超高强度钢切削研究*

□ 徐 瑾 □ 颜伏伍 □ 李 言 □ 祝 强 □ 杨振朝

1.西安理工大学 工程训练中心 西安 710048 2.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 武汉 430070 3.西安理工大学 机械与精密仪器学院 西安 710048 4.西安工业大学 机电工程学院 西安 710021

1 研究背景

超高强度钢具有高强度、高韧性、硬质点多、导热性差等特点,在飞机起落架、发动机、兵器装备等领域有广泛应用。超高强度钢属于难切削加工材料。目前,对高温合金、钛合金等难加工材料切削机理和工艺参数优化的研究较多[1-3],对超高强度钢的研究则多集中在材料成分设计、力学性能优化、热处理、焊接工艺等方面,对切削机理和工艺参数的研究比较少[4-5]。尤其是对于超高强度钢16Co14Ni10Cr2Mo,目前尚无系统完善的铣削参数数据库可供参考。笔者总结当前超高强度钢切削加工及切削机理的研究现状,展望未来超高强度钢切削加工技术的发展。

2 超高强度钢切削加工主要问题

超高强度钢具有高抗拉强度和硬度的特点,但也存在导热性差、切削加工时容易产生积屑瘤、切削阻抗和切削温度高、加工硬化显著、刀具磨损快等情况,给切削加工带来了较大难度。目前,切削加工过程中存在的主要问题有七方面[6-9]。

(1) 切削加工性差。超高强度钢中的强化相较多,含有弥散强化相,热强性能较高,切削加工性能差。

(2) 切削变形大。超高强度钢奥氏体相滑移系多,具有塑性变形能力,在高加工应力作用下会发生切削变形。

(3) 加工硬化严重。由于超高强度钢的塑性变形大,切削时晶格发生严重扭曲,产生高温和高应力,会使不稳定的奥氏体部分转变为马氏体,同时基体中存在弥散强化相和金属间化合物质点,这些因素导致材料具有严重的加工硬化倾向。

(4) 切削力大。切削时塑性变形和加工硬化大,切削阻抗大，切削力的变化极易引起振动,使切削超高强度钢时各向切削力均大于切削45号钢和不锈钢,且切削力的变化范围比切削普通合金钢大很多。

(5) 切削温度高。超高强度钢的强度高,切削时塑性变形大,消耗功率大,产生的热量也大,而材料自身的导热系数较小,切削热不易快速传导,导致切削温度高。

(6) 刀具磨损严重,使用寿命短。超高强度钢基体中存在硬质化合物,加工中极易造成磨料磨损。加工超高强度钢使用的硬质合金刀具材料和被加工材料自身的组成成分相近,亲和作用容易造成刀具材料粘结磨损。切削温度高,容易造成刀具材料扩散磨损,同时导致周围介质中的氧、氢、氮等元素进入刀具表面,生成相间脆性相,使刀具表面产生裂纹,刀具崩刃。

(7) 加工质量难以控制。超高强度钢在切削时塑性变形大,产生较大的切削阻力,切屑不容易从已加工表面剥离,由此造成加工表面质量难以控制。由于切削温度高,极易使工件产生热变形,因此加工精度难以控制。

3 超高强度钢切削加工影响因素

目前,人们对超高强度钢切削加工机理的研究主要集中在热处理工艺、力学性能、刀具和切削参数等对切削加工的影响方面[10-11]。

3.1 热处理工艺

厉勇等[12]对航空用高强韧性的二次硬化超高强度钢AF1410进行了高温轴向压缩试验,获得了高温流变曲线及变形后的显微组织。

赵振业[13]介绍了超高强度钢二次硬化现象的基本特征,以及合金碳化物M2C析出的热力学、晶体学、动力学等研究现状。在位错上单独形核、共格沉淀的介稳定相合金碳化物M2C是一种可用的强化相,合金碳化物M2C的形核驱动力和聚集抗力比其它稳定碳化物高,其中钴起到主要作用,钼有效增大了合金碳化物M2C的点阵参数和聚集抗力。

王六定等[14]分析了胞状亚结构对低合金超高强度结构钢韧性的影响机制。通过扫描电镜、透射电子显微镜及原子力显微镜分析,得出低合金超高强度结构钢由纳米尺度铁素体板条与膜状残余奥氏体组成。在回火过程中,铁素体板条内位错运动形成纳米尺寸的均匀胞状亚结构。多尺度、多层次与双相性的显微组织使低合金超高强度结构钢的抗拉强度、冲击韧性大幅度提高,达到了超高强度。

