新型低碳高硫易切鋼表面粗糙度的研究

王正智,　楊海東,　葉　錚,　陳鴻運,　丁　寧

(1.太平洋財產保險安徽分公司,安徽 六安　237000; 2.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥　230009)

新型低碳高硫易切鋼表面粗糙度的研究

王正智1,楊海東2,葉錚2,陳鴻運2,丁寧2

(1.太平洋財產保險安徽分公司,安徽 六安237000; 2.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥230009)

摘要:文章通過切削試驗對新型低碳高硫易切鋼的表面粗糙度進行了研究,分析了工件材料、進給量、刀尖圓弧半徑、切削速度對表面粗糙度的影響。研究結果表明:進給量和刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響較大,表面粗糙度隨著進給量的增大而明顯增加,隨著切削速度的提高而有所改善;易切鋼中O元素和S元素含量是影響表面粗糙度的主要因素,當O元素含量合適時可以改善工件材料基體中的硫化物形態,而硫化物在切削過程中可以起潤滑作用,從而改善表面質量。

關鍵詞:易切鋼;表面粗糙度;刀尖圓弧半徑;進給量;切削速度

0引言

近年來,由于低碳高硫易切鋼具有優異切削性能和無污染的特點[1-4],易切鋼材料的應用越來越廣泛。

易切鋼機械產品的可靠性和耐久性很大程度上取決于零件表面層的加工質量,而表面粗糙度又是表面層切削加工質量的重要衡量標準。所以,表面粗糙度的研究[5-8]對于改善工件表面加工質量具有重要的指導意義。

在切削加工過程中,諸多因素對表面粗糙度都有影響,如機床性能、切削加工環境(有無切削液)、加工刀具、材料自身屬性及切削參數等,但這些因素的影響程度又各不相同,對此,國內外的研究者進行了大量的研究[9-15]。

本文以切削試驗為基礎,選用新型低碳高硫易切鋼為工件材料,系統地研究了在精加工過程中工件材料、切削參數(進給量、切削速度)以及刀具幾何形狀(刀尖圓弧半徑)對工件表面粗糙度的影響。

1試驗設計

本試驗在CA6140車床上進行,采用干式切削。利用SRM-1表面粗糙度測量儀進行表面粗糙度測量,其他輔助工具還包括卡尺、秒表、轉速表等。

本試驗使用的2種工件材料為江蘇某鋼鐵研究院新研制的低碳高硫易切鋼,材料的化學成分和力學性能分別見表1、表2所列。工件為鍛壓材料毛坯件,試驗準備階段將其加工為直徑105 mm左右的棒料。刀具選用硬質合金可轉位刀片,其型號為YT15 31303C,刀柄型號為39W25G-3K13。刀具安裝角度見表3所列。

表1　2種新型易切鋼的化學成分　%

表2　2種新型易切鋼的力學性能

表3　試驗用刀具幾何參數

2試驗結果及分析

2.1工件材料對表面粗糙度的影響

為了研究工件材料對表面粗糙度的影響,選擇中低速切削和高速切削2種切削參數,得到的試驗結果見表4所列。其中，ap為切削深度；v為切削速度；f為進給量；Ra為表面粗糙度。由表4可知，工件B的表面粗糙度均小于工件A的表面粗糙度。

表4　切削試驗結果

文獻[1]認為,C元素質量分數為0.06%時可能導致鋼的韌性和塑性提高,使已加工的表面更容易產生毛刺和積屑瘤,惡化表面粗糙度。在本文中工件A和工件B的C元素質量分數分別為0.08%和0.05%,而試驗結果與文獻[1]的正好相反，其原因為工件B中O元素質量分數為0.013%,而研究表明[2]O元素質量分數在0.014%時可以改善硫化物的形狀,使其粒徑變大并且更接近于球狀，還可以降低鋼材的高溫變形能。不過氧含量過高時容易生成氧化物硬質點,在切削過程中加劇刀具磨損和工件表面磨粒摩擦,降低表面粗糙度。此外工件B與工件A相比,前者S元素質量分數為后者的1.2倍,而S化合物可以起到潤滑作用,更有利于降低已加工表面粗糙度。所以,本次試驗中O元素和S元素含量是影響表面粗糙度的主要因素,而C元素含量的影響有待進一步研究。

2.2進給量對表面粗糙度的影響

為了探究進給量對表面粗糙度的影響,在不改變其他因素的條件下,通過改變進給量的大小進行切削試驗。試驗條件如下:進給量f分別選取0.10、0.15、0.20 mm/r,切削速度v=200 m/min,切削深度ap=1.0 mm,刀尖圓弧半徑rε=0.3 mm。進給量對表面粗糙度的影響如圖1所示。由圖1可知,隨著進給量的增加,表面粗糙度值呈現上升趨勢。對比f=0.10 mm/r和f=0.20 mm/r的2種情況,表面粗糙度差別很大,從工件A和工件B的2種材料來看,表面粗糙度分別升高了1.25 μm和1.12 μm。

圖1　進給量對表面粗糙度的影響

進給量從如下2個方面影響了表面粗糙度:① 殘留面積是導致表面粗糙度的直接原因,而降低進給量,可以有效減小殘留面積的高度,改善表面粗糙度;② 在加工塑性材料時,積屑瘤和鱗刺是惡化表面粗糙度的重要因素,減小進給量,積屑瘤和鱗刺都得到了有效抑制,因此可以降低工件表面粗糙度。

