切削用量對(duì)GCr15軸承鋼粗糙度輪廓支承長(zhǎng)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(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000；2. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031 )

GCr15軸承鋼廣泛用于制造滾動(dòng)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(duì)其車削加工后的工件表面質(zhì)量進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)采用PCBN刀具車削加工后工件的表面粗糙度進(jìn)行了試驗(yàn)分析;文獻(xiàn)[3]對(duì)車削加工中表面輪廓進(jìn)行了仿真分析;文獻(xiàn)[4-8]對(duì)不同材料的車削加工表面粗糙度進(jìn)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(shí)，由于切削用量、運(yùn)動(dòng)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(shù)規(guī)范(GPS) 表面結(jié)構(gòu) 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(píng)定表面粗糙度，其中Ra指輪廓的算術(shù)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(píng)定表面質(zhì)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(zhǎng)度率Rmr(c)，如與滑動(dòng)軸承或某些滾動(dòng)軸承配合的支承軸頸、滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)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(duì)粗糙度輪廓支承長(zhǎng)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(duì)粗糙度輪廓支承長(zhǎng)度率Rmr(c)的影響規(guī)律具有重要意義。

1 輪廓支承長(zhǎng)度率概述[9,12-13]

粗糙度輪廓是對(duì)原始輪廓采用λc輪廓濾波器抑制長(zhǎng)波成分以后形成的輪廓，是經(jīng)過(guò)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(shí)體材料長(zhǎng)度Ml(c)是指在一個(gè)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(zhǎng)度之和，如圖2所示。

圖2 在水平截面高度c上輪廓的實(shí)體材料長(zhǎng)度

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

Rmr(c) =Ml(c)/ln。

(1)

評(píng)定長(zhǎng)度是指用于評(píng)定被評(píng)定輪廓的x軸方向上的長(zhǎng)度，評(píng)定長(zhǎng)度包含一個(gè)或幾個(gè)取樣長(zhǎng)度。選用粗糙度輪廓支承長(zhǎng)度率參數(shù)時(shí)，應(yīng)同時(shí)給出水平截面高度c值，其可用微米或Rz的百分?jǐn)?shù)表示。

粗糙度輪廓支承長(zhǎng)度率曲線表示粗糙度輪廓支承長(zhǎng)度率隨水平截面高度c的變化關(guān)系，如圖3所示。粗糙度輪廓支承長(zhǎng)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(shí)際接觸面積和潤(rùn)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(yuǎn)，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(zhǎng)度率曲線

2 試驗(yàn)條件

1) 試驗(yàn)車床：C620-1普通車床，1 200 r/min以下無(wú)級(jí)調(diào)速。

2) 試驗(yàn)刀具：選用YBC251刀片，硬質(zhì)合金基體與MT-TiCN, Al2O3,TiN組合涂層。刀桿型號(hào)為MCLNR2525M12，刀具幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)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(yàn)材料GCr15的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分

4) 表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)：采用JB-5C型粗糙度輪廓儀，其測(cè)試原理如圖4所示。儀器驅(qū)動(dòng)箱提供了一個(gè)行程為100 mm的高精度直線基準(zhǔn)導(dǎo)軌，傳感器沿導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)，位移量通過(guò)精密光柵以及電感傳感器采集，儀器帶有計(jì)算機(jī)及專用測(cè)量軟件。

1—花崗巖平板；2—樣塊；3—傳感器；4—驅(qū)動(dòng)箱;5，6，7，12—電纜；8—打印機(jī)；9—電腦主機(jī)；10—顯示器；11—開關(guān)；13—控制盒

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

采用單因素法對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行干式切削試驗(yàn)，分別研究切削速度vc為20～80 m/min，進(jìn)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(shí)對(duì)粗糙度輪廓支承長(zhǎng)度率Rmr(c)的影響規(guī)律。

3.1 切削速度vc對(duì)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(zhǎng)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(dāng)rε=0.4 mm時(shí)，不同的切削速度下Rmr(c)相差很小；當(dāng)rε=0.8 mm時(shí)，不同的切削速度下Rmr(c)相差稍大，說(shuō)明rε=0.8 mm對(duì)Rmr(c)的影響比rε=0.4 mm更大。這是因?yàn)椋S著切削速度的逐漸增大，機(jī)床-工件-刀具-夾具系統(tǒng)的振動(dòng)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(shí)加工表面粗糙度輪變化比rε=0.4 mm更大。

3.2 進(jìn)給量f對(duì)Rmr(c)的影響

在vc=60 m/min，ap=0.20 mm，rε=0.4, 0.8 mm下，進(jìn)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(zhǎng)度率Rmr(c)隨進(jìn)給量f的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 Rmr(c)隨進(jìn)給量f的變化規(guī)律

由圖6可知，隨著進(jìn)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(shí)體材料長(zhǎng)度Ml(c)值不同，f=0.10 mm/r對(duì)應(yīng)的Ml(c)值比f(wàn)=0.40 mm/r對(duì)應(yīng)的Ml(c)值大；不同的進(jìn)給量f下，在c值的范圍內(nèi)，rε=0.8 mm對(duì)Rmr(c)的影響比rε=0.4 mm更顯著。

3.3 背吃刀量ap對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(shí)體材料長(zhǎng)度Ml(c)值變化較??；不同的背吃刀量ap下，rε=0.8 mm對(duì)Rmr(c)的影響比rε=0.4 mm更大。

4 結(jié)束語(yǔ)

由試驗(yàn)結(jié)果分析得出結(jié)論：

1) 切削用量的改變對(duì)粗糙度輪廓支承長(zhǎng)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(jìn)給量f。

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