預應力硬態切削40Cr的實驗效果研究

賀愛東 葉邦彥 覃孟揚

(①廣東輕工職業技術學院，廣東 廣州510300;②華南理工大學機械與汽車學院，廣東 廣州510640)

硬態切削是一種用超硬刀具直接對硬度大于50HRC的淬硬鋼進行精密切削的綠色加工工藝。由于在切削加工中工件受到切削力、熱載荷和高溫相變作用產生不均勻塑性變形，當外載荷卸去后，工件內部就產生了殘余應力。它可以是拉應力也可以是壓應力，其性質和大小隨材料的性能和外載荷作用條件的不同而變化。殘余應力是影響工件加工表面質量的一個重要指標。文獻［1-3］顯示，殘余應力對零件表面的靜壓強度、抗疲勞強度、抗腐蝕性能及尺寸精度有很大影響。殘余拉應力會降低疲勞壽命，從而縮減零件的工作壽命。反之，表面殘余壓應力對提高零件的疲勞壽命是有利的。因此，采用何種手段有效地在切削淬鋼表面直接獲得殘余壓應力是一個值得研究的問題［4-7］。

40Cr是機械制造業使用最廣泛的鋼材之一。經淬火及中溫回火的淬硬40Cr常用于制造承受高負荷、大沖擊及中等速度工作的零件，如蝸桿、主軸、軸、套環及模具的凸凹模等。本文選用淬硬40Cr為實驗材料，在普通車床上利用預拉應力裝置進行預應力硬態切削實驗，實驗以切削參數(切削深度ap、進給量f、切削速度vc)和施加的預應力值σp為實驗因素，研究其對硬態切削表面殘余應力的影響效果。同時通過理論推導及實驗驗證方法，證明硬態切削40Cr表面殘余應力預測公式的可行性，為有效地在切削40Cr表面直接獲得殘余壓應力提供一定的參考，也具有一定的工程意義。

1 預應力切削及其殘余應力預測

預應力切削是一種借助于預拉應力裝置和超硬刀具對工件進行切削加工的加工工藝，該種加工工藝可在切削表面直接獲得殘余壓應力［8］。在切削加工前，預先在工件待加工表面相應截面的一定深度內施加不超出工件材料彈性范圍內的拉伸應力，并且在保持該應力的拉伸作用下對工件進行切削加工，直到加工結束后再釋放該預拉應力。工件基體彈性收縮作用使已加工表面受到一個收縮作用的壓應力，使得最終加工表面的殘余應力狀態增加了轉向殘余壓應力的趨勢，或使原本存在的殘余壓應力加大。預應力切削的本質是利用材料的彈性恢復力在切削加工表面產生額外的壓應力。

影響殘余應力的因素很多，在預應力硬態切削的加工中，如果刀具和加工材料不變，本文只考慮切削參數(切削深度ap、進給量f、切削速度vc)及預應力值σp作為主要參數，設定預應力切削淬硬40Cr鋼的殘余應力表達式為:

式中:C為殘余應力σs的固定系數，僅與刀具以及其他切削條件有關;a1、a2、a3和a4分別表示切削深度ap、進給量f、切削速度vc和預應力值σp的指數。

將式(1)兩邊取對數得到式(2):

對式(2)中設定Y=lgσs，a0=lg C，X1=lg ap，X2=lg f，X3=lg vc，X4=lgσp，可得到式(3):

經過上述轉換后，式(3)變換成為一次多元線性方程。如果已知(Y，X1，X2，X3，X4)值，可求解多元方程式獲得a1、a2、a3、a4、a0的值，將該組值代回式(1)中，最終得到殘余應力理論預測公式。

