彈簧式快速落刀研究硬態(tài)42CrMo鋸齒形切屑

慶振華　左敦穩(wěn)　楊海東　雷小寶　徐　鋒

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016　　2.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，2300093.安徽大學(xué)，合肥，230601

彈簧式快速落刀研究硬態(tài)42CrMo鋸齒形切屑

慶振華1,2左敦穩(wěn)1楊海東2雷小寶3徐鋒1

1.南京航空航天大學(xué)，南京，2100162.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，2300093.安徽大學(xué)，合肥，230601

摘要：試驗(yàn)研究了硬態(tài)切削42CrMo(52HRC)中碳高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼鋸齒形切屑形成過程。采用高速相機(jī)記錄彈簧式快速落刀裝置刀桿運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算落刀速度、加速度，定量分析該裝置性能；在車床上直角自由切削盤狀試樣，以不同參數(shù)進(jìn)行快速落刀試驗(yàn)，將獲得的切屑根部制作成金相標(biāo)本；考察“凍結(jié)”的切削區(qū)，著重考察剪切帶上裂紋源、裂紋擴(kuò)展以及絕熱剪切帶，分析鋸齒形切屑形成過程。結(jié)果表明：裂紋源產(chǎn)生于自由表面，在切屑形成過程中向材料內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致切屑分離的最終因素是裂紋擴(kuò)展；硬態(tài)切削42CrMo切屑形成過程可劃分為4個(gè)階段。

關(guān)鍵詞：中碳高強(qiáng)度鋼；快速落刀裝置；硬態(tài)切削；鋸齒形切屑

0引言

使用整體淬硬或表面硬化處理的高強(qiáng)度鋼制造機(jī)械零件，通常能在接近材料力學(xué)極限的條件下工作，充分發(fā)揮其性能[1]。隨著對(duì)機(jī)械零件性能要求的提高，各種高強(qiáng)、高硬鋼得到了廣泛應(yīng)用，“以切代磨”的硬態(tài)切削技術(shù)得到很大的發(fā)展，越來越多地替代磨削作為零件的最終加工工序。

42CrMo(AISI 4140)是中碳高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼，兼具高強(qiáng)度、高硬度，塑性、韌性也很強(qiáng)[2]，常用作機(jī)械零件結(jié)構(gòu)件的材料。對(duì)其進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)，用于強(qiáng)度要求不高而綜合力學(xué)性能要求高的場(chǎng)合，如連桿、螺栓、傳動(dòng)軸；對(duì)其進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)，并對(duì)局部表面進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火+低溫回火，用于要求良好的綜合性能以及(局部)表面有較高耐磨性的場(chǎng)合，如軸、花鍵、齒輪；對(duì)其進(jìn)行整體淬火+低溫回火，用于強(qiáng)度要求較高場(chǎng)合，如對(duì)鑿巖機(jī)活塞進(jìn)行這樣處理，壽命比調(diào)質(zhì)處理顯著提高[3]。42CrMo淬火+低溫回火處理的主要組織為回火馬氏體，硬度50～65HRC。

切削鈦合金、高溫合金、淬火鋼等難加工材料時(shí)，在切削速度較低的情況下會(huì)產(chǎn)生鋸齒形切屑。經(jīng)典的“剪切-滑移”理論不能解釋鋸齒形切屑形成過程中剪切區(qū)材料變形及切屑形成機(jī)理。針對(duì)鋸齒形切屑形成機(jī)理的研究已開展多年，目前尚有爭(zhēng)論，主要流行兩大理論體系，即絕熱剪切理論與周期脆性斷裂理論[4]。國(guó)內(nèi)研究鋸齒形切屑形成機(jī)理的對(duì)象主要集中于鎳基合金、鋁合金、鈦合金等材料[5]；鋼鐵材料的硬態(tài)切削研究主要是高碳含量GCr15(AISI 52100)及部分模具鋼。蘇國(guó)勝[6]總結(jié)了鎳基合金、鋁合金、鈦合金、工/模具鋼等產(chǎn)生鋸齒形切屑的臨界切削速度。段春爭(zhēng)[7]認(rèn)為，若切削速度足夠大，任何金屬材料都會(huì)形成鋸齒形切屑。國(guó)外研究硬度45～65HRC的中碳結(jié)構(gòu)鋼的切削機(jī)理主要針對(duì)AISI 4340(40CrNiMo)超高強(qiáng)度鋼[8]。

