切削參數(shù)對車削高強(qiáng)度鋼切屑形態(tài)的影響分析

邵雍博，金成哲，卜慶旭

沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

高強(qiáng)度鋼具有較高的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，在建筑、車輛、橋梁等行業(yè)應(yīng)用廣泛。與普通強(qiáng)度鋼相比，擁有更強(qiáng)的持力性能，僅需較小的截面即可滿足承載力要求，可減少工件質(zhì)量和成本[1，2]。

高強(qiáng)度鋼斷屑較為困難，易纏繞在工件和刀具上，影響切削的順利進(jìn)行。何珩寧[3]從高強(qiáng)度鋼的切削加工性能特點出發(fā)，探討了刀具的材料、角度和切削用量等切削參數(shù)的選擇，從而解決了斷屑問題。金成哲等[4，5]通過運(yùn)用AdvantEdge有限元仿真軟件，在加工中心上對34CrNi3MoV高強(qiáng)度鋼進(jìn)行鉆削試驗，得到不同切削條件下的切屑幾何參數(shù)及切屑形態(tài)。徐少紅[6]在高強(qiáng)度鋼的鉆削試驗中發(fā)現(xiàn)，為提高剛度，應(yīng)適當(dāng)增加鉆心厚度，減小懸伸量和螺旋角；選用硬質(zhì)合金鉆頭時，可加大頂角，以改善排屑性能。慶振華[7]對高強(qiáng)度鋼的硬態(tài)切削機(jī)理進(jìn)行了研究，并分析了切屑形成要素，對切屑形成過程進(jìn)行了細(xì)致研究。段春爭等[8]通過高強(qiáng)度鋼正交切削試驗對剪切變形局部化的臨界切削速度進(jìn)行了理論預(yù)測與試驗驗證，并研究了切屑絕熱剪切帶的分布規(guī)律、形成與發(fā)展以及微結(jié)構(gòu)特征。

李珍燦[9]采用硬質(zhì)合金槽型刀具對40CrNi2Si2MoVA鋼進(jìn)行了6種切削速度的斷屑試驗，研究了切削參數(shù)對切屑折斷的影響規(guī)律，建立了切削速度與斷屑點數(shù)、極限進(jìn)給量、極限切削深度之間的數(shù)學(xué)模型，并對不同切削參數(shù)對切屑宏觀和微觀形態(tài)的影響進(jìn)行分析，總結(jié)了影響切屑折斷的因素及控制方法。Matsumoto Wataru等[10]基于切屑變形理論，通過有限元分析方法用正交切削模擬了切屑的變形過程，對切削狀態(tài)中的應(yīng)變率、應(yīng)力、溫度和切屑變形等進(jìn)行了分析。嚴(yán)魯濤等[11]使用傳統(tǒng)切削、干式切削及微量潤滑三種方式銑削高強(qiáng)度鋼(PCrNi3Mo)并對比切削性能，探討了微量潤滑技術(shù)對刀具磨損及切屑形貌的影響。本文通過改變切削參數(shù)研究粗車時高強(qiáng)度鋼的切屑形態(tài)變化。

2 車削高強(qiáng)度鋼切屑形態(tài)試驗

2.1 試驗條件

試驗選用CA6140機(jī)床，測量設(shè)備為平板測力儀。工件選擇材料為34CrNi3MoVA合金鋼棒料。刀具選擇具有較高的硬度和熔點的硬質(zhì)合金涂層刀具。刀片牌號為CNMG160612-DR、CNMG160612-通槽和CNMG160612-HM，均為帶孔負(fù)角刀片。

工件直徑170mm，長度70mm。被加工材料為34CrNi3MoVA，其物理性能參數(shù)和刀片角度分別見表1和表2。刀片的角度以及實物見圖1。選取的刀桿牌號為MCLNR2525M16。

表1 34CrNi3MoVA物理性能

表2 刀具幾何參數(shù)

圖1 粗車高強(qiáng)度鋼試驗選取的刀片

選擇切削速度v=21.2～42.4m/min，進(jìn)給量f=0.2～0.61mm/z，切削深度ap=2～6mm。幾種水平變量的選擇主要根據(jù)機(jī)床本身的加工參數(shù)。試驗選取水平見表3，選定的試驗因素及水平見表4。

表3 車削高強(qiáng)度鋼正交試驗水平表

表4 車削高強(qiáng)度鋼正交試驗表

2.2 車削加工試驗的設(shè)計

將平板測力儀通過螺栓固定在車床上，設(shè)計制造一個刀架和過渡板，使加工能夠順利進(jìn)行。加工時刀架裝夾刀具，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將過渡板、平板測力儀以及刀架牢牢固定在一起。在車削加工過程中，刀架下方緊密連接平板測力儀，通過平板測力儀感知車刀的受力情況，將壓力變化轉(zhuǎn)換成弱電荷信號，通過電纜將電荷信號傳送到電荷放大器中，經(jīng)過電荷放大器輸入到A/D數(shù)據(jù)采集卡。加工試驗系統(tǒng)和現(xiàn)場見圖2和圖3。

圖2 切削力采集工作系統(tǒng)

