切削用量對GCr15軸承鋼粗糙度輪廓支承長度率的影響

梁軍華， 李春寒，陳博，劉春蘭

( 1. 四川工程職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000；2. 西南交通大學 機械工程學院，成都 610031 )

GCr15軸承鋼廣泛用于制造滾動軸承、模具和汽車零部件等，GCr15鋼淬硬后車削加工較為困難，因此，對其車削加工后的工件表面質量進行了一些研究。文獻[1-2]對采用PCBN刀具車削加工后工件的表面粗糙度進行了試驗分析;文獻[3]對車削加工中表面輪廓進行了仿真分析;文獻[4-8]對不同材料的車削加工表面粗糙度進行了研究。

采用不同的切削工藝 (車削、銑削、拋光、磨削等)加工零件時，由于切削用量、運動軌跡、所用刀具等工藝因素的不同，加工表面的微觀形貌和表面特性也不相同。根據(jù)GB/T 1031—2009《產(chǎn)品幾何技術規(guī)范(GPS) 表面結構 輪廓法 表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》[9]，采用中線制(輪廓法)評定表面粗糙度，其中Ra指輪廓的算術平均偏差。相同表面粗糙度Ra值的不同加工表面的微觀形貌可能存在較大差異，其表面特性也各不相同，僅采用表面粗糙度Ra評定表面質量并不全面[10]。因此，根據(jù)表面功能的需要，除表面粗糙度高度參數(shù)(Ra，Rz)外,還可選用粗糙度輪廓支承長度率Rmr(c)，如與滑動軸承或某些滾動軸承配合的支承軸頸、滾動軸承的滾動接觸面；曲軸與曲軸連桿軸頸、鑄鐵軸瓦配合的支承軸頸等零部件表面[11]，除要求表面粗糙度Ra外，還提出了對粗糙度輪廓支承長度率Rmr(c)值的要求。

在淬硬鋼以車代磨的工藝中，探索GCr15鋼切削用量與刀尖圓弧半徑的改變對粗糙度輪廓支承長度率Rmr(c)的影響規(guī)律具有重要意義。

1 輪廓支承長度率概述[9,12-13]

粗糙度輪廓是對原始輪廓采用λc輪廓濾波器抑制長波成分以后形成的輪廓，是經(jīng)過人為修正的輪廓，如圖1所示。

圖1 粗糙度和波紋度輪廓的傳輸特性

粗糙度輪廓的實體材料長度Ml(c)是指在一個給定水平截面高度c上用一條平行于x軸的線與粗糙度輪廓單元相截所獲得的各段截線長度之和，如圖2所示。

圖2 在水平截面高度c上輪廓的實體材料長度

粗糙度輪廓支承長度率是指在給定水平截面高度c上粗糙度輪廓的實體材料長度Ml(c)與評定長度ln的比率，即

Rmr(c) =Ml(c)/ln。

(1)

評定長度是指用于評定被評定輪廓的x軸方向上的長度，評定長度包含一個或幾個取樣長度。選用粗糙度輪廓支承長度率參數(shù)時，應同時給出水平截面高度c值，其可用微米或Rz的百分數(shù)表示。

粗糙度輪廓支承長度率曲線表示粗糙度輪廓支承長度率隨水平截面高度c的變化關系，如圖3所示。粗糙度輪廓支承長度率曲線表明了表面輪廓在高度方向支承面積的變化規(guī)律，不同加工方法產(chǎn)生的表面輪廓,盡管Ra值可能相同，但由于表面輪廓形狀的差異，使零件間的實際接觸面積和潤滑油的存留情況發(fā)生很大變化，已加工表面的耐磨性能可能相差甚遠，即該曲線可反映零件表面的耐磨性[14]。

圖3 粗糙度輪廓支承長度率曲線

2 試驗條件

1) 試驗車床：C620-1普通車床，1 200 r/min以下無級調速。

2) 試驗刀具：選用YBC251刀片，硬質合金基體與MT-TiCN, Al2O3,TiN組合涂層。刀桿型號為MCLNR2525M12，刀具幾何參數(shù)見表1。

表1 試驗用刀具幾何參數(shù)