硬態(tài)切削是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究很有意義的課題，是近年來金屬切削研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。本文研究硬態(tài)切削鋸齒形切屑形成機(jī)理：通過高速攝像技術(shù)研究彈簧式快速落刀裝置(quick stop device, QSD)性能，該裝置可替代爆炸式快速落刀裝置；在車床上直角自由切削盤狀試樣，以不同參數(shù)進(jìn)行快速落刀試驗(yàn)，將獲得的切屑根部試樣制成金相標(biāo)本，觀察其細(xì)節(jié)信息，研究快速落刀瞬間“凍結(jié)”的切屑根部狀態(tài)，探索硬態(tài)切削42CrMo鋼的切屑形成機(jī)理。

1彈簧式快速落刀裝置性能研究

快速落刀裝置初始速度尤其是初始加速度是衡量其獲得切屑根部試樣真實(shí)性、有效性極其重要的參數(shù)。采用爆炸式快速落刀裝置最主要的目的是提高落刀速度、加速度，其車削落刀初始加速度約為108mm/s2[9]，但巨大的爆炸聲引起操作者緊張，影響操作；強(qiáng)烈的爆炸沖擊機(jī)床結(jié)構(gòu)，影響機(jī)床精度；爆炸對(duì)切削過程的沖擊大，影響切屑根部試樣獲取的有效性；爆炸式快速落刀裝置由于使用火藥，還具有危險(xiǎn)性。

圖1　彈簧式車削快速落刀裝置及試樣的安裝

圖1所示為合肥工業(yè)大學(xué)研制的車削彈簧式快速落刀裝置，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，安全性好，可靠性高，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間短，且可以反復(fù)使用，在其使用速度范圍內(nèi)，落刀成功率95%以上，可有效地節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)材料[10]。它由套管1、壓桿2、彈簧3(內(nèi)置于套管中)、壓桿終止孔4、刀桿5、刀桿轉(zhuǎn)軸6、刀夾7、轉(zhuǎn)動(dòng)銷8、刀架9、安裝螺栓10等組成。將快速落刀裝置安裝在車床橫向溜板上，落刀試驗(yàn)時(shí)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)銷8，在彈簧3作用下，刀頭繞刀桿轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)刀具與切削區(qū)的迅速分離。

本文先定量分析該彈簧式快速落刀裝置的落刀速度、加速度。采用奧林巴斯i-SPEED3高速相機(jī)，以每秒4000幀的速度記錄未安裝刀頭的刀桿快速落刀運(yùn)動(dòng)過程，將刀桿頭部最初三個(gè)位置疊加，得到圖2所示的運(yùn)動(dòng)軌跡。

將刀桿頭部的三個(gè)位置1、2、3的運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)化為垂直下落的直線運(yùn)動(dòng)(圖2b)，估算出快速落刀開始的1/4000 s內(nèi)，刀桿頭部尖端點(diǎn)下落速度約為624 m/min。

將刀桿運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)化為頭部尖端點(diǎn)的垂直下落運(yùn)動(dòng)，計(jì)算速度、加速度；按照刀桿繞轉(zhuǎn)軸做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軌跡，計(jì)算尖端點(diǎn)的角速度、角加速度，再換算成線速度、線加速度，結(jié)果見表1。

表1　刀桿尖端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果

由表1可看出，采用兩種方法計(jì)算出的落刀速度相差不大，可認(rèn)為將刀桿頭部尖端處運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)計(jì)算落刀速度是可行的；按定軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)際軌跡計(jì)算得到的落刀加速度值更為準(zhǔn)確。計(jì)算結(jié)果表明：試驗(yàn)所用的彈簧式快速落刀裝置初始速度、加速度很大，落刀響應(yīng)快，可以替代爆炸式快速落刀裝置。

