高速干车削300M钢表面粗糙度及残余应力研究*

司马中文，郑光明，房友飞,2

(1.山东理工大学 机械工程学院, 山东 淄博 255049；2.山东博润工业技术股份有限公司, 山东 淄博 255000)

高速干车削300M钢表面粗糙度及残余应力研究*

司马中文1，郑光明1，房友飞1,2

(1.山东理工大学 机械工程学院, 山东 淄博 255049；2.山东博润工业技术股份有限公司, 山东 淄博 255000)

针对高强度钢300M在高速切削时加工质量不稳定的切削特点，对其进行高速干车削试验，研究切削参数对加工表面粗糙度和残余应力的影响，结果表明：进给量对加工表面粗糙度Ra的影响最大，且随着进给的增加，加工表面残留材料高度差变大，加工质量变差；加工表面进给和切削方向的残余应力均为压应力，切削速度和切削深度对残余应力的影响较大；在vc=300～400 m/min、f=0.15～0.20 mm/r、ap=0.10～0.15mm的切削条件加工时，可以获得较低的加工表面粗糙度和较大的表面残余压应力。文中的研究对高强度钢类难加工材料的加工工艺优化及高可靠性起落架零部件的制造具有理论指导意义。

加工表面粗糙度；残余应力；涂层刀具；干车削

0 引言

高强度合金钢具有优良的力学性能，尤其是超高的强度，使其在飞机、汽车、轮船等的关键承力零部件上被广泛应用，故高强钢的加工质量对整机的使用性能和安全性能产生重要的影响，但这种材料在高速加工时表现出刀具磨损严重、加工质量难以保证等特点，属于典型难加工材料[1-2]。随着我国航空航天、汽车工业的发展，对这类零部件加工的效率、可靠性要求不断提高，如何获得高质量的加工表面成为亟待解决的问题。

在高速加工高强度钢AISI 4340时发现采用低进给和高切削速度可以获得较小的残余拉应力[3]，且随着进给量的增加，表面粗糙度变大。根据方差分析和建立回归模型的研究结果，得出进给量对加工表面粗糙度影响最大的结论[4]。在进行硬车削AISI H11钢的试验研究时发现，如果降低进给量和增加切削速度可以显著提高加工表面质量[5]。

高强钢在高速干铣削时[6]，由于切削力及切削热引起的金相组织变化，导致加工表面产生残余压应力，且随着切削速度的增加，残余压应力增大，影响深度也增大。在对模具钢的硬态切削时研究发现[7-8]，采用面粗糙度来表征表面形貌更为合理，在刀具磨损初期阶段表面粗糙度变化较大，而在稳定磨损阶段保持稳定；模具钢加工表面残余应力以压应力为主，沿层深方向应力呈“勺”形分布规律。研究还发现，工件表面残余应力具有一定的离散性[9]，精加工表面的残余应力离散程度较小。当加工表面残余压应力曲线面积越大、离散度越低，疲劳寿命越长[10]。而通过优化切削参数降低5.5%的表面粗糙度Ra，可以提高18.8%的耐腐蚀性[11]。

课题组在进行高速切削高强钢有限元仿真及刀具磨损机理的研究的基础上[12-13]，继续对工件加工表面完整性进行分析，本文主要研究加工工艺参数对加工表面粗糙度和残余应力的影响，优化工艺参数，为高效高质量加工高强钢提供试验依据。

1 实验材料与方法

1.1 工件材料

工件材料为超高强度合金钢300M(40CrNi2SiMoVA)。工件材料硬度为47HRC，表1和表2分别为300M的主要成分和主要机械性能[14]。初始工件尺寸为阶梯棒料一端长度为200mm、直径100mm，另一端长度为100mm、直径70mm。

