預置表面織構對硬態切削加工的影響分析

趙昌龍，馬晨，馬振榮，楊俊寶，李明

(長春大學機械與車輛工程學院，吉林長春 130022)

0 前言

由于淬硬鋼具有強度較高及耐磨性較好等特點，主要應用于軸承、模具、汽車等領域，但該材料加工比較困難，淬火后的淬硬鋼硬度可以達到520～840 HV。淬硬鋼在進行普通切削時，刀具與工件之間的切削力較大，切削熱不能及時排出，使刀具切削溫度升高，加劇刀具磨損，刀具使用壽命降低，致使人們對經濟又高效的加工淬硬鋼的方法有迫切需求。REDDY等采用硬質合金刀對淬硬H13鋼進行硬態切削加工，驗證切削深度、切削速度、進給量三因素對切削力的影響關系。CHOU等采用立方氮化硼刀具硬態切削AISI5時，通過減小切削深度來提高工件表面光潔度。BOING等采用涂層硬質合金、混合陶瓷以及聚晶立方氮化硼刀具對AISI52100鋼進行硬態切削加工，驗證刀具磨損在不同切削速度下的影響，發現切削速度為120 m/min時聚晶立方氮化硼刀具磨損率最低，涂層硬質合金刀具在150 m/min的切削速度下磨損率最低，切削速度為187.5 m/min時混合陶瓷刀具磨損率最低。目前硬態切削過程中存在切削力較大、刀具磨損嚴重等問題，所以出現各種輔助切削加工方法。例如激光加熱輔助切削、超聲振動輔助切削等，將傳統的切削技術和輔助加工技術相結合，使刀具切削力降低，進而提高刀具使用壽命，但新型輔助加工技術成本較高且存在一定的弊端。周柏健等提出，超聲振動輔助切削方法相比較傳統切削方法雖然減小了切削力，但是對于切削過程中的棱邊缺陷或毛刺和表面缺陷的控制、解決還沒有完善的方法。此外，柏占偉提出，當正確選用激光參數以及切削用量可以使切削力降低，減小刀具磨損，但是該方法成本較高，需要將激光器合理地放置在機床上面。

本文作者將硬態切削加工與電火花穿孔技術相結合，利用電火花穿孔技術預置工件表面織構，硬態切削加工工件，進行預置織構與無織構的對照切削試驗，驗證工件表面預置織構的有效性，結果表明能夠使切削力降低，刀具損耗減少，刀具壽命提高。

1 無織構GCr15淬硬鋼切削仿真及分析

1.1 仿真模型及材料選取

切削仿真選取淬硬GCr15軸承鋼作為工件材料，該材料硬度高且均勻，具有較好的耐磨性和抗疲勞強度。切削仿真工件尺寸設定：直徑=10 mm；高=5 mm。

淬硬GCr15軸承鋼的特征性能如表1所示，Johnson-Cook本構關系及參數如表2所示。

表1 GCr15軸承鋼特征性能

表2 GCr15軸承鋼材料Johnson-Cook本構關系及參數

切削仿真選取立方氮化硼(CBN)作為刀具材料，設定仿真刀具形狀為方形，橫向前角為5°，縱向前角為6°，刃傾角為6°，后角為5°。對其進行三維外圓切削仿真，網格劃分如圖1所示。

圖1 模型網格劃分及接觸設置

1.2 設計正交切削仿真試驗方案

正交切削試驗因素水平表如表3所示，其中切削深度、切削速度、進給量為試驗因素，每個試驗因素包含四個水平，共16組試驗。

表3 正交切削試驗因素水平

1.3 信噪比分析法

信噪比是指系統中信號與噪聲的比值，信噪比值越大，表明信號越強，文中通過信噪比值選取最佳切削參數。信噪比計算公式如下：

式中：為切削力；為試驗次數。

1.4 仿真結果與分析

根據正交試驗方案，切削仿真得到如表4所示的切削力數據及信噪比值。

表4 仿真切削力數據及信噪比值

采用極差分析法分析信噪比，通過計算得出值，得到極差。表5為極差分析結果。

表5 極差分析結果

觀察表4和表5得出結論：在切削深度因素下，-229.97為信噪比最大值，-188.72為信噪比最小值，為41.25，即最優水平為A3，=300 μm；在切削速度因素下，-215.54為信噪比最大值，-189.45為信噪比最小值，為26.09，即最優水平為B1，=8 500 mm/min；在進給量因素下，-223.83為信噪比最大值，-183.03為信噪比最小值，為40.8，即最優水平為C2，=100 μm/r。硬態切削過程中，三因素對切削力影響程度關系：<<。

