趙松濤，梁軍華

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽 618000）

涂層硬質(zhì)合金刀具車削42CrMo鋼切屑試驗(yàn)研究*

趙松濤，梁軍華

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽 618000）

在單因素條件下進(jìn)行了車削42CrMo鋼試驗(yàn)，得到了切削用量改變對(duì)切屑的影響規(guī)律，分析了切削用量改變導(dǎo)致切屑變化的原因，試驗(yàn)結(jié)果表明：所得切屑均為螺旋卷曲帶狀切屑，切削速度vc對(duì)切屑螺旋卷曲半徑影響不明顯，對(duì)切屑鋸齒化影響較?。贿M(jìn)給量f對(duì)切屑螺旋卷曲半徑影響較大，對(duì)切屑鋸齒化影響不明顯；背吃刀量ap對(duì)切屑螺旋卷曲半徑及切屑鋸齒化影響都顯著。

車削；刀具幾何參數(shù)；切削速度；進(jìn)給量；背吃刀量；切屑

0 引言

切屑形成機(jī)理的研究既是切削機(jī)理研究的重要組成部分，也是切削機(jī)理研究的基礎(chǔ)。隨著切削用量的變化，切削溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變硬化將產(chǎn)生很大變化，這將引起切屑的斷裂應(yīng)變、極限應(yīng)力的變化。鋸齒狀切屑的形成幾乎影響到諸如切削力、切削溫度、刀具磨損和壽命以及已加工表面質(zhì)量等加工過程的很多方面。

當(dāng)前42CrMo鋼在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛，如機(jī)車后軸、牽引用的大齒輪、增壓器傳動(dòng)齒輪、受載荷極大的連桿及彈簧夾等。對(duì)42CrMo鋼在鑄造工藝［1］、摩擦磨損性能［2］、單程與往復(fù)磨削淬硬［3］及熱物理性能參數(shù)［4］等方面多有研究，但是對(duì)42CrMo鋼的切削機(jī)理的研究還不夠深入。為了在切削加工中對(duì)42CrMo鋼有效控制屑形，提高加工效率，改善加工表面質(zhì)量，有必要對(duì)42CrMo鋼金屬切削過程的一些基本理論進(jìn)行深入研究和探討［5-6］。

42CrMo鋼是一種中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度高、淬透性好，韌性好，淬火時(shí)變形小，調(diào)質(zhì)后綜合力學(xué)性能好，高溫時(shí)有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。用于制造要求較35CrMo鋼強(qiáng)度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的零件，由于金屬切削過程是在高溫、高壓、高速下進(jìn)行，因此切屑的形成機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，不利的切屑將嚴(yán)重影響操作安全、刀具壽命、機(jī)床精度及生產(chǎn)效率。切屑能反映切削過程中的摩擦狀況，而這種摩擦狀況對(duì)切削過程中的切削力、切削溫度、工藝系統(tǒng)的振動(dòng)、刀具的磨損、積屑瘤和鱗刺的形成有很大的影響。由于材料的化學(xué)成分、微觀組織和力學(xué)性能不同，所得切屑也不相同。

1 試驗(yàn)條件

（1）車床：C620-1普通車床，1200r/min以下無極調(diào)速，如圖1所示。

（2）試驗(yàn)選用株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的YBC252涂層硬質(zhì)合金刀片，刀桿型號(hào)為MCLNR2525M12，刀具幾何參數(shù)詳見表1。

（3）工件材料：42CrMo鋼，規(guī)格：φ100 x 170mm；熱處理：調(diào)質(zhì)；表面硬度：HRC34-36。其化學(xué)成分與機(jī)械性能分別如表2、表3所示。

圖1 切屑試驗(yàn)實(shí)物圖

表1 試驗(yàn)用刀具幾何參數(shù)

表2 42CrM o鋼的主要化學(xué)成分/%

表3 調(diào)質(zhì)42CrM o鋼的主要機(jī)械性能

（4）切屑檢測設(shè)備：日本基恩士（KEYENCE）公司生產(chǎn)的KDYDNCD VHX-600D型超景深數(shù)碼顯微鏡，如圖2所示。

圖2 切屑檢測設(shè)備

（5）試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用單因素法對(duì)42CrMo鋼進(jìn)行干切削［7］，即在改變切削用量中某一參數(shù)的條件下，研究切削用量改變對(duì)切屑的影響規(guī)律。

