高壓射流對(duì)42CrMo鋼車削斷屑性能的實(shí)驗(yàn)研究

于振鵬,馬寶坤,李明輝,劉戰(zhàn)強(qiáng),劉安南,趙金富,王兵,蔡玉奎,宋清華

1中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南動(dòng)力有限公司;2山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

42CrMo鋼是一種具有較高強(qiáng)度和韌性以及良好淬透性和低溫沖擊韌性[1]的中低碳合金結(jié)構(gòu)鋼,調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限。在汽車行業(yè)常被用于制造高強(qiáng)度、斷面尺寸較大的重要零件,如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、汽車轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂、曲軸和前橋等[2]。

切屑的周期性斷裂有利于切削過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行,確保了自動(dòng)化加工系統(tǒng)中切屑的高效去除,從而實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)加工。帶狀、螺旋狀連續(xù)切屑會(huì)流向并劃傷已加工表面,降低表面加工質(zhì)量,增加廢品率。連續(xù)切屑在隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生纏繞,阻止切削液流向切削區(qū)域,造成切削溫度升高,同時(shí)操作者的安全存在隱患;嚴(yán)重的切屑纏繞會(huì)導(dǎo)致卡盤(pán)卡死,停機(jī)時(shí)間和切屑清理時(shí)間嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)的自動(dòng)化生產(chǎn),必須在加工過(guò)程中使切屑周期性斷裂。

1952年,Pigott R.J.S.等[3]開(kāi)啟了高壓射流冷卻的研究工作,后續(xù)由Sharma C.S.等[4]、Nagpal B.K.等[5]、Mazurkiewicz M.等[6]、Kovacevic R.等[7]、Kanminski J.等[8]繼續(xù)進(jìn)行研究。相比于切削液溢流冷卻,高壓流體能更有效地穿透切削區(qū)域,高效帶走切削區(qū)域的熱量,同時(shí)可將碎屑沖離切削位置,實(shí)現(xiàn)切屑的清理。在這種壓力下,冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)在刀具和工件之間形成一個(gè)液壓楔,改變切屑流動(dòng)和卷曲運(yùn)動(dòng)狀態(tài),減小刀—屑接觸面積,改善刀—屑邊界摩擦條件。

Nandy A.K.等[9]對(duì)Ti-6Al-4V合金進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn),研究對(duì)比切削液溢流冷卻和高壓射流冷卻在車削過(guò)程中的斷屑能力,并對(duì)切屑形狀、切削力、摩擦系數(shù)、刀—屑接觸長(zhǎng)度、刀具壽命和加工表面質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。高壓射流冷卻過(guò)程中采用純油和水溶性油兩種液體介質(zhì),在切削過(guò)程中產(chǎn)生卷曲程度更大、長(zhǎng)度更短的短螺旋切屑和C型碎屑,均優(yōu)于切削液溢流冷卻工況下產(chǎn)生的帶狀切屑,展現(xiàn)了更好的斷屑能力。此外,水溶性油具有較低的濃度和更優(yōu)的導(dǎo)熱性,相比純油可提供更大的動(dòng)量,在高壓射流過(guò)程中具有更好的斷屑能力,且至少將刀具壽命提高250%。為了探究高壓射流技術(shù)在雙相不銹鋼X2CrNiMo22-5車削過(guò)程中的斷屑性能,Braham-Bouchnak T.等[10]在切屑形態(tài)、切削力、工件表面加工質(zhì)量、刀具磨損、刀具壽命方面對(duì)高壓射流技術(shù)和切削液溢流冷卻進(jìn)行比較。在干式切削和切削液溢流冷卻的工況下,切屑不發(fā)生斷裂;高壓射流冷卻設(shè)置兩組壓力值,射流壓力為250bar時(shí),產(chǎn)生10mm的短螺旋切屑;射流壓力為300bar時(shí),產(chǎn)生5mm的C型切屑。在可實(shí)現(xiàn)切屑破碎的前提下,測(cè)定最小射流壓力和切削速度、切削深度和進(jìn)給量的可行范圍,對(duì)加工雙相不銹鋼材料具有指導(dǎo)意義。Dahlman P.等[11]針對(duì)脫碳鋼進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn),高壓射流技術(shù)可將長(zhǎng)螺旋切屑破碎成短螺旋切屑或碎屑,比干切削具有明顯優(yōu)勢(shì);隨著進(jìn)給速度的提高,高壓射流技術(shù)的斷屑優(yōu)勢(shì)被逐漸削弱。Courbon C.等[12]在車削718合金時(shí),采用高壓射流冷卻獲得了理想的斷屑效果,射流壓力的增加和射流功率的提高(在固定的壓力下增大噴嘴直徑)會(huì)顯著縮短切屑的尺寸。

