背吃刀量对车削42CrMoA钢表面粗糙度及切屑的影响

刘军壮，郇艳，宁宇

青岛工程职业学院 山东青岛 266112

1 序言

42CrMoA钢是一种中碳低合金结构钢，其强度高，淬透性好，韧性好，淬火时变形小。调质后综合力学性能好，在高温工作环境下有高的蠕变强度和持久强度[1]。适宜要求具备一定强度和韧度的机械零件，如机车大齿轮、折弯机的模具、压力容器中受载荷极大的连杆和弹簧夹，石油深井钻杆接头与打捞工具及高温条件下的连接件（≤530℃）、紧固件（＜510℃）制造[2]。

由于42CrMoA钢强度高，属于难切削材料。切削过程中，工件材料的强度越高，切削力、切削功率就越大，切削温度随之增高，影响加工的表面粗糙度。由于金属切削过程是在高温、高压及高速状态下进行，因此切屑的形成机理相当复杂，车削42CrMoA钢时，容易形成很长的螺卷屑，螺卷屑过长容易缠绕在工件上，影响切削过程的稳定性、操作安全、刀具寿命、生产效率和已加工表面的质量。本文采用硬质合金涂层刀具对调质处理的42CrMoA 钢进行车削试验，研究不同背吃刀量对表面粗糙度及断屑效果的影响[3，4]。

2 试验设备

（1）机床 本试验采用数控车床CKD6150A（见图1），机床主轴最高转速2200r/min，最大车削长度750mm，卡盘直径250mm。

图1 数控车床CKD6150A

（2）刀具 35°V形硬质合金涂层刀片，型号为VNMG160404FF，直线形断屑槽，槽形代号FF。刀柄为93°主偏角，型号为MVJNR2525M16，试验采用的切削液为较浓的乳化液，型号为BC20-ART.1200-05。刀具几何参数见表1。

表1 试验用刀具几何参数

（3）工件材料 42CrMoA钢，规格：φ30mm×360mm；热处理：调质；表面硬度：30～35 HRC；其化学成分与主要的力学性能分别见表2、表3[5，6]。

表2 42CrMoA钢的主要化学成分（质量分数） （%）

表3 调质42CrMoA主要力学性能

3 试验方案及结果分析

（1）试验方案 硬质合金涂层刀具精车时推荐的切削用量范围：背吃刀量0.1～0.3mm，进给量0.1～0.3mm/r，转速1300～1500r/min。加工的工件直径范围16～30mm。

为了确定背吃刀量对表面粗糙度及断屑效果的影响规律，取不同的背吃刀量值进行单因素试验，把进给量固定在0.15mm/r，从保证提高去除率和工艺刚度的角度考虑，把切削速度固定在110m/min。背吃刀量取0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.4mm、0.5m、1.00mm和1.50mm9个数值，试验过程中工件从d=27mm开始切，最终切至d=21mm，试验中转速不超过1500r/min。

（2）试验结果及分析 上述试验方案及试验数据见表4。在不同背吃刀量下表面粗糙度的测量结果如图2所示，当切屑呈螺旋状规则形状时，Ra值随着背吃刀量的增加而降低，背吃刀量在0.35～1mm时Ra值较好，均在1.6μm以下。当切屑变为碎屑时，Ra值呈现不规则的变化趋势，当背吃刀量继续加大，切屑堆积在前刀面上，切削过程排屑不良导致Ra值升高[7，8]。

表4 试验数据

图2 背吃刀量ap对Ra值的影响

在切削时发现，第9组试验的切屑堆积在前刀面上，切屑堆积到前刀面上不利于切削过程的进行，同时还会影响已加工表面质量和刀具寿命。此组试验与其他组的唯一差别是背吃刀量最大，第9组ap=1.5mm。从这一因素出发考虑就会发现，随着切屑宽度增大，一方面切屑太宽不能卷曲形成螺卷屑，另一方面，切屑宽度值超过刀尖圆弧处的断屑槽形在切削刃长度上的长度值，此时主切削刃处的断屑槽不起断屑作用。由于主切削刃处的断屑槽宽度小，切削刃前角大，切屑经过前刀面时受到断屑槽的阻碍而堆积在前刀面上，图3为堆积在前刀面上的切屑形态，切屑的小段弯曲说明断屑槽阻碍切屑的流动。

图3 堆积在前刀面上的切屑形态

进给量f=0.15mm/r时，切削过程的切屑折断后的长度L值随背吃刀量ap的变化情况如图4所示。切屑长度随着背吃刀量的增加先增加后减小，在ap=0.2mm时切屑最长，平均长度为182mm。

图4 f＝0.15mm/r时切屑长度的变化

图5为进给量f=0.2mm/r时的切屑长度变化，对比图4和图5，断屑槽的断屑效果存在一个不理想的背吃刀量范围，这个范围随着进给量的变化而变化，但变化不大，同时也可得出进给量对切屑长度有很大的影响。

图5 f＝mm/r时切屑长度的变化

4 结束语

1）当切屑呈螺旋状规则形状时，Ra值随着背吃刀量的增加而降低，背吃刀量在0.3～1mm时，Ra值较好，均在1.6μm以下。当切屑变为碎屑时，Ra值变化表现为不规则的变化趋势，当背吃刀量继续加大，切屑堆积在前刀面上，切削过程排屑不良导致Ra值升高。

2）车削42CrMoA时，背吃刀量ap对切屑长度的影响确实很大，进给量f对切屑长度也有一定的影响。进给量在0.15mm/r与0.2mm/r时切屑长度随着背吃刀量的增加先增加后减小，在ap=0.2mm左右时切屑最长，断屑效果差。