬切削加工過(guò)程表面白層的形成機(jī)理，并采用有限元仿真技術(shù)建立了表面白層厚度預(yù)測(cè)模型，得出了切削條件對(duì)白層厚度的影響規(guī)律。陳明、段春爭(zhēng)和曾泉人等也針對(duì)此主題展開(kāi)了系列研究。上述研究結(jié)果對(duì)硬態(tài)切削工藝切削條件的控制提供了豐富的借鑒意義，但是較少學(xué)者對(duì)變質(zhì)層中白層的連續(xù)性展開(kāi)研究，對(duì)于變質(zhì)層厚度的測(cè)試手段也大都局限于仿真分析。本文重點(diǎn)關(guān)注了高強(qiáng)度鋼硬態(tài)切削表面變質(zhì)層生成情況，并重點(diǎn)分析了切削條件對(duì)白層連續(xù)性的影響，同時(shí)得出了高可靠性變質(zhì)層厚度的預(yù)測(cè)方法。研究結(jié)果為揭示了表面變質(zhì)層生成機(jī)理，也為實(shí)際加工提供了可借鑒的加工參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

本實(shí)驗(yàn)采用PCBN刀具硬態(tài)車(chē)削淬火后的Cr12MoV模具鋼（HRC55），機(jī)床型號(hào)為CA6140，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)參數(shù)在文中具體研究中給出。變質(zhì)層觀測(cè)試樣通過(guò)線切割、打磨、拋光和腐蝕即可獲得，腐蝕劑選用4%硝酸酒精。已加工表面組織進(jìn)行觀察使用OLYMPUS-GX71倒置式金相顯微鏡（見(jiàn)圖2），工件表面的顯微硬度采用型號(hào)為150DT的電動(dòng)洛氏硬度儀測(cè)試。

2 變質(zhì)層形成機(jī)制探討

切削加工過(guò)程是個(gè)極冷極熱的過(guò)程，當(dāng)切削溫度高于Cr12MoV材料的相變點(diǎn)溫度后，溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇降低，使得已加工表面形成淬火效應(yīng)，在已加工表面形成淬火馬氏體組織，即為白層，然而在表層與基體之間的過(guò)渡區(qū)域存在回火效應(yīng)，進(jìn)而形成過(guò)渡層，白層和過(guò)渡層共同構(gòu)成了已加工表面的變質(zhì)層，如圖3所示，變質(zhì)層中的白層的硬度高，脆性大，而過(guò)渡層的硬度低于基體的硬度。

3 刀具磨損對(duì)白層連續(xù)性及變質(zhì)層厚度的影響

當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p時(shí)，刀具與工件已加工表面的接觸機(jī)制會(huì)發(fā)生明顯變化，并直接影響變質(zhì)層的生成。為探究刀具磨損對(duì)變質(zhì)層形成的影響，實(shí)驗(yàn)選取的切削參數(shù)如下，切削速度為175.9m/min，進(jìn)給量為0.1mm/r，切切削深度為0.15mm，刀具后刀面磨損值分別取0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm。選取主要考察指標(biāo)為最長(zhǎng)連續(xù)白層的截面寬度以及白層的平均厚度，次要衡量指標(biāo)為加、已加工表面的顯微硬度。不同刀具磨損狀態(tài)下的金相組織如圖4所示。從圖中可以觀察到，當(dāng)?shù)毒吣p較小時(shí)已加工表面形成的連續(xù)白層較為密集，當(dāng)?shù)毒吣p增加時(shí)，形成的白層厚度比較大，但是白層并不是很連續(xù)，原因可能是機(jī)械加工中刀具磨損變大導(dǎo)致切削振動(dòng)加劇。

為了較為準(zhǔn)確的分析變質(zhì)層厚度以及白層的連續(xù)性，本研究采取顯微硬度來(lái)間接量化變質(zhì)層的生成情況。根據(jù)金相結(jié)構(gòu)選取顯微硬度各個(gè)點(diǎn)的測(cè)量距離，并采用“五點(diǎn)法”測(cè)得不同刀具磨損下已加工表面的顯微硬度，結(jié)果如圖5所示。測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)顯微硬度值的變化趨勢(shì)是先減小后增大，原因是白層的硬度較高，過(guò)渡層的硬度較低，最后硬度趨于穩(wěn)定的是基體材料。對(duì)比不同刀具磨損量可以發(fā)現(xiàn)變質(zhì)層的厚度隨著刀具磨損的增加而增大。

