硬態(tài)車削對(duì)18CrNiMo7?6鋼表面完整性影響研究

張銀霞，于鑫，郜偉，王棟

（鄭州大學(xué)抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

1 引言

18CrNiMo7?6表面滲碳鋼（國(guó)內(nèi)牌號(hào)為17Cr2Ni2Mo）是一種非常重要的齒輪材料，該鋼種經(jīng)滲碳、淬火后硬度能達(dá)到58?62HRC，由于其具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞磨損能力，其被廣泛用于減速器齒輪和高速機(jī)車齒輪等方面。由于淬硬鋼的難加工性，為得到較好的表面完整性，此鋼種的終加工方式一般為磨削加工[1]。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，特別是陶瓷、立方氮化硼等超硬材料的出現(xiàn)，促進(jìn)了“以車代磨”硬態(tài)切削加工技術(shù)[2]的產(chǎn)生，硬態(tài)切削不僅可以達(dá)到較好的加工精度，而且具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)，因此在對(duì)工件性能起關(guān)鍵作用的精加工中，已成為磨削加工的主要競(jìng)爭(zhēng)者。表面粗糙度和表層殘余應(yīng)力作為表面完整性中的重要內(nèi)容，對(duì)工件的疲勞壽命[3]有著重要的影響。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)硬態(tài)車削表面粗糙度和殘余應(yīng)力作出了卓有成效的研究，文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)比硬態(tài)車削、磨削，證明了與磨削相比，硬態(tài)車削可以在表層獲得更大的殘余壓應(yīng)力和更深的壓應(yīng)力層；文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)表面粗糙度進(jìn)行建模和優(yōu)化，證明了刀尖圓弧半徑和進(jìn)給量是影響表面粗糙度的重要因素；文獻(xiàn)[5]研究了硬態(tài)車削中不同刀刃幾何形狀和工藝參數(shù)對(duì)加工區(qū)三軸表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度的影響，證明了殘余應(yīng)力的行為與輸入?yún)?shù)有關(guān)，并確定輸入?yún)?shù)的最佳范圍和誘發(fā)壓應(yīng)力的概率。

綜合分析硬態(tài)切削相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[6]，硬態(tài)切削工藝可以大幅度提高被加工工件的表面完整性[7?8]，在一些加工條件下其加工精度與表面完整性甚至可以超過(guò)磨削工藝[9]，研究普遍認(rèn)為在各切削變量中，進(jìn)給速度是影響表面完整性的最重要因素，但目前大部分研究集中在模擬仿真方面[10]，硬態(tài)車削試驗(yàn)研究相對(duì)較少，且針對(duì)18CrNiMo7?6淬硬鋼的研究主要集中在磨削及表面強(qiáng)化等方面，缺乏硬態(tài)車削方面的研究。通過(guò)試驗(yàn)研究硬態(tài)車削工藝參數(shù)對(duì)18CrNiMo7?6淬硬鋼三維表面粗糙度及表層殘余應(yīng)力等表面完整性的影響規(guī)律，為18CrNiMo7?6淬硬鋼的硬態(tài)車削加工工藝制定提供了重要參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 材料

試驗(yàn)材料為18CrNiMo7?6鋼，設(shè)計(jì)試樣規(guī)格為Φ（12.5×100）mm 的圓柱棒料，熱處理工藝類型為滲碳淬火，工藝層深為（1.50～1.80）mm。熱處理后對(duì)表面進(jìn)行粗磨，預(yù)處理工件表面硬度為（60.0～61.0）HRC，表面粗糙度為（0.4～0.5）μm，表層殘余應(yīng)力沿深度方向表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在26μm 處拉應(yīng)力最大，隨后逐漸降低，在100μm處開始趨于穩(wěn)定至?100MPa左右。

2.2 硬態(tài)車削試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備選用CAK4085型數(shù)控車床，主電機(jī)額定功率為5.5 kW，主軸轉(zhuǎn)速范圍為（100～2000）r/min。刀具型號(hào)為TNGA160404?3S的立方氮化硼復(fù)合式刀片，形狀為正三角形，刀尖圓弧半徑為0.4mm，車削形式為干式硬態(tài)車削。試驗(yàn)的目的在于探究硬態(tài)車削18CrNiMo7?6鋼各切削因素對(duì)表面粗糙度與殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，以進(jìn)給速度、切削速度、背吃刀量為主要變量設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，具體參數(shù)，如表1所示。

表1 因素梯度表Tab.1 Factor Gradient Table

3 表面粗糙度與殘余應(yīng)力測(cè)量

選擇三維表面粗糙度Sa作為測(cè)量目標(biāo)，相對(duì)于二維表面粗糙度Ra，Sa攜帶有與功能特性有關(guān)的形貌信息，便于將表面參數(shù)與實(shí)際功能進(jìn)行聯(lián)系。