試驗(yàn)過程中，將刀頭焊在刀桿上，刀尖到刀桿回轉(zhuǎn)中心的距離增大，可進(jìn)一步增大試驗(yàn)時(shí)快速落刀的速度、加速度。

2試樣制備

淬火后的金屬硬且脆，為了保持其高強(qiáng)度的同時(shí)兼具高韌性，還需低溫回火處理?；鼗瘃R氏體既能保持鋼的高硬度、高強(qiáng)度和優(yōu)良的耐磨性能，又能適當(dāng)?shù)靥岣咪摰捻g性，同時(shí)還能減小工件變形傾向。低溫回火過程中，淬火馬氏體分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，淬火內(nèi)應(yīng)力得到部分消除，淬火產(chǎn)生的大部分微細(xì)裂紋也能在低溫回火過程中愈合，因此低溫回火對(duì)材料的硬度影響很小，卻能明顯提高韌性。凡是由高碳的中、低合金鋼制造的工具、模具、量具和滾珠軸承都需要淬火+低溫回火。在研究硬態(tài)切削時(shí)，應(yīng)該充分注意考察材料淬火+低溫回火后所能達(dá)到的硬度及其金相組織形態(tài)。

為保證淬透，將西寧特鋼生產(chǎn)的φ200 mm 42CrMo棒料鋸成厚20 mm的圓盤狀毛坯。熱處理工藝為：850～860 ℃保溫1 h后油淬，205 ℃保溫2 h回火，空冷。最終金相組織如圖3所示，為典型的回火中碳馬氏體。

圖3　試樣的中碳回火馬氏體組織

結(jié)合文獻(xiàn)[11]進(jìn)行分析：金相組織腐蝕的深淺程度不同，其原因是組織中馬氏體晶面的位相各異，導(dǎo)致其耐腐蝕程度不一樣。試樣金相組織中殘留奧氏體的含量很少，圖3中仍可分辨出馬氏體板條束和馬氏體針，針狀馬氏體或隱針馬氏體組織區(qū)域的碳含量高，板條馬氏體或隱晶馬氏體組織區(qū)域的碳含量較低。

如圖4所示，在熱處理后的圓盤中心用電火花線切割加工出直徑80 mm的圓孔，以便裝夾；以很小的切削用量將盤狀試樣表面熱處理氧化層去除，試樣最終加工到圖4所示尺寸。在進(jìn)行快速落刀試驗(yàn)時(shí)，盤狀試樣通過心軸、法蘭安裝在CA6140車床上，車床的后頂尖頂住安裝法蘭盤。

圖4　盤狀試件的尺寸

對(duì)于以不同的切削速度開展直角自由切削淬硬鋼試驗(yàn)，在車床上使用盤狀試樣進(jìn)行試驗(yàn)比較合適。如圖5所示，直線切削刃與切削方向、進(jìn)給方向相互垂直。切削過程中刀具主切削刃與工件中心線定位于水平位置，且與工件回轉(zhuǎn)軸相垂直。盤厚即切削寬度aw，隨著切削過程的進(jìn)行，圓盤直徑越來越小，切削速度也減小，然而整個(gè)切屑斷面(切削區(qū))的速度保持一致?？焖俾涞哆^程極其短暫，由于圓盤外徑減小造成切削速度的變化是次要的。

圖5　盤形工件直角自由切削(車削)

3鋸齒形切屑形成過程研究

3.1試驗(yàn)結(jié)果

切削寬度aw=3mm，切削厚度ac為0.1、0.3mm，切削寬度aw比切削厚度ac大很多，故可以忽略材料兩端變形對(duì)切削區(qū)的影響。在CA6140車床進(jìn)行切削試驗(yàn)，直角自由切削試驗(yàn)方式對(duì)刀具的沖擊較大，因此選用抗沖擊的住友BN100牌號(hào)的PCBN刀片?？焖俾涞对囼?yàn)切削路程短，刀具磨損量小，可忽略刀具磨損量的影響。刀片如圖6所示，圖6b的陰影部分為PCBN復(fù)合片燒結(jié)的組織。將刀片焊接在刀桿上，用長(zhǎng)11 mm的邊作橫刃切削，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

(a)俯視圖(b)側(cè)視圖圖6　試驗(yàn)所用刀片的形狀

由于只能“凍結(jié)”快速落刀瞬間的狀態(tài)，所以必須在同一切削速度參數(shù)下進(jìn)行多次試驗(yàn)，記錄切削過程。由于硬態(tài)切削42CrMo過程中材料的響應(yīng)特性未知，故快速落刀試驗(yàn)最高切削速度取200 m/min，以便反映硬態(tài)切削的特征。