將第二組切削仿真每一時刻的切削力導出得到如圖2所示的切削力曲線，對最初的切削力曲線進行曲線擬合，結果如圖3所示。對第二組仿真切削力數據進行數據處理，得出第二組硬態切削仿真的切削力平均值為83.67 N。

圖2 切削力曲線

圖3 切削力擬合曲線

采用方差分析法對切削仿真得到的切削力數據進行處理，表6為處理后方差分析結果。選取合適值，對比分布表，查得值，比較方差法處理后值與值的大小。若>，說明該因素在顯著性水平條件下是顯著的，反之，則不顯著。選取=0.05、=4.76,觀察表6得出，<<<，由此得出三因素對切削力影響程度關系：<<。另外，三因素對切削力影響的貢獻率大小關系：(13.92%)<(36.31%)<(40.59%)。

表6 仿真切削力數據及信噪比分析結果

2 無織構切削試驗設計與分析

正交切削試驗方案與仿真方案設置一致，具體參數參考表1。

2.1 無織構Gcr15淬硬鋼正交切削試驗

2.1.1 試驗設備

此次切削試驗選用由瑞士KISTLER數據采集器5697A、KISTLER 5070A10000多通道電荷放大器、KISTLER多分量測力計9257B及計算機輔助系統組成的切削力測量系統。圖4為切削力采集系統實物。

圖4 切削力采集裝置

2.1.2 試驗工件及刀具

硬態切削加工工件為淬硬GCr15軸承鋼(0.6 cm×2 cm)。在試驗開始前，對工件進行熱處理，使用顯微硬度儀測量工件，硬度達到660～760 HV之間。試驗刀具選用CBN刀具，使用牌號YBC25、刀桿型號MCLNR2525M12的CNMG120408刀片。

2.2 切削試驗結果分析

表7為切削試驗所得的切削力數據及信噪比值。觀察表7，正交切削試驗中，第7組硬態切削試驗得到最大切削力1 089.66 N，信噪比值-60.75，切削條件：=400 μm、=9 400 mm/min、=150 μm/r；第2組硬態切削試驗得到最小切削力84.26 N，信噪比值-38.51，切削條件：=200 μm、=8 500 mm/min、=100 μm/r。

表7 切削力數據及信噪比分析結果

采用極差分析法對硬態切削試驗得到的切削力數據進行分析，得到表8。觀察表8，切削深度因素下信噪比值最大為-231.692，最小為-192.088，為39.684，即最優水平為A3，=300 μm；切削速度因素下信噪比值最大為-215.128，最小為-190.338，為24.790，即最優水平為B1，=8 500 mm/min；進給量因素下信噪比值最大為-222.972，最小為-183.840，為39.132，即最優水平為C2，=100 μm/r。

表8 切削力數據極差分析結果

由上述分析可知:第二組硬態切削試驗=300 μm、=8 500 mm/min、=100 μm/r為最佳切削參數組合。最佳切削參數組合下得到的切削力曲線如圖5所示。對第二組切削力試驗數據進行處理，得出第二組硬態切削試驗的切削力平均值為71.48 N。綜上，對切削力的影響程度:<<。

圖5 試驗切削力曲線(ap=300 μm、v=8 500 mm/min、f=100 μm/r)