使用NPFLEX三維表面形貌測(cè)量系統(tǒng)對(duì)已加工表面進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，每個(gè)試樣取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，取其平均值為測(cè)定值。當(dāng)進(jìn)給速度為10mm/min、切削速度為31m/min、背吃刀量為0.2mm時(shí)，已加工工件表面三維形貌，如圖2所示?？芍藭r(shí)Sa為0.215μm。

圖1 NPFLEX 三維形貌測(cè)量?jī)xFig.1 NPFLEX Three Dimensional Shape Measuring Instrument

圖2 表面三維形貌Fig.2 Three Dimensional Surface Topography

以ProtoLDR高速X射線殘余應(yīng)力分析儀為平臺(tái)進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，使用Proto8818?V3電解拋光機(jī)對(duì)試樣表面剖層，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定腐蝕電壓為20V、時(shí)間為3s，每次剖層深度為10μm，總剖層深度為100μm，從而得到已加工試樣殘余應(yīng)力沿深度方向的分布規(guī)律。

圖3 PROTO X射線殘余應(yīng)力分析儀Fig.3 PROTO X?Ray Residual Stress Analyzer

圖4 PROTO 8818?V3電解拋光機(jī)Fig.4 Electrolytic Polishing Machine

4 結(jié)果與分析

4.1 切削變量對(duì)表面粗糙度的影響

當(dāng)vc=31m/min、ap=0.10mm時(shí)，粗糙度隨進(jìn)給速度的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 三維表面粗糙度?進(jìn)給速度Fig.5 Sa?Feed Rate

由圖可知Sa在（5～45）mm/min的范圍內(nèi)隨進(jìn)給速度增大而增大，呈現(xiàn)正相關(guān)性。這是由于在硬態(tài)切削中，切削殘留高度與側(cè)向塑流是影響Sa的主要因素，在刀尖圓弧半徑與切削刃圓角半徑不變的情況下，側(cè)向塑流高度穩(wěn)定，而切削殘留高度隨進(jìn)給速度增大而增大。當(dāng)vf=10 mm/min、ap=0.1 mm時(shí)，粗糙度隨切削速度的變化曲線，如圖6所示。

圖6 三維表面粗糙度?切削速度Fig.6 Sa?Cutting Speed

由圖可知在（31～47）m/min 的速度范圍內(nèi)，Sa隨切削速度增大而降低，在47m/min時(shí)Sa達(dá)到0.16μm；在（47～63）m/min區(qū)間內(nèi)Sa隨切削速度增加呈上升趨勢(shì)，但有一定波動(dòng)。出現(xiàn)這一變化曲線的主要原因加工工件為細(xì)長(zhǎng)軸工件，隨著切削速度增大，主軸轉(zhuǎn)速過(guò)大，機(jī)床系統(tǒng)振動(dòng)增強(qiáng)使工件表面產(chǎn)生振紋，使Sa在一定程度上增大。

當(dāng)vc=31m/min、vf=10mm/min時(shí)，粗糙度隨背吃刀量變化曲線，如圖7所示，在（0.05～0.25）mm的背吃刀量梯度范圍內(nèi)，Sa值在（0.19～0.30）μm區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，無(wú)明顯規(guī)律，從而可知在一定范圍內(nèi)，背吃刀量對(duì)三維表面粗糙度影響較小。

圖7 三維表面粗糙度?背吃刀量Fig7 Sa?Depth of Cut

4.2 切削變量對(duì)表層殘余應(yīng)力的影響

當(dāng)vc=31m/min、ap=0.10mm時(shí)，殘余應(yīng)力沿深度方向大小，如圖8所示。

圖8 殘余應(yīng)力?進(jìn)給速度Fig.8 Residual Stress in?Feed Rate

表層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài)，最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)于距表面（0～0.03）mm深度區(qū)間內(nèi)。殘余壓應(yīng)力沿深度方向先增大后減小至穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)橐鸭庸け砻媸艿胶蟮睹鏀D壓發(fā)生塑性變形從而在表層產(chǎn)生較大殘余壓應(yīng)力，隨著距表面深度的增加，塑性變形產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力影響小于熱載荷產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，使殘余壓應(yīng)力逐漸減小至較為穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖9可以看出，最大殘余壓應(yīng)力隨進(jìn)給速度增加變化規(guī)律為：在（5～15）mm/min區(qū)間內(nèi)快速減?。辉冢?5～30）mm/min區(qū)間內(nèi)仍持續(xù)減小，但減小速度下降；在（30～50）mm/min區(qū)間內(nèi)保持增大。原因是隨著進(jìn)給速度的增加，切削溫度隨之升高，熱效應(yīng)引起的殘余拉應(yīng)力增加使最大殘余壓應(yīng)力表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。但進(jìn)給速度變大切削力也變大，已加工表面受到刀具后刀面的擠壓作用變大，殘余壓應(yīng)力最終表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。