2 預應力切削實驗

2.1 實驗裝置設計

預應力切削實驗設計的預應力加載切削裝置如圖1所示。

整個預應力加載裝置由圓螺母2、施力螺母9、壓板3、圓錐推力軸承4、支撐板5、支撐桿6及止轉塊8等構件組成。加工前先將樣件安裝在裝置中，并通過轉動施力螺母對樣件施加預拉應力。施加的預應力值可以通過在樣件表面的應力貼片直接測量。安裝好樣件后，將帶有樣件的整個裝置裝夾在車床卡盤1上，并用尾座頂尖10頂住樣件的中心孔支撐。加工時，上支撐板5和支撐桿6組成的支撐架在止轉塊8的作用下保持不動，圓螺母2與施力螺母9通過前后兩個壓塊3和支撐桿組成的支撐架對樣件7拉緊后，在車床卡盤1的帶動下旋轉。刀具從兩根支撐桿之間的空間伸入到加工位置對樣件進行切削加工。由于對工件施加預拉力是獨立于機床設備的，因此不會對機床產生作用力，不影響機床的剛度和穩定性。

2.2 實驗材料和刀具

實驗材料:淬硬合金鋼40Cr，表面高頻處理，表面硬度62 HRC，已做消除表面殘余應力處理。材料的化學成分及彈性模量和切變模量分別如表1、表2所示。實驗樣件為棒料，直徑30 mm，切削有效長度為200 mm(兩端分別車出拉伸工藝用的外螺紋)。刀具為成都工具研究所生產的FJR45型無涂層的PCBN外圓刀，采用的是整體焊接形式。該實驗刀具的幾何參數如表3所示。

表1 40Cr鋼的化學成分(GB/T3077－1999)wt/%

表2 40Cr鋼的彈性模量和切變模量

表3 刀具的幾何參數表

2.3 實驗方案

本實驗采用四因素三水平的正交切削實驗方案。其中四因素分別為預應力值σp、切削速度vc、進給量f、切削深度ap。正交車削實驗方案所采用的切削參數和預應力值如表4所示。

表4 正交車削的切削參數和預應力值

測量儀器:德國 BRUKER 公司生產的D8ADVANCE型X射線衍射儀;熱處理設備為SRJX-12-9型箱式電阻爐，常用溫度1 000℃。

切削設備為車床CA6140。

本實驗主要測量軸向殘余應力。經過切削后的樣件，可以用X射線衍射儀進行表面軸向殘余應力的測量，拋光采用手動控制，選用精度為0.001 mm的千分尺測量。為了保證測量殘余應力的準確性，樣件表面測量點按圖2所示進行布置，即在樣件同一截面相隔90°的位置布置4個測量點。最后，每個深度處的殘余應力值則用4個測點的平均值作為該深度的應力測量值，這樣可以減小應力本身的測量誤差和每次拋光深度的測量誤差。所有樣件用同一把刀加工完成。

3 結果與分析

3.1 切削參數和預應力值對殘余應力的影響

表5為正交切削實驗測得的軸向殘余應力值。正值代表殘余拉應力，負值代表殘余壓應力。

從表5正交切削實驗結果和表6影響殘余應力的顯著性計算結果來看，在4個實驗因素中，預應力值σp對殘余應力的影響程度明顯，而其他3個切削參數對殘余應力的影響則相對較小，不明顯。

圖3a結果顯示，在切削用量不變的情況下，殘余壓應力的值隨預應力值的增加而變大，這表明預應力可以有效地提高切削加工表面的軸向殘余壓應力。原因是施加的彈性范圍內的預拉伸應力越大，切削后釋放拉伸力而獲得的回復壓力也越大，最終在已經發生塑性變形的切削表面施加一個更大的額外殘余壓應力。預應力在切削表面形成的殘余壓應力不受切削力和切削熱的影響，而只和施加的預應力大小有關。傳統切削加工形成的殘余應力主要受切削力和切削熱的影響，切削力對工件表面的擠壓產生的機械應力使加工表面形成殘余壓應力的趨勢，切削熱在熱應力作用下使加工表面產生殘余拉應力的趨勢。最終的表面殘余應力則是由以上兩種作用綜合的結果(不考慮相變影響)。而預應力切削加工表面的殘余應力則可以看作是在傳統切削產生的殘余應力基礎上疊加預應力產生的額外殘余壓應力的結果，其實質是機械應力、熱應力及預應力3部分作用耦合而成。在預應力切削中，由于切削參數對殘余應力的影響不及施加的預應力值對殘余應力的影響明顯，因此在預應力切削中，受施加的預應力值產生的壓應力比其他參數產生的殘余拉應力大，最終在表面形成殘余壓應力。