2 理論分析

研究人員一致認(rèn)為切削過程主要是一個(gè)塑性變形過程，其涉及金屬物理、塑性理論等學(xué)科。常用的金屬變形區(qū)理論有金屬切削過程中滑移線和流線，如圖3所示。金屬產(chǎn)生塑性變形的基本機(jī)理是滑移，即滑移是金屬最主要的塑性變形方式；流線表示被切削金屬的某一點(diǎn)在切削過程中流動(dòng)的軌跡。由圖3可見，金屬變形區(qū)可大致分為三個(gè)變形區(qū)，這三個(gè)變形區(qū)匯集在切削刃附近，此處的應(yīng)力比較集中且復(fù)雜，金屬的被切削層就在此處與工件本體材料分離，大部分形成切屑［8］。

圖3 切削過程中的滑移線和流線示意圖

文獻(xiàn)［9］采用有限元分析方法對(duì)低碳鋼的直角自由切削過程進(jìn)行了三維顯式動(dòng)力分析，獲得了切屑中壓力、應(yīng)力的模擬分布圖，如圖4所示。從圖4中可知因壓力、應(yīng)力的不同分布引起切屑中最大變形的區(qū)域。

圖4 切削模擬過程中切屑中的壓力、最大主應(yīng)力的分布圖

切屑與前刀面間的摩擦不僅影響切屑在前刀面的流動(dòng)特性，而且對(duì)切屑與前刀面分離以后的螺旋卷曲半徑也有影響。切削過程中，切屑與前刀面間的摩擦狀況較復(fù)雜，當(dāng)摩擦系數(shù)較小且切削溫度較低時(shí)，刀-屑間表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦；而當(dāng)摩擦系數(shù)較大且切削溫度較高或刀-屑間接觸壓力很大時(shí)，刀-屑間摩擦是切屑與刀具黏結(jié)層上金屬之間的黏結(jié)摩擦［9］。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了分析的方便，下面提取幾個(gè)有代表性的切屑，參照文獻(xiàn)［10］的研究方法，研究切屑隨切削用量改變的變化規(guī)律。在下面的分析中，切屑的反面指切屑與刀具前刀面摩擦的那個(gè)面，其正面指反面相對(duì)的那個(gè)面。

3.1 切削速度對(duì)切屑的影響

在本組試驗(yàn)中，f=0.24 mm/r，ap=0.70mm，rε= 0.8mm，vc分別取145、160、175和190m/min，觀察切屑時(shí)數(shù)碼顯微鏡放大倍數(shù)為30倍（x30），切屑如圖5所示。

圖5 切削速度對(duì)切屑的影響

從圖5可看出，切削速度vc在145～190m/min范圍內(nèi)，所得切屑為螺旋卷曲帶狀切屑，切屑的內(nèi)表面光滑、外表面毛茸，這屬于典型的帶狀切屑；切屑的正面上都有許多剪切面條紋，而切屑反面則有許多劃痕。切屑螺旋卷曲半徑與間距均變化不大。

對(duì)于42CrMo材料來說，加工過程中切屑組織在力和熱產(chǎn)生的剪切力的作用下，在切屑的正面形成了許多纖維狀的條紋組織，這些纖維組織的方向是垂直于切屑邊界方向的。由于纖維組織具有很高的強(qiáng)度和足夠的韌性，使得切屑難于斷屑，從而形成較長的螺旋卷曲帶狀切屑。

對(duì)比圖5a和5d可知，圖5d中切屑的鋸齒化程度較圖5a中輕，說明隨切削速度提高，切削溫度升高，材料的流動(dòng)性越強(qiáng)，失效應(yīng)變就越高，切屑的鋸齒化程度減輕。這里也可看出，切削區(qū)域的溫度并非越低越好，只要控制合適范圍內(nèi)，溫度越高切屑的鋸齒化程度越小，對(duì)刀具的疲勞損傷也越小。

3.2 進(jìn)給量對(duì)切屑的影響

在本組試驗(yàn)中，vc=160 m/min，ap=0.70mm，rε= 0.8mm，f分別取0.20、0.22、0.26和0.28 mm/r，觀察切屑時(shí)數(shù)碼顯微鏡放大倍數(shù)為30倍（x 30），切屑如圖6所示。

圖6 進(jìn)給量對(duì)切屑的影響

隨著進(jìn)給量f在0.20～0.28mm/r范圍內(nèi)增加，主切削力緩慢增大，同時(shí)切削溫度緩慢升高，切屑邊沿上的折狀鋸齒變化不明顯，切屑的螺旋卷曲半徑也越小、螺旋卷曲間距越來越小，切屑正面的剪切條紋明顯增多，且不平整。說明隨進(jìn)給量增大，切削層金屬在第Ⅰ變形區(qū)的塑性變形變化較大，刀尖附近切削刃對(duì)切削層金屬的壓力大、應(yīng)力更集中；在第Ⅱ變形區(qū)切屑沿前刀面排出時(shí)受到前刀面的擠壓和摩擦也越大，刀-屑的接觸長度較小。

