切削液在高速钢刀具应用中的一种特殊现象初探

本文描述了高速钢刀具车削高强度调质钢和中碳调质钢时的一个特殊现象,即浇注乳化液反而使刀具耐用度降低.文章认为乳化液的润滑作用使得前后刀面上粘结区减小,滑动区增大,从而使更多的刀具表面失去粘结层的保护;乳化液的冷却作用使得刀具、工件之间的硬度差减小,这两种结果的共同作用加剧了刀具磨损.     

Influences of Tool Wear on Residual Stress and Fatigue Life of Workpiece in Hard Cutting Process

硬态车削过程刀具磨损对残余应力和工件寿命的影响

岳彩旭,朱磊,冯磊,刘俊,郝胜宇,任广旭

（1. 哈尔滨工程大学 机电工程学院, 哈尔滨 150001;

2. 哈尔滨理工大学 机械与动力工程学院,哈尔滨 150080）

创新点说明：

本文主要研究淬硬钢Cr12MoV车削加工刀具磨损对加工表面残余应力和疲劳寿命的影响,研究结果为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

研究目的：

疲劳在金属零部件所有的失效形式中占有很大比例。特别是轴类零件,由于这类零件大多承受着不同的外载荷甚至多种载荷的交加,这种实际工况下的部件的意外事故多数是由于疲劳失效。由于疲劳失效给国家财产以及人身安全造成了巨大的隐患,因此有效的精确的预测与延长疲劳寿命成为制造工作者的一种使命。

残余应力是影响零部件疲劳性能最关键的因素之一,同时也是作为加工参数与表面性能中连接的桥梁。在传统的研究工作中达成的共识是残余压应力在延迟疲劳裂纹扩展与延长疲劳寿命中起着积极作用,但是没有整体的考虑残余应力的波动性与压应力分布模式在加工参数与疲劳性能中扮演的角色。

故本文主要研究硬态车削过程刀具磨损对残余应力和工件寿命的影响,研究结果为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

研究方法：

（1）采用不同磨损量的PCBN刀具,对淬硬模具钢Cr12MoV硬态车削过程展开实验研究。通过对残余应力离散度进行分析,拟合不同刀具磨损下的离散度指标与分布曲线,进而分析了刀具磨损对已加工表面残余应力分布的影响机制。

（2）结合疲劳力学与数理统计理论建立了应力离散度-疲劳寿命差异的数学模型,对切削后的标准试件进行了旋转弯曲实验研究,通过工件断口形貌和疲劳寿命的研究揭示了刀具磨损这一关键切削条件对工件疲劳寿命的影响。

（3）主要设备或仪器：大连机床厂生产的型号为CK6150的机床、株钻石公司牌号为MVJNR2020K16的PCBN刀具、加拿大PROTO公司的iXRD型X射线衍射应力测试系统和螺旋测微仪。

结果：

（1）残余应力离散度随着刀具磨损的增加而增大;同理,当刀具磨损在一定限度内,残余应力也随着刀具磨损的增加而增大,刀具磨损的增加会引起已加工表面压应力面积的增大和压应力层深度的增加;

（2）提出并建立了应力离散度-疲劳寿命差异数学模型,分析出残余应力引起应力幅值的波动与疲劳呈线性关系,通过疲劳弯曲试验验证了该模型的科学性和准确性。

（3）通过旋转弯曲疲劳断口裂纹特征分析,得到本文试件断口裂纹源区为半圆形,扩展区域类似沙滩粒;并且随着残余压应力面积增大,裂纹扩展距离增大,疲劳寿命越长。

（4）旋转弯曲疲劳实验结果表明刀具磨损量越大,疲劳寿命越长;反之,试件寿命越短。

结论：

（1）当刀具磨损在一定限度内,残余应力离散度和残余应力都随着刀具磨损的增加而增大,并且两者机理相同,主要是因为刀具磨损的增加会引起已加工表面压应力面积的增大和压应力层深度的增加;