表5 正交切削實驗結果

表6 影響殘余應力的顯著性計算結果

圖3b顯示在預應力值、切削速度及進給量不變的情況下，切削深度越大，殘余壓應力越小。由于工件采用40Cr淬硬材料，硬度高，在受到徑向切削力時軸向彎曲變形很小，而實驗用的刀具刀尖半徑較大，致使工件受到的徑向切削力遠大于軸向和進給方向的切削力，使得由摩擦產生的切削熱更多，從而在加工表面產生的拉應力也更大，導致殘余壓應力降低。

另外圖3c、3d顯示，殘余壓應力隨著vc和f增加也會相應減小，這是因為vc和f增大后，會增加切削熱，有增加殘余拉應力的趨勢，從而減小殘余壓應力。結合圖3b、3c、3d中的3個切削參數對殘余應力的影響結果可以看出，預應力切削淬硬鋼時，切削深度ap對殘余應力影響較明顯。這與傳統切削時切削深度對殘余應力影響不明顯有所不同。

3.2 殘余應力預測公式的驗證

將表5中的2、3、5、6、8、9六組數據代入式(3)中，由于1、4、7三組數據中的σp=0，不予考慮。經求解后得:

最終，加工殘余應力的經驗公式可以表達如下:

再進行3組實驗，利用表4切削方案中的切削參數，改變預應力值。最后實驗結果和相關計算結果見表7。表7中顯示出的公式計算的殘余應力值σc和實驗測量值σs存在誤差，其中最大誤差率為3.17%。說明通過公式來預測的殘余應力是可行的。另外，表中還顯示產生的誤差率與預應力大小有關，預應力越大，出現的誤差率越大。

表7 公式計算值和實驗值

4 結語

本文通過正交實驗研究了切削參數和預應力值對預應力切削表面殘余應力的影響。實驗數據分析得到以下結論:

(1)預應力切削有產生表面殘余壓應力或減少表面殘余拉壓力的效果。預應力對殘余應力的影響比切削的3個參數(切削深度ap、切削速度vc、進給量f)對殘余應力的影響要大。

(2)在預應力不變的情況下，隨著3個切削參數的增大，硬態切削表面殘余壓應力都有降低的趨勢。其中切削深度ap對硬切削表面殘余應力的影響較明顯，這與傳統切削時切削深度對殘余應力影響不明顯的結論不同。

(3)在相同切削參數的條件下，預拉伸應力可以增加工件表面殘余壓應力，在材料彈性范圍內施加預拉伸應力越大，獲得殘余壓應力的趨勢越明顯。

(4)導的預應力切削淬硬40Cr表面殘余應力預測公式經實驗測試證明是可行的。

［1］Kurniawan Denni，Yusof Noordin Mohd，Sharif Safian.Hard machining of stainless steel using wiper coated carbide:tool life and surface integrity［J］.Materials and Manufacturing Processes，2010，25(6):370-377.

［2］Kundrák J，Mamalis A.G，Markopoulos.Finishing of hardened boreholes:grinding or hard cutting?［J］.Materials and Manufacturing Processes，2004，19(64):979-993.

［3］Almeida F A，Oliveira F J，Sousa M，et al.Machining hardmetal with CVD diamond direct coated ceramic tools:effect of tool edge geometry［J］.Diamond and Related Materials，2005，14(3/7):651-656.

［4］Kishawy H A，Elbestawi M A.Effects of process parameters on material side flow during hard turning［J］.Mach.Tools Manuf.，1999，39:1017-1030.

［5］Shi Jing，Liu C Richard.Two-step cutting for improving surface integrity and rolling contact fatigue performance of hard machined surfaces［J］.Materials and Manufacturing Processes，2010，25(6):495-502.

［6］Sun Y，Chin L Y.Residual stress evolution and relaxation in carbon S phase layers on AISI 316 austenitic stainless steel［J］.Surface Engineering，2002，18(6):443-447.

［7］Zhou Z H，Guo D T.Pre-stressed machining:combined use of heuristics and optimization methods［C］.In:Pro-ceedings of the 9th International Conference on Production Research，1987:257-262.

［8］胡華南，周澤華.預應力加工表面殘余應力的理論分析［J］.華南理工大學學報，1994，22(2):1-9.