3)試件：材料為GCr15；規(guī)格為φ100 mm×200 mm；淬火熱處理，加熱至860 ℃，然后油中快速冷卻；硬度為58～60 HRC；試驗材料GCr15的化學成分見表2。

表2 GCr15軸承鋼的化學成分

4) 表面粗糙度測量系統(tǒng)：采用JB-5C型粗糙度輪廓儀，其測試原理如圖4所示。儀器驅動箱提供了一個行程為100 mm的高精度直線基準導軌，傳感器沿導軌作直線運動，位移量通過精密光柵以及電感傳感器采集，儀器帶有計算機及專用測量軟件。

1—花崗巖平板；2—樣塊；3—傳感器；4—驅動箱;5，6，7，12—電纜；8—打印機；9—電腦主機；10—顯示器；11—開關；13—控制盒

3 試驗方法及結果分析

采用單因素法對GCr15軸承鋼進行干式切削試驗，分別研究切削速度vc為20～80 m/min，進給量f為0.10～0.40 mm/r，背吃刀量ap為0.10～0.30 mm，刀尖圓弧半徑rε為0.4，0.8 mm時對粗糙度輪廓支承長度率Rmr(c)的影響規(guī)律。

3.1 切削速度vc對Rmr(c)的影響

在f= 0.22 mm/r，ap= 0.20 mm，刀尖圓弧半徑rε=0.4, 0.8 mm下，切削速度vc分別取20，35，50，65和80 m/min，得到粗糙度輪廓支承長度率Rmr(c)隨切削速度vc的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 Rmr(c)隨切削速度vc的變化規(guī)律

由圖5可知，當rε=0.4 mm時，不同的切削速度下Rmr(c)相差很小；當rε=0.8 mm時，不同的切削速度下Rmr(c)相差稍大，說明rε=0.8 mm對Rmr(c)的影響比rε=0.4 mm更大。這是因為，隨著切削速度的逐漸增大，機床-工件-刀具-夾具系統(tǒng)的振動增大，具體反映為已加工表面粗糙度輪廓的變化，即rε=0.8 mm時加工表面粗糙度輪變化比rε=0.4 mm更大。

3.2 進給量f對Rmr(c)的影響

在vc=60 m/min，ap=0.20 mm，rε=0.4, 0.8 mm下，進給量f分別取0.10，0.14，0.22，0.28和0.40 mm/r，得到粗糙度輪廓支承長度率Rmr(c)隨進給量f的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 Rmr(c)隨進給量f的變化規(guī)律

由圖6可知，隨著進給量f的逐漸增大，已加工表面粗糙度輪廓有顯著變化，在給定水平截面高度c上粗糙度輪廓的實體材料長度Ml(c)值不同，f=0.10 mm/r對應的Ml(c)值比f=0.40 mm/r對應的Ml(c)值大；不同的進給量f下，在c值的范圍內，rε=0.8 mm對Rmr(c)的影響比rε=0.4 mm更顯著。

3.3 背吃刀量ap對Rmr(c)的影響

在vc= 60 m/min，f= 0.22 mm/r，rε=0.4, 0.8 mm下，ap分別取0.10，0.15，0.20，0.25和0.30 mm，得到粗糙度輪廓支承長度率Rmr(c)隨背吃刀量ap的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 Rmr(c)隨背吃刀量ap的變化規(guī)律

由圖7可知，隨著背吃刀量ap在逐漸增大，切削力顯著增大，刀尖與后刀面對已加工表面擠壓增大，已加工表面有微小變形；在給定水平截面高度c上粗糙度輪廓的實體材料長度Ml(c)值變化較小；不同的背吃刀量ap下，rε=0.8 mm對Rmr(c)的影響比rε=0.4 mm更大。

4 結束語

由試驗結果分析得出結論：

1) 切削用量的改變對粗糙度輪廓支承長度率Rmr(c)的影響不同，影響程度從小到大依次為背吃刀量ap、切削速度vc和進給量f。

2) 刀尖圓弧半徑rε對Rmr(c)的影響明顯，rε=0.8 mm對Rmr(c)的影響比rε=0.4 mm更大。