（2）旋转弯曲疲劳试件断口的裂纹源区为半圆形,裂纹源区呈现的特点是较为光亮与平滑,这是由于其最先断裂扩展速度较为迟缓。随着旋转弯曲疲劳实验的进行,试件裂纹由裂纹源不断扩展,进而形成扩展速率较慢的裂纹扩展区,这里与裂纹扩展方向垂直的弧形线为该区域的重要标志,因为可以从其形状的变化来观察线端处所受应力的大小和组织形态。

（3）在刀具磨损在合理的范围内,当刀具磨损量增加时,使表面残余压应力面积越大,进而使得疲劳寿命越长;反之,试件寿命越短。为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

关键词：硬态车削,刀具磨损,表面残余应力,残余应力离散度,疲劳寿命

     

PCBN刀具硬态切削过程中金属软化效应的研究

通过分析PCBN刀具切削淬硬GCrl5轴承钢时，工件硬度和切削速度对切削力和切削温度的影响，给出了产生金属软化效应的条件．对比金属软化效应产生前后已加工表面粗糙度．硬化层深度和表层基体组织，得出了金属软化效应对已加工表面质量不存在负面影响的结论．     

高效切削钛合金时刀具磨损试验分析

针对航空发动机典型零件钛合金膜盘在加工过程中刀具磨损严重、加工效率低的问题,采用未涂层硬质合金刀具进行钛合金外圆车削加工试验研究,利用CCD观测系统和SEM的能谱分析（EDX）研究刀具刃口微观结构变化,分析刀具的磨损形态及不同切削条件和锯齿屑对刀具磨损的影响. 结果表明：钛合金外圆车削加工时,刀具磨损主要为粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损,切削速度对刀具磨损影响较大,进给量次之,背吃刀量最小. 随着切削速度和进给量的增加,磨损加剧,锯齿屑的高频形成导致切削力的高频变化,这种高频率的冲击载荷在前刀面上产生应力和温度冲击,使刀具形成微裂纹,加速刀具磨损;使用冷却液可以减轻刀具后刀面粘结磨损和扩散磨损,从而可有效地控制刀具磨损.     

Wear performance of laser surface hardened GCr15 steel

In order to assess the new tribological properties of laser surface hardened GCr15 steel, the wear resistance between specimens treated with laser and those of conventionally hardened under dry sliding conditions was compared. The change of wear mechanisms in laser hardened GCr15 resulted in a distinct difference in wear rates. The results showed that quenched zones not only had sufficient depth of hardening and higher hardness, but had more retained austenite and finer carbides because of a higher degree of carbide dissolution. Laser surface hardened GCr15 steel specimens exhibited superior wear resistance to their conventionally hardened specimens due to the effects of the microstructure hardening, high hardness and toughness. The wear mechanism for both the laser quenched layer and conventionally hardened layer was highly similar, generally involving adhesive, material transfer, wear-induced oxidation and plowing. When conventionally hardened block specimens rubbed against the laser hardened specimens, the surface of conventionally hardened block specimens was polished. The microstructural thermal stability was increased after laser surface treatment.     

NR360贝氏体耐磨钢板的组织与性能

研究南钢NR360贝氏体耐磨钢板的组织、力学性能、耐磨性能及焊接性能。结果表明,NR360耐磨钢板的组织为板条状的无碳化物贝氏体及残余奥氏体组织,该钢板具有较高的屈服强度、抗拉强度,及良好的韧性。钢板的耐磨性好,在滑动磨损试验下,钢板的磨损机制主要为微切削与犁沟机制。焊接接头中焊缝组织主要为块状和针状铁素体组织,热影响区组织为细化的板条贝氏体与马氏体组织。焊接接头具有良好的强韧性,热影响区的硬度与耐磨钢基体相近。     

Elements inter—diffusion in the turning of wear—resistance aluminum bronze

Inter-diffusion of elements between the tool and the workpiece during the turning of aluminum bronze using high-speed steel and cemented carbide tools have been studied.The tool wear samples were prepared by using M2 high-speed steel and YW1 cemented carbide tools to turn a novel high strength,wear-resistance aluminum bronze without coolant and lubriant,Adhesion of workpiece materials was found on all tools‘ surface.The diffusion couples made of tool materials and alumium bronze were prepared to simulate the inter-diffusionn during the machining,The results obtained from tool wear samples were compared with those obtained from diffusion couples.Strong inter-diffusion between the tool materials and the aluminum bronze was observed in all samples.It is concluded that diffusion plays a significant role in the tool wear mechanism.     