4 切削速度對(duì)白層連續(xù)性及變質(zhì)層厚度的影響

考慮切削速度對(duì)白層形成的影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)選取進(jìn)給量為0.1mm/r，切切削深度為為.05mm，刀具磨損值為0.2mm，切削速度分別取31.4m/min、78.5m/min、125.7m/min、175.9m/min、223m/min。金相組織觀測(cè)結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示只有在高切削速度下，已加工表面才會(huì)生成較為連續(xù)的白層，并且在高切削速度下白層的厚度隨著速度的增加而減小，其原因可以解釋為當(dāng)切削速度較高時(shí)，切削溫度較高使得表面顯微組織有充足的條件進(jìn)行馬氏體化進(jìn)而生成穩(wěn)定的白層組織。

為了考察切削速度對(duì)變質(zhì)層生成厚度的影響，測(cè)量已加工表面的顯微硬度結(jié)果如圖7所示。雖然在低速加工中不一定產(chǎn)生白層，即使產(chǎn)生了白層，白層也不是連續(xù)的，但在已加工表面下的顯微硬度測(cè)量情況來(lái)看，在已加工表面下方還是具有一定的變質(zhì)層結(jié)構(gòu)的。在高切削速度加工時(shí)，隨著切削速度的增大，變質(zhì)層厚度逐漸增大，白層也比較連續(xù)。

5 進(jìn)給量對(duì)白層連續(xù)性及變質(zhì)層厚度的影響

考慮進(jìn)給量對(duì)白層形成影響時(shí)，固定切削速度為175.9m/min，切切削深度為0.15mm，刀具磨損為0.2mm，進(jìn)給量分別取0.08mm/r、0.1mm/r、0.12mm/r、0.15mm/r、0.2mm/r。觀測(cè)到的不同進(jìn)給量下Cr12MoV的金相組織如圖8所示。

在高切削速度加工過(guò)程中，進(jìn)給量對(duì)白層厚度的影響規(guī)律不是很明顯，但是當(dāng)。f=0.1mm/r時(shí)，產(chǎn)生的白層較為連續(xù)，而且白層厚度也比較均勻。

為了探究進(jìn)給量對(duì)變質(zhì)層厚度的影響，測(cè)量的顯微硬度分布如圖9所示。研究結(jié)果顯示隨著進(jìn)給量的增大，變質(zhì)層的厚度逐漸增加，雖然進(jìn)給量對(duì)白層連續(xù)性的影響總體趨勢(shì)不是很明顯。但是在進(jìn)給量在0.12mm和0.15mm之間變化的時(shí)候，雖然進(jìn)給量變化很小，但是變質(zhì)層厚度的變化很明顯。

6 切切削深度對(duì)變質(zhì)層厚度及硬度的影響

在考慮切深對(duì)白層形成影響的時(shí)候，固定切削速度為175.9m/min，進(jìn)給量為0.15mm/r，刀具磨損為0.2mm，切深分別為0.02mm，0.05mm，0.1mm，0.15mm，0.2mm。觀測(cè)到的不同切深下Cr12MoV的金相組織結(jié)構(gòu)如圖10所示。

從圖中可以看出隨著切深的增加，已加工表面所產(chǎn)生的白層比較連續(xù)。從觀測(cè)試件來(lái)看，切深為0.1mm時(shí)白層的厚度比較均勻，連續(xù)性也最好。同樣采用“五點(diǎn)法”測(cè)量不同切深下已加工表面的顯微硬度如圖11所示。研究結(jié)果顯示隨著切深的增加，白層的連續(xù)性區(qū)域平穩(wěn)，變質(zhì)層的厚度也逐漸增加，但是當(dāng)切深超過(guò)0.05mm時(shí)，變質(zhì)層厚度的增幅減小。

7 結(jié)論

本文對(duì)PCBN刀具硬態(tài)切削高強(qiáng)度鋼Cr12MoV已加工表面變質(zhì)層展開(kāi)了研究，重點(diǎn)關(guān)注了變質(zhì)層生成厚度及白層連續(xù)性，通過(guò)測(cè)量已加工表面顯微硬度間接得到了切削條件對(duì)變質(zhì)層生成的影響規(guī)律。在本研究選取的切削條件下，刀具磨損量越大，變質(zhì)層厚度越大，但由于切削條件的惡化使得白層連續(xù)性變差；在低切削速度加工時(shí)，已加工表面較難產(chǎn)生連續(xù)白層；在高切削速度加工時(shí)，隨著速度的增大，變質(zhì)層厚度逐漸增大，變質(zhì)層中白層也比較連續(xù)；隨著進(jìn)給量的增大，變質(zhì)層厚度逐漸增加，但是進(jìn)給量在0.12mm和0.15mm之間變化時(shí)，進(jìn)給量變化很小，變質(zhì)層生成厚度的變化較為明顯，且進(jìn)給量對(duì)白層連續(xù)性的影響不明顯；隨著切切削深度的增大，白層的生成趨于更為連續(xù)，且變質(zhì)層的厚度也逐漸增加。本文研究結(jié)果為已加工表面質(zhì)量的控制及切削條件的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

（編輯：溫澤宇）