3.3 背吃刀量對(duì)切屑的影響

在本組試驗(yàn)中，vc=160 m/min，f=0.24 mm/r，rε=0.8mm，ap分別取0.50、0.60、0.80和0.90mm，觀察切屑時(shí)數(shù)碼顯微鏡放大倍數(shù)為30倍（x 30），切屑如圖7所示。

圖7 背吃刀量對(duì)切屑的影響

隨著背吃刀量ap在0.50～0.90mm范圍內(nèi)增加，主切削力較快增大，同時(shí)切削溫度升高，切屑鋸齒化程度增強(qiáng)，切屑卷曲特性增強(qiáng)、間距越來越大，切屑正面的剪切條紋明顯增多，且不平整。說明隨背吃刀量增大，切削層金屬在第Ⅰ變形區(qū)的塑性變形越來越大，刀尖附近切削刃對(duì)切削層金屬的壓力越大、應(yīng)力更集中；在第Ⅱ變形區(qū)切屑沿前刀面排出時(shí)受到前刀面的擠壓和摩擦也越大；切削溫度對(duì)切屑鋸齒化程度的影響較大。

4 結(jié)束語

在本文試驗(yàn)條件下，所得切屑均為螺旋卷曲帶狀切屑。切削速度vc在145～190m/min范圍內(nèi)增加，切屑螺旋卷曲半徑變化不明顯，切屑鋸齒化程度有所變化，切削溫度是引起切屑鋸齒化主要因素。

進(jìn)給量f在0.20～0.28mm/r范圍內(nèi)增加，切削力和應(yīng)力是引起切屑螺旋卷曲半徑主要因素，溫度升高對(duì)切屑鋸齒化的影響不明顯。背吃刀量ap在0.50～0.90mm范圍內(nèi)增加，切削力和應(yīng)力是引起切屑螺旋卷曲半徑主要因素，溫度升高對(duì)切屑鋸齒化的影響明顯。

［1］李永堂，齊會(huì)萍，李秋書，等.基于鑄輾復(fù)合成形的42CrMo鋼環(huán)坯鑄造工藝與試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（20）：49-54.

［2］秦芳誠，杜詩文，李永堂，等.基于鑄輾復(fù)合成形的42CrMo鋼環(huán)件摩擦磨損性能的試驗(yàn)研究［J］.熱加工工藝，2013，42（18）：76-80.

［3］劉克銘，馬壯，張連勇，等.42CrMo鋼單程與往復(fù)磨削淬硬試驗(yàn)研究［J］.熱加工工藝，2011，40（24）：206-208.

［4］李永堂，楊卿，齊會(huì)萍，等.基于鑄輾復(fù)合成形的鑄態(tài)42CrMo鋼熱物理性能參數(shù)的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（16）：77-82.

［5］吳申峰，張雪萍.淬硬軸承鋼鋸齒狀切屑形成機(jī)理［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45（1）：71-77，82.

［6］魏效玲，王劍鋒.基于DEFORM的刀具幾何參數(shù)與切削力關(guān)系的研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（11）：11-13，18.

［7］秦錄芳，孫濤.干切削技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013（4）：9-12，17.

［8］羅蒙.金屬切削過程中毛刺形成機(jī)理及控制方法的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

［9］郭建英.基于不同刀-屑摩擦模型的金屬切削過程動(dòng)力學(xué)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［10］葛春新.1000MW汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子輪槽加工表面質(zhì)量與工藝研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

（編輯 趙蓉）

Experiment Investigation of Chip During Turning 42CrMo Steels With Coated Cemented Carbide Cutting Tool

ZHAO Song-tao，LIANG Jun-hua
（Mechanical and Electrical Engineering Department，Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China）

Effect of cutting parameter on chip is investigated during turning 42CrMo Steels with coated cemented carbide cutting tool，the influence regularity of chip is obtained when cutting parameter is changing. The cause of chip between different cutting parameter is analyzed comparatively.The result of the experiments indicates that cutting speed impact on spiral radius of chip is much less apparent，and cutting speed has a little effect on serrated chip.Feed rate has a larger effect on spiral radius of chip，while the feed rate impact on serrated chip is not clear.Cutting depth has much larger effect on spiral radius of chip and serrated chip.

turning；tool geometric parameters；cutting speed；feed rate；cutting depth；chip

TH142；TG506

A

1001-2265（2015）10-0045-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.013

2015-03-25；

2015-05-04

德陽市2012年度重點(diǎn)科技計(jì)劃（科技支撐計(jì)劃、校市科技合作）項(xiàng)目（2012ZZ040-1）

趙松濤（1969—），男，四川德陽人，四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械加工技術(shù)，（E-mail）1416573264@qq.com。