高速车削钛合金刀具宏-介观扩散磨损特性

为了研究不同合金成分对刀具磨损的影响机理,利用宏-介观跨尺度关联法及分子动力学理论,采用YG8、YT15及YW2刀具高速车削钛合金,探明刀具宏观热力学特性及磨损特征,分析了三种材料在切削过程中原子群乱序程度,揭示了不同刀具材料原子群扩散特征.结果表明:YW2前刀面温度最高,原子群乱序运动类型已达到晶面解理,向内扩散程度高,扩散磨损严重;YG8和YT15原子群密度和能量稳定,原子群乱序运动类型为微裂纹扩展,向外扩散程度低,扩散磨损较小.三种材料刀具在高速车削过程中扩散磨损程度由高到低依次为YW2YT15YG8.     

模具钢Cr12MoV精密硬态切削过程刀具磨损

模具钢Cr12Mo V硬态切削过程中,工件材料的高硬度导致了刀具在切削过程中受到剧烈的热力耦合作用,刀具的磨损机制也明显不同于常规的切削过程.本研究以PCBN刀具精密硬态切削模具钢Cr12Mo V过程为对象,分析了刀具前刀面和后刀面的磨损规律,通过元素变化分析得到刀具不同位置的磨损机制;通过揭示不同切削速度和进给量下的刀具磨损规律为合理选择切削参数提供理论依据;研究揭示了切削合力和切削三分力受刀具磨损量的影响机制;通过建立磨损刀具的几何模型,采用有限元仿真软件Deform对不同刀具磨损量下的切削过程进行了仿真分析,得到了刀具磨损对切削温度场的影响机制.     

基于最小表面磨损率的铁基高温合金车削加工研究

根据最小表面磨损率理论,使用涂层硬质合金刀具对铁基高温合金GH2132进行了干式车削试验。采用单因素法优选切削参数,建立了最小表面磨损率条件下切削力、切削温度及表面粗糙度与切削用量之间的关系,借助电子扫描显微镜(SEM)对试验中产生的加工现象和刀具磨损机理进行了阐述。试验结果表明:刀具在进给量f=0.1 mm/r,切削深度ap=0.1 mm,切削速度v=90 m/min条件下切削时,刀具磨损强度最低,消耗最少,切削路程最长,加工精度最高;刀具的磨损机理前期以涂层剥落为主,后期主要表现为疲劳引起的切削刃崩刃。     

表面沟槽微织构刀具高速微车削试验研究

针对微型刀具高速微切削过程中磨损严重的问题,基于表面非光滑技术,在刀具表面置入沟槽微织构,达到增强刀具减磨排热、抗粘结以及刀具抗磨能力。利用激光加工技术在微型车刀表面加工沟槽微织构;使用自行研制的高速微车削实验装置进行AL6061微加工实验,并针对刀具表面磨损状况、切屑形态、已加工表面粗糙度等三个方面进行评价。试验结果表明,沟槽微织构在提高刀具减摩性能及改善切屑形态和已加工表面质量方面效果良好。     

基于ANSYS环境切削刃温度的有限元建模与多步反向仿真

使用PCBN刀具对淬硬工具钢Crl2MoV（62±1HRC）进行了精密干式硬态车削试验．依据精密干式硬态车削的特点,建立了小切深．大刀尖圆弧半径一斜角车削条件下的切削层几何模型,提出半月牙形区域为刀具的主要吸热区,并建立了PCBN刀片的有限元模型．在人工热电偶测得的刀具指定点温度的基础上,运用多步反向仿真法,利用ANSYS软件仿真了四种不同切削速度下的切削刃温度,结果表明,切削刃温度在725-1053℃之间变化,仿真值与试验值的绝对误差小于5％,满足目标要求．该方法在生产实践中具有实际的指导意义与参考价值．     

W18Cr4V钢离子渗氮─—高频复合处理后组织与性能的研究

研究了Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢离子渗氮─—高频复合处理后的组织与性能。并进行了耐磨性和刀具使用寿命的对比试验。结果表明，该钢经复合处理后，具有较好的表面硬度和良好的耐磨性，显著地增加了刀具的使用寿命。证明该工艺应用于小型高速钢刀具的热处理是可行的。     

