高壓射流對42CrMo鋼車削斷屑性能的實驗研究

于振鵬,馬寶坤,李明輝,劉戰強,劉安南,趙金富,王兵,蔡玉奎,宋清華

1中國重汽集團濟南動力有限公司;2山東大學機械工程學院

1 引言

42CrMo鋼是一種具有較高強度和韌性以及良好淬透性和低溫沖擊韌性[1]的中低碳合金結構鋼,調質處理后有較高的疲勞極限。在汽車行業常被用于制造高強度、斷面尺寸較大的重要零件,如發動機氣缸、汽車轉向節、轉向臂、曲軸和前橋等[2]。

切屑的周期性斷裂有利于切削過程的穩定進行,確保了自動化加工系統中切屑的高效去除,從而實現高效高質加工。帶狀、螺旋狀連續切屑會流向并劃傷已加工表面,降低表面加工質量,增加廢品率。連續切屑在隨主軸轉動的過程中可能會發生纏繞,阻止切削液流向切削區域,造成切削溫度升高,同時操作者的安全存在隱患;嚴重的切屑纏繞會導致卡盤卡死,停機時間和切屑清理時間嚴重降低生產效率。為了實現持續的自動化生產,必須在加工過程中使切屑周期性斷裂。

1952年,Pigott R.J.S.等[3]開啟了高壓射流冷卻的研究工作,后續由Sharma C.S.等[4]、Nagpal B.K.等[5]、Mazurkiewicz M.等[6]、Kovacevic R.等[7]、Kanminski J.等[8]繼續進行研究。相比于切削液溢流冷卻,高壓流體能更有效地穿透切削區域,高效帶走切削區域的熱量,同時可將碎屑沖離切削位置,實現切屑的清理。在這種壓力下,冷卻潤滑介質在刀具和工件之間形成一個液壓楔,改變切屑流動和卷曲運動狀態,減小刀—屑接觸面積,改善刀—屑邊界摩擦條件。

Nandy A.K.等[9]對Ti-6Al-4V合金進行了切削實驗,研究對比切削液溢流冷卻和高壓射流冷卻在車削過程中的斷屑能力,并對切屑形狀、切削力、摩擦系數、刀—屑接觸長度、刀具壽命和加工表面質量進行對比。高壓射流冷卻過程中采用純油和水溶性油兩種液體介質,在切削過程中產生卷曲程度更大、長度更短的短螺旋切屑和C型碎屑,均優于切削液溢流冷卻工況下產生的帶狀切屑,展現了更好的斷屑能力。此外,水溶性油具有較低的濃度和更優的導熱性,相比純油可提供更大的動量,在高壓射流過程中具有更好的斷屑能力,且至少將刀具壽命提高250%。為了探究高壓射流技術在雙相不銹鋼X2CrNiMo22-5車削過程中的斷屑性能,Braham-Bouchnak T.等[10]在切屑形態、切削力、工件表面加工質量、刀具磨損、刀具壽命方面對高壓射流技術和切削液溢流冷卻進行比較。在干式切削和切削液溢流冷卻的工況下,切屑不發生斷裂;高壓射流冷卻設置兩組壓力值,射流壓力為250bar時,產生10mm的短螺旋切屑;射流壓力為300bar時,產生5mm的C型切屑。在可實現切屑破碎的前提下,測定最小射流壓力和切削速度、切削深度和進給量的可行范圍,對加工雙相不銹鋼材料具有指導意義。Dahlman P.等[11]針對脫碳鋼進行切削實驗,高壓射流技術可將長螺旋切屑破碎成短螺旋切屑或碎屑,比干切削具有明顯優勢;隨著進給速度的提高,高壓射流技術的斷屑優勢被逐漸削弱。Courbon C.等[12]在車削718合金時,采用高壓射流冷卻獲得了理想的斷屑效果,射流壓力的增加和射流功率的提高(在固定的壓力下增大噴嘴直徑)會顯著縮短切屑的尺寸。

吳明陽等[13]研究了高壓冷卻工況下切屑折斷機理,采用PCBN刀具對高溫合金進行車削實驗,建立切屑卷曲半徑預測模型和切屑斷裂模型為

(1)

(2)

(3)

式中,RC為切屑卷曲半徑;a0為切屑厚度;vc3為切屑下表面流出速度;vc2為切屑上表面流出速度;fcr為切屑折斷極限進給量;εB為切屑最大應變;Ch為切屑厚度比;κγ為刀具主偏角;a和KR為橫截面形狀系數;acp為切屑折斷極限背吃刀量。

相比于切削液溢流冷卻,高壓射流技術增大了切屑彎矩,有效減小切屑卷曲半徑,增大切屑彎曲應力,使切屑材料更快達到應力極限發生折斷,且切屑尺寸及切屑卷曲半徑隨射流壓力的增加而減小。Seid Ahmed Y.等[14]基于剪切平面理論建立的高壓射流冷卻加工時切屑上旋半徑的三維理論模型為

(4)

式中,tc為切屑厚度;εup為切屑上卷應變;M為對切屑根部位置的彎矩;Fn3為高壓流體豎直方向分力;δ為螺旋角。

在AISI 304的車削實驗中,高壓射流可提高絕熱剪切帶的出現頻率和金屬晶粒的伸長率,加劇材料的塑性變形,切屑分節現象更明顯,切屑更容易折斷。探究42CrMo材料車削過程中采用高壓射流輔助斷屑的可行性以及射流壓力對斷屑性能的影響,通過觀測切屑宏觀尺寸、切屑卷曲半徑、刀—屑接觸長度和切屑內表面微觀形貌來評估切屑的卷曲、流動和折斷狀態。