1.2 刀具材料

选用商用硬质合金涂层刀具，由美国Kennametal生产，涂层为CVD TiCN/Al2O3厚涂层。选用的刀片型号为SNMG120408FN，刀尖圆弧半径rε=0.8mm，车刀杆型号MSSNR2020K12，车削时刀具几何参数分别为：主偏角κr=45°，刃倾角λs=0°，前角γo=6°，后角αo=-6°。

1.3 实验方法

高速车削试验在CKD6136i型数控车床(主轴最大转速6000 r/min)上进行，试验条件为干切削，切削参数如表3所示。本文所述的加工表面粗糙度值和残余应力值是在刀具稳定磨损阶段的测量结果(后刀面磨损量VB= 0.1～0.2 mm时)。采用USB200型数码工具显微镜和CS-3200型便捷式粗糙度仪测量刀具后刀面磨损量及工件加工表面粗糙度。

试验结束后，借助线切割制备试样，如图1所示为加工表面形貌及应力测试试样制备示意图，分别在Wyko NT9300型光学轮廓仪和Xsress 3000型X射线应力分析仪上进行加工表面形貌、残余应力的测试。

光学轮廓仪测试加工表面形貌时选择放大倍数10，检测区域为624μm×467μm。X射线应力分析仪测试残余应力时采用直径2mm的准直管，铬靶，Kα辐射线。衍射晶面为(211)面，2θ=156.4°，曝光时间为5s。测试前用无应力铁粉进行校正。

表1 300M钢的主要成分 (质量百分比%)

表2 300M钢的主要机械性能

表3 切削参数

图1 加工表面形貌及应力测试试样制备示意图

2 实验结果及分析

2.1 加工表面粗糙度

国内外学者对表面粗糙度理论模型进行了较深入的研究，其中在车削条件下，建立了进给量f和刀尖圆弧半径rε与表面粗糙度Ra的理论模型，如式(1)所示[15]：

(1)

由上式可见，减小f或增加rε，将获得较小的Ra值，尤其是f对Ra的影响最大。故在进行精加工时，建议采用较小进给和较大的刀尖圆弧半径。

图2所示为切削参数对加工表面粗糙度Ra的影响。由图可见，在切削稳定阶段，随着切削速度、进给量和切削深度的增加，加工表面粗糙度Ra有增加的趋势，其中进给量对Ra的影响最大，这与公式(1)的分析结果相一致。而切削速度和切削深度的增加，主要是金属去除率增加，单位时间内切削力和切削温度升高，增大了工件材料塑性变形，导致加工表面粗糙度Ra增加。

采用光学轮廓仪观察加工表面三维形貌，采样区域为624μm×467μm，图3所示为不同进给量切削时加工表面的三维形貌图。由图可见明显的刀痕和高低起伏的残留材料，形成了已加工表面。在相同区域范围内，随着进给量的增加，刀痕数减少，但是残留高度增加，致使Ra值变大。

由此可见，在vc=300～400 m/min，f=0.10～0.20 mm/r，ap=0.10～0.20 mm的条件切削，可以获得较低的加工表面粗糙度。

(a) f=0.15 mm/r, ap=0.15 mm

(b) vc=500 m/min, ap=0.15 mm

(c) vc=500 m/min, f=0.15 mm/r图2 切削参数对加工表面粗糙度Ra的影响

(a) f=0.10 mm/r

(b) f=0.20 mm/r

(c) f=0.25 mm/r图3 加工表面三维形貌(vc=500 m/min, ap=0.15 mm)

2.2 加工表面残余应力

图4所示为切削参数对加工表面残余应力的影响。进给方向指的是沿轴线方向，切削方向为加工表面沿圆周的切线方向(图1)。进给方向上的残余应力范围在-424.6～-33.6MPa之间，切削方向上的残余应力变化范围在-854.4～-219.4MPa。可见进给和切削方向的残余应力均为压应力，且切削方向的应力绝对值较大。

在高速干车削高强钢时，工件表面形成塑性变形应力场和温度场，在高温和挤压作用下晶粒被拉长，工件内部材料不能伸长，导致加工表面形成压应力。切削方向的力为主切削力，切削分力值较大，导致材料变形加大，从而获得较大的残余应力值。

