高速干銑削高強鋼加工表面硬化及殘余應力研究*＊

于英釗 高 軍 鄭光明 楚滿福 張 旭 李 源

(山東理工大學機械工程學院，山東淄博255000)

AISI 4340鋼是一種高強度高硬度馬氏體鋼，其優良的力學性能被廣泛應用于航空航天、汽車、造船等領域的關鍵部件中，如飛機起落架，汽車輪軸等的制造中［1］。但這種材料在切削加工中切削力大、溫度高，引起工件發生塑性變形等因素導致表面層產生加工硬化和殘余應力，對零件的耐磨性和抗疲勞性產生影響;同時，刀具磨損加劇、加工質量難以保證等特點，屬于典型難加工材料［2－3］。隨著高強度鋼的廣泛應用，對此類零件的加工表面質量要求極為嚴格。因此，對這類材料的加工表面完整性研究成為急需解決的問題。

在高速加工AISI 4340鋼時，減小進給量和提高切削速度可以獲得較小的表面殘余拉應力［4－5］。在車削300M超高強鋼時發現增大進給量和高切削速度可以減小加工表面硬度，并且沿加工表面往里硬度逐漸降低，直至達到基體硬度［6］。并且加工表面的進給方向和切削方向均為殘余壓應力。切削速度和切削深度對殘余應力影響較大［7］。在進行車削淬硬40CrNiMo鋼的試驗時研究表明，切削速度高于211 m/min時，工件加工后表面均呈現為殘余壓應力［8］。

高速銑削高強鋼時，產生的切削熱對表面變質層的組織結構發揮作用，加工表面產生硬化現象［9］;高速銑削產生的切削力及高溫產生的切削熱使表層的金相組織變化，加工表面產生殘余壓應力［10］。

本文針對AISI 4340高強度鋼，主要研究切削參數對表面層加工硬化和殘余應力的影響，為高速銑削AISI 4340鋼切削參數的優化以及加工效率的提高提供試驗依據。

1 試驗條件與方法

1.1 工件材料

工件材料為高強鋼AISI 4340，工件材料硬度為43±1 HRC。表1和表2分別為AISI 4340鋼的主要化學成分和主要機械物理性能。采用線切割將工件加工成100 mm×100 mm×75 mm方塊進行干銑削試驗。

表1 AISI 4340鋼的主要化學成分(質量比:%)

表2 AISI4340鋼的機械物理性能

1.2 刀具材料

選用日本京瓷公司生產的硬質合金涂層刀具，涂層為PVD TiAlN+TiN復合涂層，刀片牌號為PR830，型號為BDMT－11T308ER－JT。刀桿型號為 MEC25－S20－11T(標準型)，直徑 D=25 mm。

1.3 試驗設備

試驗在五軸加工中心DMU 70 eVolution(主軸最高轉速18 000 r/min)上進行。試驗條件為干切削，同時為了避免多個刀片間的相互干涉，試驗只安裝一個刀片。切削參數如表3所示。

表3 切削參數

試驗結束后，分別在FM－800型顯微維氏硬度計和Xstress 3000型X射線應力分析儀上進行顯微硬度和殘余應力的測試。

使用顯微維氏硬度計對試樣硬度測試時，采用136°四棱體狀金剛石壓頭(如圖1所示)以一定的加載速度壓入AISI 4340鋼加工表面，增加載荷至0.49 N，保載時間為15 s，測量壓痕兩對角線之間的距離，通過公式(1)算出表面硬度值。測量硬化層深度是指沿加工表面到基體方向每隔20 μm進行多次顯微硬度測量取平均值(如圖2所示)，直到硬度值接近基體硬度為止。

X射線應力分析儀測試殘余應力時，管電壓及管電流分別為20 kV和2 mA，采用直徑2 mm的準直管，鉻靶，2θ=156°，曝光時間為5 s。測試前用無應力鐵粉進行校正。應力測量的進給方向、切削方向及45°方向如圖3所示。