表2列出了3個(gè)切削速度條件下的4個(gè)結(jié)果，切削厚度ac(mm)即車床Y軸進(jìn)給量f(mm/r)。試驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)車床主軸轉(zhuǎn)速，變換切削速度。

表2　試驗(yàn)內(nèi)容及試樣記錄

圖7所示為快速落刀獲得的切屑根部，用電火花線切割將其割下，熱壓鑲嵌，制成圖8所示的金相標(biāo)本并磨制、拋光。為避免切屑邊緣處切削時(shí)塑性流動(dòng)產(chǎn)生的誤差，磨去0.5 mm以上的余量，獲得切削區(qū)截面中部。用含4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸的酒精溶液腐蝕試樣表面，酒精清洗，用熱風(fēng)機(jī)吹干。

圖7　　　試驗(yàn)獲得的圖8　　　切屑根部的　　　切屑根部　　　金相標(biāo)本

觀察切屑根部試樣金相是研究切屑形成過程有效的試驗(yàn)手段。落刀瞬間與切屑形成狀態(tài)需“匹配”，即在同一切削參數(shù)下進(jìn)行的多次落刀試驗(yàn)，未必能捕捉到切屑形成不同階段。需判斷落刀時(shí)刻“凍結(jié)”狀態(tài)究竟是具有普遍意義的特征，還是只是在快速落刀停止切削瞬時(shí)所特有的特征。

按表2的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，這幾個(gè)標(biāo)本的切屑都具有明顯的鋸齒形特征，且處于切屑形成的不同階段，因此使用它們定性分析鋸齒形切屑產(chǎn)生過程是可行的。參考切削鈦合金鋸齒形切屑劃分成三個(gè)階段的模型[12-13]，將硬態(tài)切削42CrMo高強(qiáng)度鋼鋸齒形切屑形成過程劃分為四個(gè)階段。

3.2鋸齒形切屑形成過程分析

圖9所示為按鋸齒形切屑形成順序排列的硬態(tài)切削42CrMo鋼切屑形成過程，考慮切屑形成各個(gè)階段的完整性，下面討論的某些特征還需參考圖10、圖11。

(a)la3試樣(b)la5試樣

(c)la1試樣(d)la7試樣圖9　42CrMo硬態(tài)切削鋸齒形切屑形成過程

(1)4個(gè)試驗(yàn)條件下獲得的切屑都呈現(xiàn)出明顯的鋸齒形特征，切屑的“鋸齒”之間存在難以腐蝕的白色亮帶，切屑底部白亮層也非常明顯。

(2)鋸齒形切屑節(jié)段的斷面近似呈梯形，底面上短下長(zhǎng)，兩腰不等，與前刀面作用的切屑底面的腰較長(zhǎng)。切屑向待加工表面彎曲，自由面處的底角約為π/4，切屑節(jié)段底面位置的底角非常尖銳。具有白亮帶特征的是經(jīng)歷二次淬火高溫過程留下的痕跡，表現(xiàn)為明顯的白亮層。

(3)圖9b試樣的切削厚度ac=0.3 mm，比圖9c試樣的切削厚度0.1 mm大，而兩者切削速度相近。根據(jù)切削層變形系數(shù)與切削厚度關(guān)系：“切削厚度越大，正應(yīng)力隨之增大，變形系數(shù)ξ減小[14]”，當(dāng)切削厚度由小變大時(shí)，切屑由帶狀轉(zhuǎn)變成擠裂狀，此時(shí)切削層厚度增大，切屑在厚度和長(zhǎng)度方向的變形程度減小。因此，圖9b試樣正在形成的切屑節(jié)段呈梯形形狀剪切，其切削厚度大、變形系數(shù)??；圖9c試樣正在形成的切屑節(jié)段表現(xiàn)為類似帶狀切屑的形態(tài)，其切削厚度小、變形系數(shù)大。如果圖9c試樣的切削過程沒有被凍結(jié)，則該切屑節(jié)段的材料變形行為不中斷，根據(jù)其已形成的切屑節(jié)段形狀判斷，正在形成的切屑節(jié)段也會(huì)呈梯形。