刀具在切削初期会导致加工表面残余应力较大的变化[8]，但到了稳定磨损阶段，由于刀具本身磨损率的减小，切削力比较稳定，致使残余应力变化也较小(图4)。随着切削速度的增加，传送到工件上的热量增加，同时刀-工间的摩擦加剧，致使切削温度升高，热应力发挥主要作用，表面形成拉应力的趋势增加，故残余压应力有减小的趋势(图4a)。随着进给量的增加，热源的移动速度变大，热传散时间缩短，传递给工件的热量减小，机械应力作用增强，应力分布层加深，故表面残余应力减小，压应力值增加(图4b)。在本实验条件下，切削深度的变化导致机械应力和热应力同时发挥作用，致使残余应力呈波动变化，在ap=0.20mm时，获得较大的残余应力值(图4c)。切削速度和切削深度对残余应力的大小影响较大，在低速和高进给条件下，可以获得高的残余压应力。

由此可见，在vc=300～400 m/min，f=0.15～0.25 mm/r，ap=0.10～0.15 mm的条件切削，可以获得较高的表面残余压应力。

(a) f=0.15 mm/r, ap=0.15 mm

(b) vc=500 m/min, ap=0.15 mm

(c) vc=500 m/min, f=0.15 mm/r图4 切削参数对加工表面残余应力的影响

3 结论

本文通过高速干车削300M钢，研究了切削参数对加工表面粗糙度及表面残余应力的影响，并优化了切削参数，主要结论如下：

(1)随着切削速度、进给量和切削深度的增加，表面粗糙度Ra值增加，且进给量的影响最大。

(2)加工表面的进给和切削方向均为残余压应力，且切削方向的压应力值较大。切削速度和切削深度对残余应力的影响较大。

(3)较低的加工表面粗糙度和较高的表面残余压应力可在vc=300～400 m/min、f=0.15～0.20 mm/r、ap=0.10～0.15 mm的切削条件下获得。

(4)本文的研究结果可望在加工表面质量预测、高强钢类难加工材料的切削加工性研究等方面起着积极的作用。下一步将对加工表面深度方向的残余应力进行分析。

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SurfaceRoughnessandResidualStressinHigh-speedDryTurningof300MSteel

SIMA Zhong-wen1，ZHENG Guang-ming1，FANG You-fei1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China;2. Shandong Borun Process Industrial Technology Co., Ltd., Zibo Shandong 255000,China)

According to the instability in machined quality during high-speed cutting of high-strength steel 300M, a series of experiments on high-speed dry turning of 300M are carried out. Effect of cutting parameters on machined surface roughness and residual stress is investigated. The result shows that the feed rate has the greatest influence on the machined surface roughnessRa. The residual material height difference becomes larger with the increase in feed rate, which lead to the poor machined surface quality. The machined surface compressive stresses are obtained in the feed direction and the cutting direction. The influence of cutting speed and depth of cut is greater. The lower machined surface roughness and higher surface residual compressive stress can be obtained atvc=300～400 m/min,f=0.15～0.20 mm/r andap=0.10～0.15 mm. The research of this paper has theoretical significance on optimization of cutting technology for high-strength steels and manufacturing of high-reliability landing gear parts.

surface roughness; residual stress; coated tool; dry turning

TH161;TG712

A

1001-2265(2017)12-0121-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.030

2017-08-03；

2017-08-23

国家自然科学基金(51505264)

司马中文(1971—)，女，山东兰陵人，山东理工大学副教授，硕士，研究方向为高速切削加工工艺研究，(E-mail)smzw0827@163.com；通讯作者：郑光明(1986—)，男，山东费县人，山东理工大学讲师，博士，研究方向为高速高效加工及表面完整性研究，(E-mail)zhengguangming@sdut.edu.cn。

(编辑李秀敏)