圖3 加工試驗現(xiàn)場

2.3 試驗結(jié)果

切屑的形狀主要可以分為螺旋狀、帶狀以及節(jié)狀切屑(見圖4)。

圖4 車削過程中不同參數(shù)下得到的不同形態(tài)切屑

通過金相試樣鑲嵌機(jī)將斷屑和鑲嵌粉燒結(jié)在一起，然后打磨拋光，得到金相試樣(見圖5)。

3 切屑形態(tài)結(jié)果分析

3.1 切削速度對切屑形態(tài)變化的影響

因為高強(qiáng)度鋼的粗車加工存在振動現(xiàn)象，導(dǎo)致切屑厚度、寬度以及長度產(chǎn)生一定偏差，從中選取典型的切屑進(jìn)行測量。如圖6和圖7所示，在切削速度vc=22.4m/min時生成帶狀切屑，此時切削速度較低，未產(chǎn)生絕熱剪切；當(dāng)切削速度vc=33.6m/min時，切屑表面的鋸齒形狀變得更加明顯；切削速度增大到42.7m/min時，切屑的鋸齒狀變得更加均勻，這是因為切削速度較小時受切削力等方面的影響，導(dǎo)致切屑鋸齒形狀的不均勻。綜上可知，切削速度對切屑形態(tài)的影響不大。

圖6 車削得到切屑的測量結(jié)果

圖7 切削試驗得到的切屑微觀形貌

3.2 進(jìn)給量對切屑形態(tài)變化的影響

進(jìn)給量對切屑形態(tài)的影響比較明顯。當(dāng)進(jìn)給量大于0.2mm/r時，切屑形態(tài)為鋸齒狀，且均未產(chǎn)生斷裂，都為帶狀切屑，得到的切屑效果并不理想。鋸齒化程度與進(jìn)給量成正比，當(dāng)進(jìn)給量為0.4mm/r時，鋸齒變得非常均勻穩(wěn)定，此時切屑厚度較大，切削工作主要由倒棱承擔(dān)，刀具刃前區(qū)的擠壓作用很大，導(dǎo)致溫度升高，絕熱剪切作用加強(qiáng)，切屑波動變大；當(dāng)進(jìn)給量為0.6mm/r時，切屑上的鋸齒變得更加明顯，對于切削深度較大進(jìn)給量較小的情況，容易產(chǎn)生振動從而影響切屑形態(tài)。綜上可知，選擇大進(jìn)給量對切屑的斷裂更有優(yōu)勢。

3.3 切削深度對切屑形態(tài)變化的影響

在切削深度為2mm時產(chǎn)生帶狀切屑，其內(nèi)表面呈現(xiàn)較小凸起，切屑的形成具有周期性，在切削深度較小時，切屑更容易產(chǎn)生帶狀切屑或者螺旋屑；隨著切削深度增加到4mm以及6mm時，加工過程中刀具和切屑的接觸面積變得很大，切屑開始斷裂，但依然存在某一組不發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，這是因為進(jìn)給量的選擇不同。

綜合分析可知，進(jìn)給量對切屑折斷的影響最大，切削深度次之，切屑速度的影響最小。在實際加工過程中應(yīng)注意選擇。

3.4 斷屑槽對于切削折斷的影響

用刀具前角分別為-5°，0°，5°這3種斷屑槽的槽型進(jìn)行試驗。在本次試驗中，切屑的折斷不僅與切削參數(shù)有密切聯(lián)系，根據(jù)試驗驗證可以看出斷屑槽的影響也很大。

對于A刀具，在切削參數(shù)vc=40r/min，ap=2mm，f=0.2mm/r時，切屑為略不規(guī)則的螺旋形；當(dāng)切削參數(shù)逐漸增大到vc=80r/min，ap=4mm，f=0.41mm/r以及vc=63r/min，ap=6mm，f=0.61mm/r時，得到具有良好形態(tài)的折斷切屑。

對于B刀具，在切削參數(shù)為vc=63r/min，ap=4mm，f=0.2mm/r以及vc=80r/min，ap=2mm，f=0.61mm/r時，為長帶狀切屑，在實際加工中容易造成安全事故；當(dāng)參數(shù)逐漸增大到vc=40r/min，ap=6mm，f=0.41mm/r時，得到具有良好形態(tài)的折斷切屑。

對于C刀具，在切削參數(shù)為vc=80r/min，ap=6mm，f=0.2mm/r時，切屑為不規(guī)則的帶狀切屑；當(dāng)切削參數(shù)逐漸增大到vc=63r/min，ap=2mm，f=0.41mm/r時，得到十分規(guī)則的螺旋形切屑；當(dāng)進(jìn)一步增大切削參數(shù)為vc=40r/min，ap=4mm，f=0.61mm/r時，得到具有良好形態(tài)的折斷切屑。

試驗結(jié)果表明，刀具A的斷屑效果較好，刀具B的效果次之，刀具C的效果最差。說明在切削過程中，選擇前角更大的刀具更加有利于斷屑。

4 結(jié)語

采取正交試驗方法，以切削參數(shù)為變量進(jìn)行高強(qiáng)度鋼的加工試驗。并將切屑形態(tài)制成金相，在顯微鏡下觀察切屑形貌，同時分析了切屑形態(tài)的影響因素。

(1)通過試驗結(jié)果可以看出，進(jìn)給量的變化對切屑形態(tài)影響最大，切削深度次之，切削速度的影響最小。

(2)刀具角度的選擇也會影響切屑形態(tài)，試驗發(fā)現(xiàn)，越大的切削前角越利于斷屑。