金剛石刀具低溫硬車(chē)削軸承鋼的表面殘余應(yīng)力研究

吳茂寧，趙威，何寧

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

薄壁軸承套圈是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人用薄壁軸承中的重要構(gòu)成部件，主要采用軸承鋼制造。由于其兼具高強(qiáng)、高硬、薄壁等典型特征，因而加工質(zhì)量、加工效率等問(wèn)題一直是軸承制造業(yè)亟待解決的難題。對(duì)該類(lèi)高硬度金屬材料的精密機(jī)械加工，常采用磨削加工方式，但磨削加工具有材料去除率低、污染重等缺點(diǎn)[1]。因此，隨著超硬刀具材料的研制和應(yīng)用，以加工硬度較高金屬材料(硬度在42～65 HRC之間)為特征的硬切削技術(shù)亦隨之興起并得以推廣應(yīng)用。目前，“以車(chē)代磨”在精密切削加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

硬切削技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在能夠大幅提升高硬材料零件的加工效率、降低因使用切削液帶來(lái)的環(huán)境污染，還體現(xiàn)在能夠有效提升該類(lèi)材料零件的表面完整性及其使用性能。其中，表面殘余應(yīng)力則是衡量表面完整性的重要參數(shù)之一。通常表面殘余應(yīng)力主要是工件在切削過(guò)程中發(fā)生熱塑性變形引起的，與加工參數(shù)、刀具參數(shù)、材料參數(shù)等因素密切相關(guān)[3-4]。近年來(lái)，許多研究者致力于研究如何控制硬切削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，以提高產(chǎn)品的疲勞壽命。何少杰等[5]研究了切削參數(shù)、刀具參數(shù)、工件材料參數(shù)等對(duì)切削殘余應(yīng)力的作用，并對(duì)殘余應(yīng)力與疲勞壽命之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。劉彥臣等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了不同切削參數(shù)下切削34CrNiMo6鋼時(shí)的殘余應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命起主要作用并且壓應(yīng)力對(duì)疲勞壽命有益。此外，HUANG K等[7]研究了基本切削變量對(duì)殘余應(yīng)力的影響，并分析了刀具前角與殘余應(yīng)力的關(guān)系，結(jié)果表明殘余應(yīng)力幅值隨刀具前角的增大而增大。PAWAR S等[8]借助有限元分析軟件預(yù)測(cè)了硬車(chē)削AISI52100的表面殘余應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度和進(jìn)給量升高時(shí)殘余應(yīng)力均隨之升高。

目前，針對(duì)軸承鋼材料的硬態(tài)精密切削刀具選擇方面，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具具有較高的性?xún)r(jià)比，但刀具磨損過(guò)快問(wèn)題仍較突出，并且表面質(zhì)量與傳統(tǒng)磨削相比并不具備優(yōu)勢(shì)。此外，PCBN刀具可以高效、高質(zhì)量加工軸承鋼材料[9]，但加工成本相對(duì)較高。隨著PCD、CVD等金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展，已有研究表明金剛石刀具在低溫冷卻條件下可以用來(lái)加工模具鋼等黑色金屬材料[10-11]，且具有較高的性?xún)r(jià)比。為此，本文嘗試選用CVD金剛石刀具在低溫CO2冷卻下進(jìn)行低溫硬車(chē)削GCr15軸承鋼材料，重點(diǎn)探討低溫硬切削表面殘余應(yīng)力的分布規(guī)律和切削參數(shù)對(duì)其影響規(guī)律，以期為該類(lèi)材料的精密硬切削提供新的途徑。

1 試驗(yàn)條件及測(cè)量方法

1.1 試驗(yàn)條件

工件材料為GCr15軸承鋼，工件直接選用NU211圓柱滾子軸承內(nèi)圈(硬度62 HRC)；工件尺寸：外圓直徑66mm，內(nèi)圓直徑55mm，環(huán)寬21mm。刀具為CNMA120412-2N型CVD金剛石刀具，刀具前角-6°，后角6°，刀尖圓弧半徑1.2mm。試驗(yàn)用機(jī)床為EMAG VL2立式數(shù)控車(chē)床；夾具為ABSIS01型膨脹芯軸；切削參數(shù)如表1所示。此外，為抑制金剛石刀具切削軸承鋼時(shí)的刀具磨損，利用羊角管?chē)娚涞蜏谻O2進(jìn)行冷卻，試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法。

表1 單因素試驗(yàn)參數(shù)表

1.2 測(cè)量方法

為了測(cè)量距離工件表面不同深度下的殘余應(yīng)力，應(yīng)用X-350A型X射線應(yīng)力分析測(cè)量?jī)x先對(duì)工件已加工表面測(cè)量，然后利用電腐蝕裝置對(duì)工件進(jìn)行一層層腐蝕，每腐蝕完1層測(cè)量1次，殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x和電腐蝕裝置如圖1所示。其中，逐層測(cè)量時(shí)，沿軸承周向等間隔選取3個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)量周向和軸向殘余應(yīng)力，為使結(jié)果更可靠取平均值作為評(píng)價(jià)分析數(shù)據(jù)。

