精密干式硬態車削淬硬工具鋼加工表面溫度參數優化*

彌 寧，唐林虎，黃建龍

(1.隴東學院 機械工程學院，甘肅 慶陽 745000;2.蘭州工業學院機械工程系，甘肅 蘭州 730050;3.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

精密干式硬態切削(FDHC)［1－2］具有高效率、低能耗、無污染及已加工表面損傷小的優點，是最具應用前景的先進制造技術［3］。利用該技術加工淬硬鋼等難加工材料時，材料的高強度和高硬度使切削溫度高達800～1000℃［4］，這會嚴重影響已加工表面的質量［5－6］。Tang［7－8］結合 Abaqus 軟件的動態切削仿真與切削試驗研究了PCBN刀具FDHC淬硬工具鋼AISI D2時切削刃、已加工表面等區域的溫度場。

筆者將利用正交試驗法，分析切削速度v、切削深度ap、走刀量f、工件淬火硬度H與刀尖半徑rε對已加工表面溫度影響的顯著性，并對其參數進行優化。

2 車削試驗

2.1 試驗設備

車削試驗方案如圖1所示，在CAK6150Dj數控車床上進行車削試驗，測溫系統設備由UT306紅外線測溫儀完成。如圖2所示，將裝有電池的紅外線測溫儀所提供的USB傳輸線接收端插入儀表的USB槽中，然后將連線的另一端與電腦的USB正確連接即可。車削過程中，啟用裝在電腦上的相應測溫軟件，便可將測量過程中的數據實時記錄。

圖1 車削試驗方案

2.2 試件材料

試件材料采用Cr12MoV工具鋼，其化學成分依次為:C:1.55;Cr:11.25;Mo:0.45;Mn:0.35;Si:0.35;P:0.025;S:0.025;V:0.20。試驗件材料采用Cr12MoV工具鋼，直徑為48 mm，長度為300 mm。通過1040℃熱處理淬火后，經不同的低溫回火［9－10］，得到硬度為51、58、62±1HRC的試件。

圖2 精密干式硬態車削

2.3 刀具組成、性能及有效幾何參數

選用北京沃爾德超硬工具有限公司生產的PCBN復合刀具(其中CBN刀頭的組成和性能見表1)，型號為SCGN150404。訂購的PCBN復合刀具裝夾在刀體后的有效幾何參數如表2所示。

表1 CBN刀頭的組成和性能

表2 PCBN刀具的有效參數

2.4 試驗方案的選擇

由于FDHT淬硬工具鋼過程中的工作量大，因此，利用正交試驗方案設計車削試驗［11］。該法優點在于能以較少的試驗次數獲得大量的試驗數據信息?，F對切削速度v、切削深度ap、走刀量f、工件硬度H，刀尖半徑rε5個參數分別取三種不同水平，即五因素三水平正交表(35)，其變量水平如表3所列。

表3 變量水平

3 θW的試驗結果

試驗方案與結果分析如表4所列。

表4 已加工表面溫度的試驗方案與結果

續表4

4 分析與討論

4.1 影響因素的顯著性分析

通過對表4中數據的極差分析，可衡量各個影響因素對試驗結果影響的大小，同時可以決定最好因素水平的組合。圖3描述了極差的變化，結合表4的極差分析可知，5個影響因素中，對工件表面溫度影響的顯著性由強到弱依次為:工件淬火硬度H＞切削速度v＞切削深度ap≈走刀量f＞刀尖圓弧半徑rε。

圖3 影響因素的極差分析

4.2 影響因素的參數優化

其因素與指標的關系圖如圖4所示。通過對試驗結果分析可得各因素變化時，指標的變化規律如下:

(1)速度從75 m/min增大到226 m/min時，工件表面溫度先小幅升高后急劇下降;這是因為當切削速度大幅度提高時，切屑飛離工件的速度的相應提高，此時，會帶走大量的熱量，從而已加工表面的溫度θW也大幅度降低。