2.3刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響

試驗參數設置如下:切削速度v=200 m/min,切削深度ap=1.0 mm,進給量f=0.10 mm/r,刀尖圓弧半徑rε分別選取0.3、0.5、0.8 mm。刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響如圖2所示。由圖2可知,隨著刀尖圓弧半徑的增加,2種工件的表面粗糙度都是先降低而后升高。

圖2　刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響

不同刀尖圓弧半徑下的殘留面積如圖3所示。由圖3可知,當進給量相等,刀尖圓弧半徑越大則殘留面積越小,圖中陰影區域即為殘留面積差;而表面粗糙度Ra值與殘留面積關系密切,殘留面積越小則表面粗糙度Ra值越小。由圖3還可以看出,隨著刀尖圓弧半徑的增加，表面粗糙度先降低然后又有所升高,其原因為:① 當刀尖圓弧半徑過大時,隨著刀具的實際工作主偏角減小,切削過程中徑向切削力增加,造成機床系統顫動加劇;隨著刀具和工件相對位置變化的振幅增加,切削深度不斷變化,導致表面粗糙度惡化;② 隨著徑向力增加,刀尖對切削層的擠壓作用加劇,從而更容易形成鱗刺,增大已加工表面的表面粗糙度。

圖3　不同刀尖圓弧半徑下殘留面積

為了進一步分析刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響,現利用2組單因素試驗加以探究。這2組試驗分別在進給量f為0.15 mm/r和0.20 mm/r的條件下進行,刀尖圓弧半徑rε取值仍為0.3、0.5、0.8 mm。試驗結果如圖4所示。由圖4可以看出,在不同的進給量下,刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響與前面分析相同,即隨著刀尖圓弧半徑的增大,表面粗糙度先減小而后升高或者幾乎保持不變,存在一個最佳值。由刀尖圓弧半徑單因素試驗可以得出,為了得到較好的表面粗糙度,刀尖圓弧半徑應該在0.5 mm左右選取。

圖4　不同進給量下刀尖圓弧半徑對表面粗糙度影響

2.4切削速度對表面粗糙度的影響

本次試驗中,進給量f=0.1 mm/r,切削深度ap=1.0 mm,刀尖圓弧半徑rε=0.3 mm。切削速度v分別取150、200、300 m/min進行試驗。切削速度對表面粗糙度的影響如圖5所示。

圖5　切削速度對表面粗糙度的影響

由圖5可以看出,在切削2種材料時,隨著切削速度的增加,表面粗糙度均下降明顯。原因為:切削低碳鋼等塑性材料在中低速切削的條件下,積屑瘤和鱗刺是表面粗糙度產生的重要原因,提高切削速度可以使積屑瘤和鱗刺減小甚至消失,因此可以降低表面粗糙度;而隨著切削速度的提高,產生的大部分切削熱被切屑帶走,傳遞到切削區表面的熱量并不多,切削區表面溫升不大,并且高的切削速度可以有效地降低切削過程中切屑和加工表面的塑性變形程度,使得表面缺陷減少,表面粗糙度降低。綜上所述可知,在規定的切削速度范圍內進行切削加工,應盡量提高切削速度來降低表面粗糙度。

3結論

(1) 根據切削速度單因素試驗結果可以得出,本文的2種易切鋼在精加工時,隨著切削速度的提高,加工表面粗糙度呈下降趨勢。

(2) 進給量對表面粗糙度的影響最明顯,隨著進給量從0.1 mm/r升高到0.2 mm/r時,表面粗糙度升高將近1.2 μm。

(3) 刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響并不是單調的,隨著刀尖圓弧半徑從0.3 mm增加到0.8 mm,工件表面粗糙度開始為下降趨勢,然后有所升高或基本保持不變。在刀尖圓弧半徑為0.5 mm附近可取到最佳表面粗糙度。

(4) 比較2種易切鋼,在相同的切削條件下,工件B的表面粗糙度明顯優于工件A。推斷O元素和S元素含量是影響表面粗糙度的主要因素,而C元素含量的影響有待進一步研究。

(5) 控制易切鋼材料中的O和S元素含量，刀尖圓弧半徑取在0.5 mm附近，選取低進給量和較高的切削速度，都有利于提高實際加工表面質量。

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(責任編輯胡亞敏)

On surface roughness of new low-carbon high-sulfur free-cutting steel

WANG Zheng-zhi1, YANG Hai-dong2, YE Zheng2, CHEN Hong-yun2, DING Ning2

(1.Anhui Branch of China Pacific Property Insurance Co.， Ltd., Lu’an 237000, China; 2.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:The influence of materials, feed rate, corner radius and cutting speed on the surface roughness of new low-carbon high-sulfur free-cutting steels was studied by the method of cutting test. The result shows that the surface roughness is greatly affected by feed rate and corner radius. The surface roughness increases with the increase of feed rate and decreases with the increase of cutting speed. O and S element content in the free-cutting steel is the main factor that influences the surface roughness. Suitable O element content can improve the form of sulfides, which can form lubricant zone during the machining and improve the surface roughness.

Key words:free-cutting steel; surface roughness; corner radius; feed rate; cutting speed

收稿日期：2015-02-09；修回日期：2015-04-08

基金項目：合肥工業大學產學研校企合作資助項目(W2014JSKF0698)

作者簡介：王正智(1969-),男,安徽六安人,太平洋財產保險安徽分公司工程師; 楊海東(1970-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.005

中圖分類號:TG711

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)05-0598-04