朱子新等[15]研究了300M超高强度钢热处理组织中残余奥氏体对冲击疲劳性能的影响,发现残余奥氏体是软相,使板条间易发生相对滑移,产生微裂纹。组织中残余奥氏体越多,冲击疲劳裂纹起始寿命就越短,裂纹扩展速率也就越快。

3.2 刀具参数

宋戈等[16]研究了涂层硬质合金刀具切削超高强度钢AF1410时的切削力和刀具寿命,分析了达到磨钝标准的硬质合金刀具前后刃面磨损形貌及刀具磨损机理,表明刀具寿命随铣削深度的增大和铣削速度的提高而线性缩短,随着每齿进给量和铣削宽度的增大,刀具寿命缩短趋势逐渐放缓,甚至略有延长。在刀具快速磨损阶段,前后刃面均发生刀具材料的严重剥离,同时粘结大量超高强度钢AF1410钢屑。刀具涂层失效的主要机理为磨粒磨损,刀具基体的主要失效机理为扩散磨损和粘结磨损。

刘维民等[17]研究了Al2O3基陶瓷刀具切削300M超高强度钢的刀具寿命经验公式,以及陶瓷刀具的损坏形态和磨损机理,分析了切削参数对刀具寿命的影响,确认粘结磨损和磨粒磨损是陶瓷刀具车削超高强度钢的主要磨损机理。

3.3 切削参数

刘维民等[17]采用Al2O3基陶瓷刀具切削300M超高强度钢,应用扫描电镜观察和能谱分析切削层组织,得出合理的切削参数范围。

肖继明等[18]采用麻花钻进行钻削试验,研究超高强度钢D406A的钻削性能。HSPl5含钴超硬高速钢麻花钻较适用于经热处理强化后的超高强度钢D406A的钻削加工,在钻头的几何参数和钻削用量选择合理,使用合适切削液的条件下,可以有效改善超高强度钢D406A的钻削性能。

赵凯等[19]研究了切削用量、刀具几何参数、工件材料、冷却、刀具材料和刀具磨损等切削条件对铣削力的影响,得出轴向和径向切削深度对铣削力影响最大,每齿进给量影响其次,切削速度影响最小。

庞俊忠等[20]采用涂层硬质合金刀具高速铣削淬硬45号钢和P20模具钢,得出材料硬度及切削速度对切削力有显著影响。

王素玉等[21]对模具钢3Cr2Mo进行铣削试验,建立铣削力预测模型,得到平头立铣刀和球头立铣刀高速铣削平面、曲面时的残留高度公式。

闫雪等[22]采用多因素正交试验方法对300M超高强度钢进行高速铣削,建立了切削力与铣削参数之间的经验模型,分析了切削参数对切削力的影响规律。

虽然很多国内外学者采用理论建模来研究切削力,但由于切削过程的复杂性,造成理论计算结果与实际值之间存在较大误差,所以,已有的理论计算结果的实用性不高。

4 切削机理及工艺参数优化

4.1 切削力模型

建立切削力的数学模型是切削力研究的理论基础。切削力是切削过程中的重要物理量,也是切削机理研究中一直关注的内容。金属切削加工时,切削力的主要来源包括两方面:材料弹性及塑性变形所产生的抗力,刀具、切屑与工件表面间的摩擦阻力。由于影响变形抗力和摩擦力大小的因素较多,包含工件的力学性能、微观组织、切削参数等,因此在理论上很难直接给出切削力的精确计算公式。

Yun等[23]通过测定切削过程中不同时刻的瞬态切削力数据,求出预测模型常量,建立了铣削力的三维模型。

Altintas[24]根据直角切削试验确定摩擦角、剪切角等参数,建立了斜角切削力学模型,以每齿进给量为自变量建立平均铣削力函数,截距为犁耕力分量,并采用槽铣试验获得变进给条件下的铣削力数据,建立了回归方程,求出铣削力因数。

Wei等[25]建立了球头铣削力模型,证明铣削力与切屑微元的弧长有关,提出了在球头铣刀螺旋线刃线几何模型的基础上建立铣削力模型的理论依据。

Moufki等[26]建立了热力耦合的斜角切削模型,考虑应变、应变率及温度变化对材料流动应力的影响,将刀具和切屑之间的摩擦力表示为温度的函数。

张二伟[27]采用钻削力数学模型对钻头集合角度影响钻削性能的规律进行了研究,提出了加工镍基高温合金GH4169和低合金超高强度钢D406A时适用的钻头几何角度及钻削用量。