2 實驗設置

圖1為實驗所用設備及測量現場。采用寶雞CK6560A數控機床進行車削實驗,冷卻潤滑設備選用D30-200-1型高壓射流冷卻系統,切削液采用DX-1型乳化液,配合SANDVIK單噴頭內冷車刀桿實現前刀面位置的高壓射流冷卻。實驗選擇固定的切削工藝參數組合:切削速度為150r/min,進給速度為0.15mm/r,切削深度為0.5mm,單次切削長度為60mm;高壓射流設備設置四組壓力20bar,40bar,60bar,80bar,與之相對應的射流流量分別為5.6L/min,7.3L/min,9.8L/min,11.4L/min。

圖1 實驗設備及測量

工件材料為42CrMo鋼棒材,直徑為80mm,總長度為115mm。切削刀具選用邦普DNMG110408-FW硬質合金負型車刀片,覆有Al2O3-TiO2涂層、Al2O3涂層和TiN涂層。

切削過程中采用Kisteler Type 0129A測力儀實時測量切削力的變化狀態,收集并取樣鑲嵌切屑,通過Dino-lite手持式數碼顯微鏡測量切屑卷曲半徑;采用Keyence VK200激光共聚焦顯微鏡觀測刀—屑接觸長度和切屑內表面形貌,選取5個100μm×100μm的區域測量切屑內表面的粗糙度值。

3 實驗結果

3.1 切屑長度和卷曲半徑

如圖2所示,在切削液溢流冷卻的工況下產生了長螺旋切屑,平均長度為275mm,切屑卷曲半徑為1.817mm。高壓射流過程中切削液具有更大的動量,產生的附加彎矩促進了切屑的卷曲和折斷,將長螺旋切屑破碎成短螺旋切屑。隨著射流壓力的增加,切屑尺寸和切屑卷曲半徑均呈現減小的趨勢;射流壓力為20bar,40bar,60bar,80bar時,產生的螺旋狀切屑平均長度分別為190mm,105mm,90mm,32mm;切屑卷曲半徑分別為1.361mm,1.156mm,0.979mm,0.890mm。

圖2 切屑宏觀尺寸及卷曲半徑

3.2 刀—屑接觸長度

高壓流體在車削刀具前刀面和切屑內表面之間形成水楔,可促進切屑上卷,有效減小刀—屑接觸面積,降低刀具磨損量。如圖3所示,切削液溢流工況下的刀—屑接觸長度為145.774μm,前刀面斷屑結構中有刀—屑摩擦痕跡;高壓射流的工況下刀—屑接觸長度隨壓力的增加而逐漸減小,射流壓力為20bar,40bar,60bar,80bar時,刀—屑接觸長度為105.470μm,90.591μm,83.373μm,75.377μm。

圖3 刀—屑接觸長度

3.3 切屑內表面微觀形貌

切屑內表面的微觀形貌反映切削過程的穩定程度,圖4為不同流體壓力下的切屑內表面形貌。采用切削液溢流冷卻時,車削過程中產生連續長螺旋狀切屑并發生纏繞,纏繞的切屑隨主軸一起轉動,撞擊工件、刀具及卡盤產生劇烈振動;阻礙切削液噴射到切削位置,導致切削溫度升高,加劇刀具磨損,降低切屑內表面質量和加工表面質量,此時獲得的切屑內表面平均面粗糙度值最高(Sa=2.427μm)。

圖4 切屑內表面形貌

高壓射流工況下切屑內表面質量均有不同程度的改善,切屑內表面平均面粗糙度值并未隨射流壓力的增加而降低。射流壓力為40bar時獲得了平均面粗糙度值最低的切屑內表面(Sa=0.944μm);射流壓力為20bar,60bar,80bar時,切屑內表面平均面粗糙度分別為1.876μm,1.459μm和1.310μm。

3.4 切削力

相比于切削液溢流冷卻,采用高壓射流冷卻方式時,切削力有不同程度的減小;射流壓力為40bar時,切削力最小,合力為320.68N。高壓流體具有較大動量,促進切屑的卷曲與分離,可減小切削力,但過高的壓力會帶來附加力,導致切削力提高。如圖5所示,射流壓力從20bar提升到40bar時,切削力呈現下降趨勢;射流壓力從40bar提高到80bar的過程中,切削力呈上升趨勢。

圖5 三向切削力

4 結語

在42CrMo鋼的車削過程中,采用高壓射流技術可有效減小切屑尺寸,達到理想的斷屑效果并可將切屑沖離切削位置,使切削過程更加平穩。隨著射流壓力的增大,切屑宏觀尺寸、卷曲半徑和刀—屑接觸長度均減小;切削力和切屑內表面粗糙度值均呈現先減小后增大的趨勢,在射流壓力為40bar時,獲得最小的切削力和最優的切屑內表面質量。因此在車削42CrMo鋼時,可采用高壓射流技術輔助斷屑,且可增大射流壓力來增強斷屑效果,同時要考慮過高壓力的流體對切削質量帶來的負面影響。