超高速切削Inconel 718刀具寿命研究及切削参数优化

针对Inconel 718加工时,切削效率低和刀具磨损严重,通过角正交试验对Sialon陶瓷刀具超高速切削Inconel 718的刀具寿命及磨损机理进行了研究,同时利用等效率-等寿命响应曲面法,对切削参数进行了优化,获得了干切削状态下刀具寿命的经验公式,得到陶瓷刀具超高速切削Inconel 718主要的磨损机理是粘结磨...     

PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢的切削力研究

通过系统的切削试验，研究了PCBN刀具硬态切削淬硬GCr15轴承钢时切削用量对切削力的影响规律，结果表明：径向力最大，其次是主切削力和轴向力；硬态切削粗加工时的切削力大致为精加工时的3倍；硬态切削力与切削深度和进给量在一定范围内呈线性上升的关系，而与切削速度呈非线性关系．     

Theoretical modeling of cutting temperature in high-speed end milling process for die／mold machining

A parametric model of cutting temperature generated in end milling process is developed according to the thermal mechanism of end milling as an intermittent operation, which periodically repeats the cycle of heating under cutting and cooling under noncutting. It shows that cutting speed and the tool-workpiece engagement condition are determinative for tool temperature in the operation. The suggested model was investigated by tests of A1TiN coated endmill machining hardened die steel JIS SKD61, where cutting temperature on the flank face of tool was measured with an optical fiber type radiation thermometer. Experimental results show that the tendency of cutting temperature to increase with cutting speed and engagement angle is intensified with the progressing tool wear.     

Optimization strategy in end milling process for high speed machining of hardened die/mold steel

1. Introduction The introduction of advanced cutting tools like AlTiN-coated micro-grain carbide end mill since the 1990s has changed the trend in die/mold manufacturing towards hard machining both in roughing and finishing [1]. Nowadays, high speed machi…     

微织构球头铣刀加工钛合金的有限元仿真

为了研究微织构对球头铣刀切削性能的影响与表面微织构的抗磨减摩性能,通过分析微织构的设计理论,对微织构刀具和普通刀具切削钛合金TC4进行了三维动态切削仿真,对比分析了两种刀具在切削过程中切削力、切削温度及刀具磨损的变化.结果表明,在干式切削条件下,微织构刀具在切削过程中切削力降低了16%,切削温度降低了13%,磨损深度值是普通刀具的25%,但刀具变形变大.微织构在球头铣刀切削过程中能够减小切削力,降低切削温度,减小刀具前刀面的磨损,延长刀具寿命,但可能会影响加工精度.     

Impact wear behaviors of Hadfield manganese steel

Impact wear behaviors of Hadfield manganese steel at different impact angles were investigated. The results of impact wear tests show that there exists a critical impact load for Hadfield steel. The wear rate suddenly turns down after some impact cycles when the impact load is greater than the critical load. The critical impact load is smaller than 8.2 J in this research because the nano-sized austenitic grains embedded in amorphous delay the crack propagation in subsurface. From high resolution transmission electron microscope (HRTEM) examination of subsurface microstructure, it is found that a large amount of nano-sized grains embedded in bulk amorphous matrix are fully developed and no martensitic transformation occurs during the impact wear process. The analytical results of worn surface morphology and debris indicate that the initiation of crack, propagation and spalling are restricted in the amorphous phase, resulting in the size distribution of debris in nano-sizes, which is the reason why the wear rate of Hadfield steel is greatly decreased at high impact load.     

硬切削加工表面完整性及预测方法研究

硬切削取代磨削加工的关键是如何获得理想的加工表面完整性,以硬切削加工的表面粗糙度、白层、残余应力分布等表面完整性因素的形成机制、影响作用规律、预测方法和服役性能为对象,总结了PCBN刀具切削淬硬钢表面完整性的研究状况,提出了从零件使役性能角度来控制和优化硬切削加工表面完整性的研究思路,为硬切削加工表面完整性的控制及其疲劳磨损性能的提高,提供了理论和实用基础.