圖1 殘余應(yīng)力測(cè)試裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

圖2為當(dāng)進(jìn)給量為0.05mm/r、切削深度為0.03mm時(shí)切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響。從圖2可以看出，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的耦合作用下，GCr15軸承鋼加工表面層的周向和軸向殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力；周向殘余應(yīng)力幅值表現(xiàn)為先增大再減小進(jìn)而趨于穩(wěn)定的分布狀態(tài)，而軸向殘余應(yīng)力幅值增大幅度不明顯。與此同時(shí)，周向和軸向最大殘余應(yīng)力幅值主要出現(xiàn)表面層下5～10μm處。

圖2 切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

此外，從圖2還可以看出最大殘余應(yīng)力幅值隨切削速度增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，但150m/min切削速度下的周向殘余應(yīng)力幅值大于250m/min切削速度下的數(shù)值。這主要是因?yàn)榍邢鲄^(qū)材料同時(shí)承受因擠壓變形帶來(lái)的壓應(yīng)力和因切削熱帶來(lái)的拉應(yīng)力的共同作用，而擠壓變形作用相對(duì)更大，所以加工表面呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。隨著切削速度的增大，因擠壓變形相比切削溫度升高帶來(lái)的影響更加顯著，因此表面殘余壓應(yīng)力幅值亦隨之增大。而在150m/min切削速度下出現(xiàn)了輕微顫振，因此周向殘余應(yīng)力幅值大于200m/min速度下的幅值。

2.2 進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

圖3為切削速度為200m/min、切削深度為0.03mm時(shí)進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響。從圖3可見(jiàn)，不同進(jìn)給量下的周向和軸向殘余應(yīng)力幅值同樣表現(xiàn)為先增大再減小進(jìn)而趨于穩(wěn)定的分布狀態(tài)，周向和軸向最大殘余應(yīng)力幅值亦主要出現(xiàn)在表面層下5～10μm處。此外，周向和軸向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且應(yīng)力幅值隨著進(jìn)給量的增大而增大。這是因?yàn)榈毒邤D壓變形帶來(lái)的壓應(yīng)力增量大于熱應(yīng)力帶來(lái)的拉應(yīng)力增量，并且進(jìn)給量的增大加大了刀具-切屑之間的接觸面積，散熱條件變差，刀具擠壓變形增多，因此最大殘余應(yīng)力幅值逐漸增大。

圖3 進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

2.3 切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

圖4為切削速度為200m/min、進(jìn)給量為0.05mm/r時(shí)，切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響。可以發(fā)現(xiàn)不同切削深度下的表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，同樣表現(xiàn)為先增大再減小進(jìn)而趨于穩(wěn)定的分布狀態(tài)。除個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，周向和軸向最大殘余應(yīng)力幅值亦主要出現(xiàn)在表面層下5～10μm處。當(dāng)切削深度增大時(shí)，周向最大殘余應(yīng)力幅值隨之升高，而軸向最大殘余應(yīng)力增幅較小。這主要是因?yàn)榍邢魃疃茸兇髸?huì)使刀具對(duì)加工工件的擠壓作用變大、單位時(shí)間內(nèi)生熱變多，同時(shí)刀具-切屑之間接觸面積變大，使得散熱條件改善，從而降低了切削熱引起的拉應(yīng)力，并且切削時(shí)切削深度的增大在工件的周向上帶來(lái)更大的作用。綜合上述作用最大殘余壓應(yīng)力幅值隨之升高，且周向最大殘余壓應(yīng)力幅值變化明顯。

圖4 切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展了CVD金剛石刀具低溫硬車(chē)削GCr15軸承鋼的試驗(yàn)，對(duì)切削速度、進(jìn)給量和切削深度與周向和軸向殘余應(yīng)力之間的影響關(guān)系進(jìn)行分析，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)得到結(jié)論如下：

1)GCr15軸承鋼的加工表面殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力；殘余應(yīng)力幅值沿表面層深度方向呈先增大再減小進(jìn)而趨于穩(wěn)定的分布狀態(tài)，最大殘余應(yīng)力幅值主要出現(xiàn)在表面層下5～10μm處；最大周向殘余應(yīng)力幅值略大于最大軸向殘余應(yīng)力幅值。

2)當(dāng)切削速度和進(jìn)給量增大時(shí)，周向和軸向最大殘余應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)出隨之增大的趨勢(shì)；而當(dāng)切削深度增加時(shí)，周向最大殘余應(yīng)力幅值隨之增大，但軸向最大殘余應(yīng)力幅值呈無(wú)明顯變化趨勢(shì)。