圖9 最大殘余應(yīng)力?進(jìn)給速度Fig.9 Maximum Residual Stress?Feed Rate

當(dāng)vf=10mm/min、ap=0.10mm時(shí)，不同切削速度條件下殘余應(yīng)力變化規(guī)律，如圖10、圖11所示。

圖10 殘余應(yīng)力?切削速度Fig.10 Residual Stress?Cutting speed

圖11 最大殘余應(yīng)力?切削速度Fig.11 Maximum Residual Stress?Cutting Speed

由圖可知表層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài)，最大殘余應(yīng)力值出現(xiàn)于距表面（0～0.03）mm 深度區(qū)間。當(dāng)vc在（31～39）m/min 范圍內(nèi)時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力隨切削速度增大而增大，當(dāng)vc大于39m/min時(shí)，殘余應(yīng)力最大值穩(wěn)定在（?550～?650）MPa區(qū)間內(nèi)。原因是在（31～39）m/min速度范圍內(nèi)，切削溫度上升速度較小，塑性變形對(duì)殘余應(yīng)力的影響強(qiáng)于熱效應(yīng)的作用，導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力最大值增大；（39～63）m/min速度范圍內(nèi)，隨著切削速度的進(jìn)一步增加，切削溫度上升較快，工件表層內(nèi)熱載荷產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力增加速度與塑性變形產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力增加速度保持一致，因此殘余壓應(yīng)力的最大值保持穩(wěn)定。當(dāng)vc=31m/min、vf=10mm/min時(shí)，不同背吃刀量條件下殘余應(yīng)力變化規(guī)律，如圖12、圖13所示。

圖12 殘余應(yīng)力?背吃刀量Fig.12 Residual Stress in?Depth of Cut

圖13 最大殘余應(yīng)力?背吃刀量Fig.13 Maximum Residual Stress?Depth of Cut

表層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài)，沿深度方向先增大后減小，在距表面60μm 處逐漸平衡，最大殘余應(yīng)力值出現(xiàn)于距表面（0～0.02）mm深度區(qū)間。最大殘余壓應(yīng)力隨背吃刀量增加始終處于在（?400～?500）MPa區(qū)間內(nèi)，原因是背吃刀量變化對(duì)單位長(zhǎng)度上的切削力影響不大，對(duì)塑性變形影響較小，因此最大殘余壓應(yīng)力變化較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）18CrNiMo7?6滲碳鋼硬態(tài)車削條件下，三維表面粗糙度Sa隨進(jìn)給速度增大而升高；當(dāng)vc在（31～47）m/min區(qū)間時(shí)，Sa隨切削速度增大而降低，超過(guò)47m/min后，隨著機(jī)床?刀具?工件系統(tǒng)振動(dòng)增強(qiáng)，Sa隨切削速度增大而升高；背吃刀量增大，Sa變化無(wú)明顯線性規(guī)律；當(dāng)vc、vf、ap分別為31m/min、5mm/min和0.10mm時(shí)Sa可達(dá)0.16μm；（2）18CrNiMo7?6滲碳鋼經(jīng)硬態(tài)車削后試樣表層殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，且沿深度方向表現(xiàn)為先增大后減小至穩(wěn)定狀態(tài)的變化規(guī)律，最大殘余壓應(yīng)力處于距表面（0～0.03）mm深度區(qū)間內(nèi)，沿深度應(yīng)力值范圍為（?300～?700）MPa；（3）在各切削變量中，進(jìn)給速度對(duì)表層殘余應(yīng)力影響最大，殘余應(yīng)力最大值隨進(jìn)給速度增加先減小后增大；在切削速度較低時(shí)，殘余應(yīng)力最大值隨切削速度增加快速增大，在切削速度越過(guò)39m/min后，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定；背吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力影響最小，殘余應(yīng)力最大值變化無(wú)明顯線性規(guī)律；當(dāng)vc、vf、ap分別為59m/min、10mm/min 和0.10mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力可達(dá)?642.09MPa；（4）18CrNiMo7?6 滲碳鋼的硬態(tài)切削加工能夠獲得較好的三維表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力，提高表面完整性，研究結(jié)果可為18CrNiMo7?6滲碳鋼的加工工藝制定提供依據(jù)。