(4)考察鋸齒形切屑形成過程中剪切帶上的裂紋，尤其是裂紋源擴(kuò)展情況，對(duì)劃分切屑形成階段具有重要意義。圖9b試樣剪切帶內(nèi)部有多條裂紋，在剪切帶與工件自由表面結(jié)合處產(chǎn)生裂紋源；圖9c試樣剪切帶內(nèi)部多條裂紋聚積、融合，剪切帶與工件自由表面結(jié)合處裂紋源擴(kuò)展程度更大。因此，圖9c階段是圖9b階段繼續(xù)發(fā)展的結(jié)果。

(a)金相照片(b)掃描電鏡照片圖10　鋸齒形切屑發(fā)展階段的裂紋擴(kuò)展形式

(a)切削區(qū)剪切帶形態(tài)

(b)切削區(qū)顯微硬度測(cè)試結(jié)果(HV0.05)圖11　鋸齒形切屑基本形成階段的剪切帶及裂紋

(5)鋸齒形切屑形成過程如圖9所示：①新的切屑節(jié)段形成初始階段(圖9a)。刀具對(duì)工件作用，使得待加工表面輕微隆起，而且該隆起僅見于待加工表面與刀具接觸的部分，此處是形成新的切屑節(jié)段的位置，剪切區(qū)尚未發(fā)生大規(guī)模的剪切滑移。②鋸齒形切屑發(fā)展階段(圖9b)。在待加工表面即將形成切屑的切屑自由表面斷裂處已經(jīng)可以觀察到裂紋源區(qū)(圖10)，第一變形區(qū)與自由表面相交位置剪切帶顏色發(fā)白，具有絕熱剪切帶特征，第一變形區(qū)的剪切帶上也可觀察到多條裂紋，隨著切削過程的繼續(xù)，裂紋將擴(kuò)展、聚集、融合，最終導(dǎo)致切屑節(jié)段的分離。③切屑節(jié)段基本形成階段(圖9c)。此時(shí)前刀面的剪切區(qū)受到極大的應(yīng)力作用，發(fā)生劇烈的應(yīng)變，材料在切削熱的作用下產(chǎn)生軟化效應(yīng)。上一階段形成的多條裂紋在該階段發(fā)生聚集、融合，此時(shí)切削過程突然中斷，導(dǎo)致剪切區(qū)材料在前刀面發(fā)生堆積效應(yīng)，使得剪切帶變寬(圖11)。④鋸齒形切屑節(jié)段完全形成階段(圖9d)。一個(gè)完整的鋸齒切屑節(jié)段已經(jīng)形成，剪切裂紋與白色的絕熱剪切帶都非常明顯。已形成的鋸齒形切屑節(jié)段與材料基體的白色絕熱剪切帶之間存在裂紋擴(kuò)展，切屑的自由表面已經(jīng)分離，切屑的底面與前刀面接觸位置仍然與基體相連，在待加工表面未見到基體隆起。

3.3鋸齒形切屑發(fā)展階段的裂紋源

將圖9b白色方框局部放大，得到圖10所示鋸齒形切屑發(fā)展階段裂紋源區(qū)。切屑與工件自由表面相交位置存在裂紋源，自由表面上發(fā)生的裂紋延續(xù)到剪切平面的大約一半位置，在剪切帶上還有兩條裂紋發(fā)生于剪切帶內(nèi)，并未與自由表面擴(kuò)展下來的裂紋聚集，雖然此時(shí)切屑尚未從基體上分離，但是由于多條裂紋的存在，該剪切帶已被弱化。

如果切削過程繼續(xù)進(jìn)行，則在刀具前刀面作用下，壓縮剪切帶中的裂紋沿著剪切直線向刀尖延伸；在刀尖附近，裂紋隨著剪切帶發(fā)生彎曲，隨著切削過程的進(jìn)行，壓縮剪切帶的彎曲程度越來越厲害。工件第一變形區(qū)材料受到的應(yīng)力狀態(tài)變得很復(fù)雜，在力-熱綜合作用下，第一變形區(qū)的剪切面上發(fā)生塑性變形。形成剪切帶是材料發(fā)生變形損傷的一種重要的方式，并且為材料最終斷裂破壞提供了一個(gè)“捷徑”。材料承載能力的突然下降取決于剪切帶內(nèi)裂紋的萌生和聚集效應(yīng)。最終的結(jié)果是材料的裂紋擴(kuò)展、聚集、融合導(dǎo)致材料斷裂失效，形成鋸齒形切屑。