吳明陽(yáng)等[13]研究了高壓冷卻工況下切屑折斷機(jī)理,采用PCBN刀具對(duì)高溫合金進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn),建立切屑卷曲半徑預(yù)測(cè)模型和切屑斷裂模型為

(1)

(2)

(3)

式中,RC為切屑卷曲半徑;a0為切屑厚度;vc3為切屑下表面流出速度;vc2為切屑上表面流出速度;fcr為切屑折斷極限進(jìn)給量;εB為切屑最大應(yīng)變;Ch為切屑厚度比;κγ為刀具主偏角;a和KR為橫截面形狀系數(shù);acp為切屑折斷極限背吃刀量。

相比于切削液溢流冷卻,高壓射流技術(shù)增大了切屑彎矩,有效減小切屑卷曲半徑,增大切屑彎曲應(yīng)力,使切屑材料更快達(dá)到應(yīng)力極限發(fā)生折斷,且切屑尺寸及切屑卷曲半徑隨射流壓力的增加而減小。Seid Ahmed Y.等[14]基于剪切平面理論建立的高壓射流冷卻加工時(shí)切屑上旋半徑的三維理論模型為

(4)

式中,tc為切屑厚度;εup為切屑上卷應(yīng)變;M為對(duì)切屑根部位置的彎矩;Fn3為高壓流體豎直方向分力;δ為螺旋角。

在AISI 304的車削實(shí)驗(yàn)中,高壓射流可提高絕熱剪切帶的出現(xiàn)頻率和金屬晶粒的伸長(zhǎng)率,加劇材料的塑性變形,切屑分節(jié)現(xiàn)象更明顯,切屑更容易折斷。探究42CrMo材料車削過(guò)程中采用高壓射流輔助斷屑的可行性以及射流壓力對(duì)斷屑性能的影響,通過(guò)觀測(cè)切屑宏觀尺寸、切屑卷曲半徑、刀—屑接觸長(zhǎng)度和切屑內(nèi)表面微觀形貌來(lái)評(píng)估切屑的卷曲、流動(dòng)和折斷狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖1為實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)。采用寶雞CK6560A數(shù)控機(jī)床進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn),冷卻潤(rùn)滑設(shè)備選用D30-200-1型高壓射流冷卻系統(tǒng),切削液采用DX-1型乳化液,配合SANDVIK單噴頭內(nèi)冷車刀桿實(shí)現(xiàn)前刀面位置的高壓射流冷卻。實(shí)驗(yàn)選擇固定的切削工藝參數(shù)組合:切削速度為150r/min,進(jìn)給速度為0.15mm/r,切削深度為0.5mm,單次切削長(zhǎng)度為60mm;高壓射流設(shè)備設(shè)置四組壓力20bar,40bar,60bar,80bar,與之相對(duì)應(yīng)的射流流量分別為5.6L/min,7.3L/min,9.8L/min,11.4L/min。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量

工件材料為42CrMo鋼棒材,直徑為80mm,總長(zhǎng)度為115mm。切削刀具選用邦普DNMG110408-FW硬質(zhì)合金負(fù)型車刀片,覆有Al2O3-TiO2涂層、Al2O3涂層和TiN涂層。

切削過(guò)程中采用Kisteler Type 0129A測(cè)力儀實(shí)時(shí)測(cè)量切削力的變化狀態(tài),收集并取樣鑲嵌切屑,通過(guò)Dino-lite手持式數(shù)碼顯微鏡測(cè)量切屑卷曲半徑;采用Keyence VK200激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)刀—屑接觸長(zhǎng)度和切屑內(nèi)表面形貌,選取5個(gè)100μm×100μm的區(qū)域測(cè)量切屑內(nèi)表面的粗糙度值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 切屑長(zhǎng)度和卷曲半徑

