切削速度對42CrMo鋼切削性能的影響研究

張法光，杜劍平，祝彬彬

(貴州省機電研究設計院，貴州貴陽550025)

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切削速度對42CrMo鋼切削性能的影響研究

張法光，杜劍平，祝彬彬

(貴州省機電研究設計院，貴州貴陽550025)

摘要：針對實際生產加工中采用較高切削速度車削直徑和長度尺寸較大的42CrMo鋼零件時刀具磨損嚴重的情況，運用AdvantEdgeTM有限元軟件對不同切削速度下42CrMo鋼切削過程進行仿真，得出切削速度對42CrMo鋼切削力和切削溫度的影響，最后采用實際切削試驗驗證仿真結果準確性。結果表明當切削速度在125.6 m/min～219.8 m/min范圍內時，刀具的使用壽命較長。

關鍵詞：42CrMo有限元法切削力切削溫度

0引言

42CrMo鋼具備強度高，淬透性高，韌性好，淬火時變形小，價格低廉等優點，使其成為制造石油機具重要的金屬材料之一[1-2]。某石油機械公司的石油機具產品零件中廣泛采用42CrMo鋼，由于該型號鋼屬于超高強度合金鋼，是較難加工材料，并且零件具有加工直徑和長度尺寸較大的特點，導致公司的切削加工效率較為低下，如何改善其低效率生產現狀成為公司面臨的重要問題。切削速度作為影響工件加工效率和刀具使用壽命的重要因素，開展切削速度對42CrMo鋼切削性能影響的研究對提高公司的生產效率、減小刀具磨損、延長刀具使用壽命具有積極的促進作用，具有很好的工程實際應用價值。本文以有限元軟件AdvantEdgeTM為平臺，采用不同切削速度對42CrMo鋼的切削過程進行動態數值模擬，分析比較切削力、切削溫度的變化，選出較為適合車削42CrMo鋼的切削速度范圍。最后進行實際切削試驗，根據刀具的使用壽命情況間接驗證仿真分析結果的準確性。

1有限元模型的建立

本文采用SANDVIK Coromant生產的涂層硬質合金刀CNMG120404-PFGC4215對直徑為100 mm的42CrMo鋼進行切削仿真，首先根據刀片使用樣本手冊給定刀具參數在三維實體軟件SolidWorks中建立車刀片的三維實體模型，將其導入AdvantEdgeTM中建立其切削42CrMo鋼的有限元模型，設定刀具基體材料為硬質合金，內涂層為5 μm的TiN，外涂層為15 μm的Al2O3，工件材料選用材料庫中與42CrMo鋼對應的美國鋼號AISI-4140，直徑為100 mm、長度為10 mm，切削用量定義：進給量f=0.3 mm/r，背吃刀量ap=0.5 mm，為提高切削效率，選取v=125.6～408.2 m/min較高切削速度段，按Δv=31.4 m/min切削速度依次遞增分段，其相對應的轉速范圍n=400 r/min～1 300 r/min，轉速增量Δn=100 r/min。設定完成后運行程序并提取仿真結果。

2仿真結果分析

選擇Tecplot模塊進行切削仿真結果的提取，選擇切削力Fx、Fy和Fz，查看其隨時間變化的關系曲線如圖1所示。從圖可以看到，切削力是在一個恒定值的上下波動，這與實際切削過程中切削力的變化是一致的。切削力主要來源于被加工材料對彈塑性變形的抗力和刀具與工件之間的摩擦力[3]，刀具在剛接觸工件時，工件材料先產生彈性變形，繼而內部晶格進行滑移發生塑性變形，切削力增大，當切削刃附近工件材料的剪應力超過其強度極限時，切削力達到最大，隨著材料被剝離，切削力又會隨之降低。此過程周而復始，因而切削力在一定的范圍內波動[4]。對結果進行多項式擬合處理，得到切削力的曲線如圖2所示。

圖2　擬合后的切削力曲線

同理選擇刀具最高溫度(Peak Tool Temp)模塊，切削加工時刀具的最高溫度隨時間變化的關系曲線如圖3所示，對該溫度曲線進行多項式擬合得到其溫度曲線，如圖4所示。刀具、工件和切屑的溫度場云圖如圖5和圖6所示。從圖可以看到，刀具的最高溫度由零逐漸增大，達到穩定狀態后，在穩態值的附近上下波動。從刀具溫度場云圖可以看到，刀具前、后面上的最高溫度都不在切削刃上，而是位于離刀刃有一定距離的地方，即最高溫度位于第二變形區，這是摩擦熱沿著刀面不斷增加的緣故。從工件和切屑的溫度場云圖可知，刀具的最高溫度低于工件和切屑的最高溫度。