3.4鋸齒形切屑基本形成階段裂紋源的擴(kuò)展

將圖9c白色方框局部放大，如圖11所示，在切屑節(jié)段正在形成的過程中快速落刀，得到的切屑根部記錄了剪切帶材料復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為。剪切帶內(nèi)裂紋的萌生、生長(zhǎng)及聚合是致使材料承載能力突然下降以及最終斷裂的主要決定因素，局部化的變形將進(jìn)一步加速剪切帶內(nèi)裂紋的萌生與擴(kuò)展過程，材料在此過程中沒有發(fā)生斷裂形成獨(dú)立的切屑節(jié)段。

為研究切削區(qū)材料的動(dòng)態(tài)行為，通常將工件側(cè)面拋光，劃出細(xì)小的格子線，通過觀察切削過程中這些格子線的扭曲形式，從而獲得工件受刀具作用區(qū)域的范圍以及金屬流動(dòng)方向的信息。本文用基體的金相組織代替格子線，獲得可靠性更高、更微觀的第二變形區(qū)的材料變形圖像，進(jìn)而分析切削變形區(qū)各點(diǎn)的材料流動(dòng)狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)。試樣微觀金相組織較為一致均勻，而且基體組織為明顯的中碳馬氏體組織，在切削變形過程中馬氏體組織的變化記錄了材料的變形、流動(dòng)特征，材料的二次淬火、回火記錄了溫度的變化過程。

根據(jù)材料白色針狀馬氏體組織發(fā)生了塑性流動(dòng)的情況，可以觀察到在第二變形區(qū)剪切帶上材料具有流動(dòng)的特征，并且形成了1、2兩處剪切帶。

通過顯微硬度測(cè)試結(jié)果判斷剪切帶1、2上材料是否發(fā)生了強(qiáng)化。顯微硬度測(cè)試在0.05 kg·f(4.9 N)力作用下保持10 s，結(jié)果如圖11b所示，箭頭所指為顯微壓痕。工件材料的原始硬度在599HV0.05左右。圖11a剪切帶1、2位置對(duì)應(yīng)的顯微硬度測(cè)試值如圖11b所示：剪切帶1在裂紋源附近測(cè)試點(diǎn)顯微硬度為729HV0.05，剪切帶2從切屑自由表面向刀尖方向?qū)?yīng)的幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)顯微硬度依次為674HV0.05、759HV0.05(壓痕被遮擋)、999HV0.05、909HV0.05和729HV0.05。這些位置的顯微硬度值遠(yuǎn)超基體的顯微硬度，材料被強(qiáng)化，如切削過程繼續(xù)，剪切帶1、2將發(fā)展成絕熱剪切帶。

剪切帶1、2在自由面處都有裂紋源，剪切帶1發(fā)生嚴(yán)重的彎曲，在刀尖附近與剪切帶2匯合；剪切帶2的裂紋源與主剪切帶幾乎在同一直線上。絕熱剪切帶上的裂紋源局部化過程雖然短暫，但仍經(jīng)歷發(fā)生和擴(kuò)展的過程[15]。與剪切帶2在同一條直線上的裂紋源擴(kuò)展的進(jìn)程比剪切帶1同一直線上的裂紋源快，尺寸也明顯更長(zhǎng)，如果切削進(jìn)程繼續(xù)，則切屑將沿著剪切帶2及與其在同一直線上的裂紋分離。而剪切帶1經(jīng)過彎曲，在刀尖附近第二變形區(qū)與剪切帶2會(huì)合，最終將要形成的切屑節(jié)段沿剪切帶2對(duì)應(yīng)的裂紋源分離。鋸齒形切屑的裂紋源起始于自由表面，切屑形成過程中向材料內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致切屑分離的因素是裂紋的擴(kuò)展。