Layegh等[28]在研究球头铣刀切削力时,将切削刃分为足够小的微单元,将微单元都近似为直边倾斜切削刃,使用正交切削理论计算出每个微单元上的切削力,并对各个微单元上的切削力求矢量和,得到了总切削力。

4.2 切削力

切削力是切削机理研究的关键问题之一,目前切削力的研究方法有经验法、解析法和有限元数值模拟法等。

经验法是一种比较常用的方法,应用统计学原理建立切削力与切削参数的函数关系,其中切削力由试验测得或由经验获得。经验法简单实用,但无法获得切削变形区内部规律,而且需要进行大量的试验或通过经验数据获取不同生产条件下的切削数据。

解析法应用剪切滑移理论,以材料分离、剪切区为研究对象,从几何和力学的角度建立切削力模型。解析法的特点是求解精确,并且能够分析材料分离过程的内在规律。

有限元数值模拟法对材料变形机理进行研究,应用有限元模拟切削过程,预测切削力、刀具应力、切削温度和切削过程中发生的变形等。

Yun等[23]在分析切削力时考虑了刀具转动对法向单位切削力因数的影响,Yoon等[29]考虑了不同接触角对单位切削力因数的影响,Omar等[30]考虑了刀具磨损和振动对切削力因数的影响。

曲中兴等[31]结合固体火箭发动机超高强度钢薄壁壳体的加工特点,提出通过夹具、装夹方式、刀具、切削用量进行综合控制,来减小切削力和控制薄壁零件的加工变形。

4.3 切削加工表面完整性

加工表面完整性直接关系到零部件的使用性能和寿命,加工表面完整性控制方法主要通过对工艺参数进行控制,达到控制加工表面完整性的目的。

Smith等[32]研究了高强度钢AISI52100车削加工中在不同表面状况下的加工表面完整性和疲劳寿命之间的关系,提出白层的存在对疲劳寿命并不是有害的,而且残余应力对疲劳寿命的影响比白层的影响大。车削加工可以形成残余压应力,由此延长了疲劳寿命。疲劳寿命和表面残余压应力成比例关系。

Schwach等[33]在车削条件下获得了加工表面完整性对滚动接触疲劳的影响,发现白层对滚动接触疲劳是有害的,没有白层的试件滚动接触疲劳寿命是有白层试件的6倍。加工中采用小的进给量和锋利的刀具,可以获得良好的加工表面完整性,从而获得最佳的疲劳寿命。

Agha等[34]研究了车削条件下高强度钢AISI52100的加工表面完整性,发现切削参数对加工表面完整性及疲劳寿命有重要影响。

Javidi等[35]研究了车削合金结构钢34CrNiMo6的切削参数、加工表面完整性和疲劳性能之间的关系,发现残余应力对疲劳寿命的影响比加工表面粗糙度对疲劳寿命的影响显著,而且随着残余压应力的增大,疲劳寿命延长。

5 当前研究遇到的主要问题

超高强度钢由于具有高强度、高硬度的特点,使切削加工过程难度大,刀具性能变化快,测试、分析和高精度模型的建立较为困难,严重影响了研究的进展。当前,研究遇到的主要问题有四方面。

(1) 缺乏超高强度钢的可加工性指标。目前,对于超高强度钢的力学性能指标,包括强度、塑性、疲劳性能等,有清晰的技术指标和评价方法,但是,尚不清楚超高强度钢的可加工性能与现有力学性能指标之间的关系,需要进一步确定超高强度钢关键性能指标与刀具性能、切削参数之间的关系,建立系统的框架理论模型。

(2) 尚不了解超高强度钢在高速切削加工中大应变速率高速切削变形和高速摩擦学行为所形成的热力耦合作用规律,需要进一步研究切削加工过程中力学、传热学行为与材料性能的关系。

(3) 尚不了解超高强度钢在不均匀强应力场作用下的刀具磨损与切屑变形规律,需要加强刀具与工件之间摩擦学行为的研究,加强对影响工件材料切削加工性的物理机械性能规律的研究。

(4) 需要建立超高强度钢切削参数选择的专家系统和数据库,以及有效的超高强度钢加工表面完整性控制理论和方法。

6 结束语

超高强度钢的切削加工仍是困扰工业和学术界的难题,已有研究实践主要集中在切削机理、刀具选择、工艺参数优化等方面,需要进一步建立超高强度钢可加工性的指标评价体系,阐明超高强度钢切削加工中大应变速率切削变形和高速摩擦学行为所形成的热力耦合作用规律,确认在不均匀强应力场作用下刀具磨损与切削变形规律,建立超高强度钢切削参数选择的专家系统和数据库。