圖4　擬合后的刀具最高切削溫度曲線

提取不同切削速度下的仿真結果，其切削力和刀具最高溫度的仿真結果如表1和圖7所示。

表1　切削速度對切削力和刀具最高溫度的影響

由表1可知：當切削速度在125.6～408.2 m/min范圍內變化時，其切削力在 824.26～894.22 N內變化，隨著切削速度的增大，切削力整體上呈現減小的趨勢。這是由于隨著切削速度的增大，變形系數和摩擦系數都有所減小的原因。

由表1和圖7可知，在切削42CrMo，切削速度在125.6 m/min～408.2 m/min范圍內變化，刀具最高溫度在990～1 250℃范圍內變化。其中，當切削速度v≤314 m/min(n=1 000 r/min)時，隨著切削速度增大，切削溫度基本成正比增大，切削速度每增大31.4 m/min(轉速n增大100 r/min)，刀具的最高溫度平均增大40℃；當v≥314 m/min時，最高切削溫度基本保持不變。由于本論文采用的刀具外涂層為15 μm的Al2O3，其最高使用溫度約為1 000℃，因此在采用該型號刀具實際切削42CrMo時，為保證刀具使用壽命，其切削速度不宜高于219.8 m/min，可根據實際切削加工效率要求在125.6～219.8 m/min范圍內選擇。若想采用更高的切削速度對42CrMo鋼進行切削加工，可考慮使用熱穩定性和紅硬性均高于Al2O3涂層的CBN刀具，CBN刀具適用于42CrMo鋼的切削用量有待于進一步的研究和試驗。

3仿真結果的驗證

本文采用對刀具進行切削破壞性試驗的方法，以刀具磨損至不能滿足工廠實際的加工要求為準，通過測量在刀具壽命內的切削長度，判斷刀具在相應切削條件下的耐用度，對照其耐用度變化趨勢和仿真分析切削溫度變化趨勢的一致性，間接驗證仿真模型的準確性。本切削破壞性試驗采用云南機床廠生產的SL320/1000型號機床，42CrMo鋼試件為φ100×370 mm棒料，實際可切削長度為250 mm，切削用量分別采用仿真實驗所用參數值。其試驗結果及刀具磨損形式如表2和圖8所示。

由表2可知，隨著切削速度的增大，刀具使用壽 命逐漸減小，當切削速度在125.6 m/min～219.8 m/min范圍內時，刀具使用壽命較長，當切削速度高于219.8 m/min時，刀具使用壽命隨著切削速度的增大而急劇減小，有限元仿真刀具溫度變化趨勢與實際切削試驗中刀具使用壽命的變化趨勢具有較好的一致性，有限元模型較準確。

表2　刀具的破壞性試驗

(a)V=157.0 m/min(b)V=219.8 m/min(c)V=408.2 m/min圖8　刀具磨損形式

由圖8可知，刀具主要磨損形式均為后刀面磨損，其主要原因是刀具溫度過高引起的相變磨損。

4結論

從以上有限元仿真結果及刀具壽命試驗結果可以得到如下結論：

1)采用CNMG120404-PFGC4215涂層硬質合金刀車削42CrMo鋼時，隨著切削速度的增大，切削力整體上呈減小的趨勢，刀具最高溫度逐漸升高，刀具使用壽命逐漸減小。

2)采用CNMG120404-PFGC4215涂層硬質合金車刀切削42CrMo鋼時，為保證刀具使用壽命，其切削速度不宜高于219.8 m/min，可根據實際切削加工效率要求在125.6 m/min～219.8 m/min范圍內選擇。

3)刀具主要磨損形式為后刀面磨損，主要是由于刀具溫度過高引起刀具相變磨損。

參考文獻

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中圖分類號：TG501;TG506

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0027-04

作者簡介：張法光(1989-)，男，河北邯鄲人，碩士，研究方向：先進制造技術、再制造與表面工程。

收稿日期：2016-04-06

Cutting property of cutting speed in turning 42CrMo steels

ZHANG Faguang,DU Jianping,ZHU Binbin

Abstract:There was a problem that the cutting-tool was heavily worn when cutting 42CrMo whose diameter was large at a higher speed. In this paper, the analysis software AdvantEdgeTM was used to simulate the cutting process. The variation of cutting force and cutting temperature with different cutting speeds were obtained. Finally the accuracy of the simulation results was verified by the cutting test.The simulation results indicate that the tool life was longer when the cutting speed within the scope of 125.6 to 219.8 m/min.

Keywords:42CrMo; finite element method; cutting force; cutting temperature