切削速度對(duì)42CrMo鋼切削性能的影響研究

張法光，杜劍平，祝彬彬

(貴州省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，貴州貴陽(yáng)550025)

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切削速度對(duì)42CrMo鋼切削性能的影響研究

張法光，杜劍平，祝彬彬

(貴州省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，貴州貴陽(yáng)550025)

摘要：針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工中采用較高切削速度車削直徑和長(zhǎng)度尺寸較大的42CrMo鋼零件時(shí)刀具磨損嚴(yán)重的情況，運(yùn)用AdvantEdgeTM有限元軟件對(duì)不同切削速度下42CrMo鋼切削過(guò)程進(jìn)行仿真，得出切削速度對(duì)42CrMo鋼切削力和切削溫度的影響，最后采用實(shí)際切削試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性。結(jié)果表明當(dāng)切削速度在125.6 m/min～219.8 m/min范圍內(nèi)時(shí)，刀具的使用壽命較長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：42CrMo有限元法切削力切削溫度

0引言

42CrMo鋼具備強(qiáng)度高，淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，使其成為制造石油機(jī)具重要的金屬材料之一[1-2]。某石油機(jī)械公司的石油機(jī)具產(chǎn)品零件中廣泛采用42CrMo鋼，由于該型號(hào)鋼屬于超高強(qiáng)度合金鋼，是較難加工材料，并且零件具有加工直徑和長(zhǎng)度尺寸較大的特點(diǎn)，導(dǎo)致公司的切削加工效率較為低下，如何改善其低效率生產(chǎn)現(xiàn)狀成為公司面臨的重要問(wèn)題。切削速度作為影響工件加工效率和刀具使用壽命的重要因素，開(kāi)展切削速度對(duì)42CrMo鋼切削性能影響的研究對(duì)提高公司的生產(chǎn)效率、減小刀具磨損、延長(zhǎng)刀具使用壽命具有積極的促進(jìn)作用，具有很好的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文以有限元軟件AdvantEdgeTM為平臺(tái)，采用不同切削速度對(duì)42CrMo鋼的切削過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，分析比較切削力、切削溫度的變化，選出較為適合車削42CrMo鋼的切削速度范圍。最后進(jìn)行實(shí)際切削試驗(yàn)，根據(jù)刀具的使用壽命情況間接驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1有限元模型的建立

本文采用SANDVIK Coromant生產(chǎn)的涂層硬質(zhì)合金刀CNMG120404-PFGC4215對(duì)直徑為100 mm的42CrMo鋼進(jìn)行切削仿真，首先根據(jù)刀片使用樣本手冊(cè)給定刀具參數(shù)在三維實(shí)體軟件SolidWorks中建立車刀片的三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入AdvantEdgeTM中建立其切削42CrMo鋼的有限元模型，設(shè)定刀具基體材料為硬質(zhì)合金，內(nèi)涂層為5 μm的TiN，外涂層為15 μm的Al2O3，工件材料選用材料庫(kù)中與42CrMo鋼對(duì)應(yīng)的美國(guó)鋼號(hào)AISI-4140，直徑為100 mm、長(zhǎng)度為10 mm，切削用量定義：進(jìn)給量f=0.3 mm/r，背吃刀量ap=0.5 mm，為提高切削效率，選取v=125.6～408.2 m/min較高切削速度段，按Δv=31.4 m/min切削速度依次遞增分段，其相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍n=400 r/min～1 300 r/min，轉(zhuǎn)速增量Δn=100 r/min。設(shè)定完成后運(yùn)行程序并提取仿真結(jié)果。

2仿真結(jié)果分析

選擇Tecplot模塊進(jìn)行切削仿真結(jié)果的提取，選擇切削力Fx、Fy和Fz，查看其隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖1所示。從圖可以看到，切削力是在一個(gè)恒定值的上下波動(dòng)，這與實(shí)際切削過(guò)程中切削力的變化是一致的。切削力主要來(lái)源于被加工材料對(duì)彈塑性變形的抗力和刀具與工件之間的摩擦力[3]，刀具在剛接觸工件時(shí)，工件材料先產(chǎn)生彈性變形，繼而內(nèi)部晶格進(jìn)行滑移發(fā)生塑性變形，切削力增大，當(dāng)切削刃附近工件材料的剪應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)，切削力達(dá)到最大，隨著材料被剝離，切削力又會(huì)隨之降低。此過(guò)程周而復(fù)始，因而切削力在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)[4]。對(duì)結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合處理，得到切削力的曲線如圖2所示。

圖2　擬合后的切削力曲線

同理選擇刀具最高溫度(Peak Tool Temp)模塊，切削加工時(shí)刀具的最高溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖3所示，對(duì)該溫度曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到其溫度曲線，如圖4所示。刀具、工件和切屑的溫度場(chǎng)云圖如圖5和圖6所示。從圖可以看到，刀具的最高溫度由零逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，在穩(wěn)態(tài)值的附近上下波動(dòng)。從刀具溫度場(chǎng)云圖可以看到，刀具前、后面上的最高溫度都不在切削刃上，而是位于離刀刃有一定距離的地方，即最高溫度位于第二變形區(qū)，這是摩擦熱沿著刀面不斷增加的緣故。從工件和切屑的溫度場(chǎng)云圖可知，刀具的最高溫度低于工件和切屑的最高溫度。