3.5硬態(tài)切削高強(qiáng)度鋼鋸齒形切屑形成過程

上文通過彈簧式快速落刀裝置取得不同切削速度下硬態(tài)切削的切屑根部試樣，將快速落刀試驗(yàn)獲得的切屑根部制成金相標(biāo)本，研究刀具撤離瞬時(shí)“凍結(jié)”的切削區(qū)的狀態(tài)，分析切屑形成過程。

提取圖9所示鋸齒形切屑的切屑形貌、剪切角、白亮帶、裂紋等特征，研究切屑形成過程的重要信息，并對(duì)其變化過程進(jìn)行描繪，如圖12所示。結(jié)合前文論述，硬態(tài)切削42CrMo鋸齒形切屑形成過程可劃分為4個(gè)階段：鋸齒形切屑形成的初始階段、發(fā)展階段、切屑節(jié)段基本形成階段以及鋸齒形切屑完全形成階段。

(a)切屑節(jié)段形成初始階段(b)切屑發(fā)展階段

(c)切屑節(jié)段基本形成階段(d)切屑節(jié)段完全形成階段圖12　硬態(tài)切削42CrMo鋸齒形切屑形成的4個(gè)階段

4結(jié)論

本文使用快速落刀裝置，試驗(yàn)研究硬態(tài)切削淬火+低溫回火42CrMo(52HRC)中碳高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼的鋸齒形切屑形成過程，主要結(jié)論如下：

(1)通過高速攝像技術(shù)獲得彈簧式快速落刀裝置落刀過程中刀桿運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算出該裝置在觸發(fā)后的1/4000 s內(nèi)初始落刀速度不小于624 m/min、加速度不小于1.92×108mm/s2，定量證明了使用彈簧式快速落刀裝置進(jìn)行切屑根部采樣的可靠性，該裝置可以替代爆炸式快速落刀裝置。

(2)通過研究快速落刀瞬時(shí)切削過程“凍結(jié)”的狀態(tài)，將鋸齒形切屑形成過程劃分為4個(gè)階段，能客觀地描述硬態(tài)切削高強(qiáng)度42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼鋸齒形切屑形成過程。

(3)研究鋸齒狀切屑發(fā)展階段、切屑節(jié)段基本形成階段切削區(qū)的材料行為及剪切帶的強(qiáng)化，尤其是裂紋源及其擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)裂紋源起始于自由表面，切屑形成過程中向材料內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致切屑分離的因素是裂紋擴(kuò)展作用。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Research on Hardened 42CrMo Saw-tooth Chip by Trial with Spring Type Quick-stop Device

Qing Zhenhua1Zuo Dunwen1Yang Haidong2Lei Xiaobao3Xu Feng1

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016 2.Hefei University of Technology,Hefei,230009 3.Anhui University，Hefei，230601

Abstract:Saw-tooth chip formation process was trial researched herein, on hard cutting of medium-carbon alloy structure 42CrMo(52HRC) high strength steel. Tool rod motion trajectory of QSD was recorded by a high-speed camera, the QSD’s performance was quantitatively analyzed by calculating the velocity and acceleration. Orthogonal cutting QSD trial of disc sample was carried on lathe by cutting with different parameters, chip roots received were made into metallographic specimen; crack initiation, crack propagation and the adiabatic shear band at the stage of saw-tooth chip forming period were studied, saw-tooth chip forming process was also analyzed by observing the “breezed” cutting area. The results show that: crack initiation can be observed at the free surface, crack propagation expandes to cutting zone and eventually leads to the chip separation; the saw-tooth chip formation process of hard cutting high strength steel 42CrMo can be divided into four stages.

Key words:medium-carbon high strength steel; quick-stop device(QSD); hard cutting; saw-tooth chip

收稿日期：2015-09-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005117，51575269)

中圖分類號(hào)：TG501

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.005

作者簡(jiǎn)介：慶振華，男，1982年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教師。主要研究方向?yàn)榍邢骷夹g(shù)。左敦穩(wěn)，男，1962年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。楊海東，男，1970年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院副教授。雷小寶，男，1979年生。安徽大學(xué)機(jī)械工程系講師、博士。徐鋒，男，1976年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。