利用方差分析法對切削力數據進行處理，得到如表9所示結果。三因素對切削力影響的貢獻率大小關系：(40.19%)>(33.33%)>(12.63%)。

表9 切削力數據及信噪比分析結果

對比仿真數據和試驗數據，仿真數據與試驗數據存在微小誤差，但結果趨于一致，進一步驗證仿真模擬對于參數優化的可行性。

3 預置表面織構加工試驗

試驗中采用電火花對表面織構進行加工，試驗儀器參數如表10所示。

表10 電火花試驗儀器參數

電火花加工對象為GCr15淬硬軸承鋼(0.6 cm×2 cm)，織構之間有30°周向夾角，5 mm軸向間距，圖6為電火花加工場景。測量電火花加工后的表面織構，測量場景見圖7。圖8、9為凹坑織構圖像層和凹坑織構深徑曲線，可知單個凹坑深度最深為130 μm。

圖6 電火花加工場景 圖7 凹坑織構測量場景

圖8 單個凹坑織構圖像層 圖9 凹坑織構深徑曲線

4 基于表面織構的GCr15淬硬鋼切削結果分析

4.1 切削力結果分析

綜合切削仿真及試驗數據，可以得出=300 μm、=8 500 mm/min、=100 μm/r為此次切削試驗的最佳參數組合，71.48 N是在最佳參數組合下獲得的最小切削力。選用CBN刀具在最佳切削參數組合下對預置表面織構的工件進行硬態切削，得到的切削力曲線如圖10所示。對切削力數據進行處理，得到預置表面織構硬態切削試驗的平均切削力為44.64 N，較無織構情況下減小了26.84 N，降低了約37.55%。

圖10 預置表面織構的切削力曲線(ap=300 μm、v=8 500 mm/min、f=100 μm/r)

4.2 刀具磨損結果分析

用相同型號刀具對無織構及預置織構的工件進行同等定量切削加工，刀具編號分別為a、b。分別觀測刀具前、后刀面，圖11—圖18為刀具前、后刀面的觀測結果。

圖11 a刀前刀面3D形貌 圖12 a刀前刀面等高線

圖13 a刀后刀面3D形貌 圖14 a刀后刀面等高線

圖15 b刀前刀面3D形貌 圖16 b刀前刀面等高線

圖17 b刀后刀面3D形貌 圖18 b刀后刀面等高線

對a、b刀具的前、后刀面磨損情況進行對比分析：觀察圖11、15和圖13、17，a刀具前、后刀面磨損面積大且磨損位置呈不規則分布，b刀具前、后刀面磨損面積小且磨損位置集中在刃口附近；觀察圖12、16和圖14、17可以看出：a刀具前刀面等高線最大值為203 nm，后刀面等高線最大值為195 nm，b刀具等高線最大值為181 nm，后刀面等高線最大值為202 nm。b刀具前、后刀面磨損量及磨損面積均小于a刀具，雖然b刀具后刀面等高線值大于a刀具，但是兩者之間相差較小。

綜上所述，由于CBN刀具屬于超硬刀，硬度達到7 300～9 000 HV，硬態切削過程中切削力過大，加劇刀具磨損；由于其散熱能力較差，導致刀具溫度較高，在高溫高壓下導致刀具氧化，磨損形式表現為黏結擴散磨損。由前文分析可知，表面預置織構能夠有效抑制較大切削力的產生，且預置織構導致切屑層變薄更利于散熱，降低刀具在切削時的溫度，從而減小刀具磨損。

5 結論

將切削仿真與硬態切削試驗相結合，通過控制變量法確定對切削力影響程度最大的因素；對照仿真切削力數據和試驗切削力數據，得出最佳切削參數組合。在最佳切削參數組合下，對比有無織構切削力數據，并對刀具前、后刀面磨損進行分析。主要結論如下：

(1)對GCr15軸承鋼進行硬態切削，測量硬態切削過程中刀具產生的切削力，對比切削仿真和試驗數據，將多種分析方法相結合，共同確定=300 μm、=8 500 mm/min、=100 μm/r為最佳切削參數組合。并得出三因素最切削力影響程度關系：<<,71.48 N是在此最佳參數組合下得到的切削力最小值。

(2)工件表面預置織構由電火花技術完成，在最佳切削參數組合下得到的最小切削力為44.64 N，與無織構切削試驗獲得的最小切削力71.48 N對比，降低了約37.55%。

(3)通過對無織構及預置織構的工件進行同等定量切削加工，觀測刀具前、后刀面磨損情況，得出預置表面織構的加工方法可以有效降低刀具磨損程度的結論。