圖4　擬合后的刀具最高切削溫度曲線

提取不同切削速度下的仿真結(jié)果，其切削力和刀具最高溫度的仿真結(jié)果如表1和圖7所示。

表1　切削速度對(duì)切削力和刀具最高溫度的影響

由表1可知：當(dāng)切削速度在125.6～408.2 m/min范圍內(nèi)變化時(shí)，其切削力在 824.26～894.22 N內(nèi)變化，隨著切削速度的增大，切削力整體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是由于隨著切削速度的增大，變形系數(shù)和摩擦系數(shù)都有所減小的原因。

由表1和圖7可知，在切削42CrMo，切削速度在125.6 m/min～408.2 m/min范圍內(nèi)變化，刀具最高溫度在990～1 250℃范圍內(nèi)變化。其中，當(dāng)切削速度v≤314 m/min(n=1 000 r/min)時(shí)，隨著切削速度增大，切削溫度基本成正比增大，切削速度每增大31.4 m/min(轉(zhuǎn)速n增大100 r/min)，刀具的最高溫度平均增大40℃；當(dāng)v≥314 m/min時(shí)，最高切削溫度基本保持不變。由于本論文采用的刀具外涂層為15 μm的Al2O3，其最高使用溫度約為1 000℃，因此在采用該型號(hào)刀具實(shí)際切削42CrMo時(shí)，為保證刀具使用壽命，其切削速度不宜高于219.8 m/min，可根據(jù)實(shí)際切削加工效率要求在125.6～219.8 m/min范圍內(nèi)選擇。若想采用更高的切削速度對(duì)42CrMo鋼進(jìn)行切削加工，可考慮使用熱穩(wěn)定性和紅硬性均高于Al2O3涂層的CBN刀具，CBN刀具適用于42CrMo鋼的切削用量有待于進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。

3仿真結(jié)果的驗(yàn)證

本文采用對(duì)刀具進(jìn)行切削破壞性試驗(yàn)的方法，以刀具磨損至不能滿足工廠實(shí)際的加工要求為準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量在刀具壽命內(nèi)的切削長(zhǎng)度，判斷刀具在相應(yīng)切削條件下的耐用度，對(duì)照其耐用度變化趨勢(shì)和仿真分析切削溫度變化趨勢(shì)的一致性，間接驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。本切削破壞性試驗(yàn)采用云南機(jī)床廠生產(chǎn)的SL320/1000型號(hào)機(jī)床，42CrMo鋼試件為φ100×370 mm棒料，實(shí)際可切削長(zhǎng)度為250 mm，切削用量分別采用仿真實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)值。其試驗(yàn)結(jié)果及刀具磨損形式如表2和圖8所示。

由表2可知，隨著切削速度的增大，刀具使用壽 命逐漸減小，當(dāng)切削速度在125.6 m/min～219.8 m/min范圍內(nèi)時(shí)，刀具使用壽命較長(zhǎng)，當(dāng)切削速度高于219.8 m/min時(shí)，刀具使用壽命隨著切削速度的增大而急劇減小，有限元仿真刀具溫度變化趨勢(shì)與實(shí)際切削試驗(yàn)中刀具使用壽命的變化趨勢(shì)具有較好的一致性，有限元模型較準(zhǔn)確。

表2　刀具的破壞性試驗(yàn)

(a)V=157.0 m/min(b)V=219.8 m/min(c)V=408.2 m/min圖8　刀具磨損形式

由圖8可知，刀具主要磨損形式均為后刀面磨損，其主要原因是刀具溫度過(guò)高引起的相變磨損。

4結(jié)論

從以上有限元仿真結(jié)果及刀具壽命試驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1)采用CNMG120404-PFGC4215涂層硬質(zhì)合金刀車削42CrMo鋼時(shí)，隨著切削速度的增大，切削力整體上呈減小的趨勢(shì)，刀具最高溫度逐漸升高，刀具使用壽命逐漸減小。

2)采用CNMG120404-PFGC4215涂層硬質(zhì)合金車刀切削42CrMo鋼時(shí)，為保證刀具使用壽命，其切削速度不宜高于219.8 m/min，可根據(jù)實(shí)際切削加工效率要求在125.6 m/min～219.8 m/min范圍內(nèi)選擇。

3)刀具主要磨損形式為后刀面磨損，主要是由于刀具溫度過(guò)高引起刀具相變磨損。

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中圖分類號(hào)：TG501;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)03-0027-04

作者簡(jiǎn)介：張法光(1989-)，男，河北邯鄲人，碩士，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)、再制造與表面工程。

收稿日期：2016-04-06

Cutting property of cutting speed in turning 42CrMo steels

ZHANG Faguang,DU Jianping,ZHU Binbin

Abstract:There was a problem that the cutting-tool was heavily worn when cutting 42CrMo whose diameter was large at a higher speed. In this paper, the analysis software AdvantEdgeTM was used to simulate the cutting process. The variation of cutting force and cutting temperature with different cutting speeds were obtained. Finally the accuracy of the simulation results was verified by the cutting test.The simulation results indicate that the tool life was longer when the cutting speed within the scope of 125.6 to 219.8 m/min.

Keywords:42CrMo; finite element method; cutting force; cutting temperature