如圖2所示,在切削液溢流冷卻的工況下產(chǎn)生了長(zhǎng)螺旋切屑,平均長(zhǎng)度為275mm,切屑卷曲半徑為1.817mm。高壓射流過(guò)程中切削液具有更大的動(dòng)量,產(chǎn)生的附加彎矩促進(jìn)了切屑的卷曲和折斷,將長(zhǎng)螺旋切屑破碎成短螺旋切屑。隨著射流壓力的增加,切屑尺寸和切屑卷曲半徑均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);射流壓力為20bar,40bar,60bar,80bar時(shí),產(chǎn)生的螺旋狀切屑平均長(zhǎng)度分別為190mm,105mm,90mm,32mm;切屑卷曲半徑分別為1.361mm,1.156mm,0.979mm,0.890mm。

圖2 切屑宏觀尺寸及卷曲半徑

3.2 刀—屑接觸長(zhǎng)度

高壓流體在車削刀具前刀面和切屑內(nèi)表面之間形成水楔,可促進(jìn)切屑上卷,有效減小刀—屑接觸面積,降低刀具磨損量。如圖3所示,切削液溢流工況下的刀—屑接觸長(zhǎng)度為145.774μm,前刀面斷屑結(jié)構(gòu)中有刀—屑摩擦痕跡;高壓射流的工況下刀—屑接觸長(zhǎng)度隨壓力的增加而逐漸減小,射流壓力為20bar,40bar,60bar,80bar時(shí),刀—屑接觸長(zhǎng)度為105.470μm,90.591μm,83.373μm,75.377μm。

圖3 刀—屑接觸長(zhǎng)度

3.3 切屑內(nèi)表面微觀形貌

切屑內(nèi)表面的微觀形貌反映切削過(guò)程的穩(wěn)定程度,圖4為不同流體壓力下的切屑內(nèi)表面形貌。采用切削液溢流冷卻時(shí),車削過(guò)程中產(chǎn)生連續(xù)長(zhǎng)螺旋狀切屑并發(fā)生纏繞,纏繞的切屑隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),撞擊工件、刀具及卡盤(pán)產(chǎn)生劇烈振動(dòng);阻礙切削液噴射到切削位置,導(dǎo)致切削溫度升高,加劇刀具磨損,降低切屑內(nèi)表面質(zhì)量和加工表面質(zhì)量,此時(shí)獲得的切屑內(nèi)表面平均面粗糙度值最高(Sa=2.427μm)。

圖4 切屑內(nèi)表面形貌

高壓射流工況下切屑內(nèi)表面質(zhì)量均有不同程度的改善,切屑內(nèi)表面平均面粗糙度值并未隨射流壓力的增加而降低。射流壓力為40bar時(shí)獲得了平均面粗糙度值最低的切屑內(nèi)表面(Sa=0.944μm);射流壓力為20bar,60bar,80bar時(shí),切屑內(nèi)表面平均面粗糙度分別為1.876μm,1.459μm和1.310μm。

3.4 切削力

相比于切削液溢流冷卻,采用高壓射流冷卻方式時(shí),切削力有不同程度的減小;射流壓力為40bar時(shí),切削力最小,合力為320.68N。高壓流體具有較大動(dòng)量,促進(jìn)切屑的卷曲與分離,可減小切削力,但過(guò)高的壓力會(huì)帶來(lái)附加力,導(dǎo)致切削力提高。如圖5所示,射流壓力從20bar提升到40bar時(shí),切削力呈現(xiàn)下降趨勢(shì);射流壓力從40bar提高到80bar的過(guò)程中,切削力呈上升趨勢(shì)。

圖5 三向切削力

4 結(jié)語(yǔ)

在42CrMo鋼的車削過(guò)程中,采用高壓射流技術(shù)可有效減小切屑尺寸,達(dá)到理想的斷屑效果并可將切屑沖離切削位置,使切削過(guò)程更加平穩(wěn)。隨著射流壓力的增大,切屑宏觀尺寸、卷曲半徑和刀—屑接觸長(zhǎng)度均減小;切削力和切屑內(nèi)表面粗糙度值均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),在射流壓力為40bar時(shí),獲得最小的切削力和最優(yōu)的切屑內(nèi)表面質(zhì)量。因此在車削42CrMo鋼時(shí),可采用高壓射流技術(shù)輔助斷屑,且可增大射流壓力來(lái)增強(qiáng)斷屑效果,同時(shí)要考慮過(guò)高壓力的流體對(duì)切削質(zhì)量帶來(lái)的負(fù)面影響。