(2)切削深度從0.10 mm增大到0.30 mm時，θW先急劇增大后小幅降低;這是因為當切削深度增加時，增大的切削力會引起做功增大，從而切削熱會增加;另一方面，切削深度的增大導致單位時間內切去的材料增加，這樣，切屑在單位時間內帶走的熱量會明顯增多。在此機理作用下，工件已加工表面的溫度θW會呈現如圖4所示的趨勢。

(3)走刀量從0.10 mm/r增大到0.30 mm/r時，工件表面溫度基本呈線性方式降低;這是因為，當走刀量增大時，工件表面單位面積上刀尖接觸的時間以及走過的痕跡會減少，這樣，具有極高溫度的刀尖與工件表面的傳熱時間會大幅度減少，從而，工件表面的溫度會以線性方式降低。

(4)工件淬火硬度從51增大到64±1 HRC時，工件表面溫度基本呈線性方式增大。

(5)刀尖圓弧半徑 rε由0.8～1.6 mm 變化時，刀尖圓弧半徑越大，已加工表面的溫度越高;因為處于高溫狀態下的刀尖當刀尖圓弧半徑增大時傳給工件表面的熱量會增加;同時，較大的刀尖圓弧半徑能使切屑變形程度增大［1，5］，產生的切削熱增加，故而工件表面的溫度相應較高。

(6)可見，工件表面溫度是由切削熱的產生與傳出的平衡條件決定的。產生的切削熱越多，切屑帶走的熱量越少，刀尖與工件的接觸時間越少，刀－工接觸弧長越大，工件表面的溫度越高。反之，工件表面溫度越低。

(7)若以工件表面最低溫度為優化目標，則同一淬硬狀態工件的最優車削參數為A3B1C3E1。

圖4 工件表面溫度θW與5個影響因素的關系

5 結論

利用PCBN刀具對淬硬工具鋼Cr12MoV進行了一系列精密干式硬態車削試驗，并運用極差法分析，得到了影響因素對工件表面溫度影響的顯著性，其由強到弱依次為:工件淬火硬度H＞切削速度v＞切削深度ap≈走刀量f＞刀尖圓弧半徑rε。同時，得到了車削不同淬硬狀態工具鋼時最低工件表面溫度的最優車削參數，其 v=226m/min，f=0.10 mm，ap=0.30 mm，rε=0.8 mm。

［1］唐林虎，黃建龍，高成秀，等.干式硬態車削淬硬工具鋼Cr12MoV表面粗糙度試驗與預測模型［J］.蘭州理工大學學報，2012，38(2):34－36.

［2］唐林虎，黃建龍，高成秀.精密干式硬態車削淬硬工具鋼時表面粗糙度的參數優化［J］.制造技術與機床，2012(1):112－114.

［3］Klocke F，Brinksmeier E，Weinert K.Capability profile of hard cutting and grinding processes［J］.Annals of the CIRP，2005，54(2):552－580.

［4］文東輝.PCBN刀具硬態切削機理及技術［D］.大連:大連理工大學，2002.

［5］El－Wardany T I，Kishawy H A，Elbestawi M A.Surface Integrity of Die Material in High Speed Hard Machining，Part 1:Micrographical Analysis［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2000，122(4):620 －631.

［6］El－Wardany T I，Kishawy H A，Elbestawi M A.Surface Integrity of Die Material in High Speed Hard Machining，Part 2:Microhardness Variations and Residual Stresses［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2000，122(4):632 －641.

［7］Tang L，Huang J，Xie L.Cutting tool edge temperature in dry hard orthogonal cutting AISI D2 tool steel with CBN tool［J］.Advanced Materials Research，2010(6):169－173.

［8］Tang L，Huang J，Xie L.Finite element modeling and simulation in dry hard orthogonal cutting AISI D2 tool steel with CBN cutting tool［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，53(1/2):1167 －1181.

［9］鄒安全，鄧芬燕.Cr12MoV模具鋼熱處理工藝試驗研究［J］.模具工業，2001(11):55－57.

［10］王麗君，苗 彬，孟先新.Cr12MoV鋼不同熱處理條件下的硬度和金相組織分析［J］.模具工業，2005(9):52－56.

［11］中國科學院數學研究所數理統計組.正交實驗法［M］.北京:人民教育出版社，1975.