式中:P為試驗載荷，N;d為壓痕對角線長度，mm。

式中:NH為加工硬化程度;HV為測得的材料表面硬度;HV0為AISI 4340鋼基體的顯微硬度。

2 試驗結果與分析

2.1 加工硬化程度

首先測試在加工之前AISI 4340鋼基體硬度，得出基體的平均硬度值約為440 HV，然后測量不同切削參數下加工表面平均硬度值(如表4所示)。

由表4中數值以及公式(2)計算，得出AISI 4340鋼已加工表面硬化程度約在112.2%～120.1%。

圖4為不同速度下沿層深方向的硬度值變化曲線。硬化層深度隨著vc的增加而逐漸減小。這是因為隨著vc增大，銑削力減小，刀具—工件接觸擠壓時間變短，引起塑性變形減小，同時產生較高的切削熱使工件表面發生熱軟化作用，硬化程度降低，硬化層深度減小。如圖在vc=350 m/min時硬化層深度達到80 μm左右。而當vc=500 m/min時硬化層深度約為50～60 μm。

圖5所示為切削參數對加工表面硬化程度的影響。由圖可見，隨著vc和ae的增加，加工表面硬化程度減小。而fz和ap的增加導致加工表面硬化程度增大。表面層的硬化程度主要受切削力、切削溫度以及塑性變形程度的影響。vc增大，導致切削溫度逐漸升高，使AISI 4340鋼表面發生熱軟化，塑性變形小，加工表面硬化程度降低，硬化值減小。同時，vc逐漸增大使銑削力隨之減小，工件受刀具擠壓變形時間減小，AISI 4340鋼表面不能充分發生塑性變形，加工表面硬化程度降低(圖5a)。隨著fz的增加，對表面的擠壓程度增大，塑性變形增大，加工表面硬化程度升高(圖5b)。隨著ap的增加，沿軸向方向去除材料的體積變大，導致銑削力變大，工件表面層受擠壓發生塑性變形嚴重，晶粒間的滑移變形劇烈，晶粒被拉長，導致加工表面硬化程度升高(圖5c)。隨著ae的增加，加工表面受單位面積內擠壓作用減弱，銑削力減小，塑性變形減小，加工表面硬化程度降低(圖5d)。

表4 加工表面硬度值

2.2 加工表面殘余應力

圖6所示為切削參數對加工表面殘余應力的影響。進給方向上的殘余應力范圍在－579.3～－370.5 MPa之間，切削方向上的殘余應力范圍在－591.1～－267.5 MPa之間，45°方向上的殘余應力范圍在－546～－281.1 MPa之間。進給、切削以及45°方向的殘余應力均為壓應力，且切削方向上的殘余壓應力絕對值最大。

隨著vc的增大，刀具與工件接觸部位產生摩擦導致工件材料表面發生塑性變形，產生壓應力。當vc超過400 m/min，切削區域溫度升高，熱應力使表面形成的殘余拉應力增大，抵消部分的壓應力，故殘余壓應力有略微減小的趨勢(圖6a)。隨著fz的增加，塑性變形增大，被加工表面產生的殘余拉應力增大抵消部分壓應力，而壓應力又向里層移動，故表面殘余壓應力減小(圖6b)。在所選參數范圍內，ap的變化使機械應力和摩擦熱應力同時作用，應力值在－591.1～－439.2 MPa之間波動(圖6c)。隨著ae的增加，表面殘余壓應力先增大后減小，當徑向切深為3 mm時，被加工表面受刀具后刀面擠壓和摩擦作用減小，壓應力值減小(圖6d)。

工件材料在機械加工過程中表面都會有一定程度的加工硬化，加工硬化程度維持一定范圍內能夠提高零件表層的耐磨性、耐腐蝕性能。本文中加工表面硬化程度約在112.2% ～120.1%，此范圍內有助于提高耐磨性和耐腐蝕性能。當加工硬化程度過度時，使材料內部結晶組織出現過度形變，表面容易產生裂紋，加劇磨損，零件表面使用性能降低。工件材料表面層的殘余壓應力使材料表面裂紋變緊密，延緩裂紋的擴展，提高其疲勞強度，同時耐腐蝕性、耐磨性也得到提高。

由此分析，在vc=400～500 m/min，fz=0.03～0.06 mm/齒，ap=0.2～ 0.3 mm，ae=3～ 4 mm的條件下高速銑削，可以獲得優良的加工表面硬化程度和較大的表面殘余壓應力。

3 結語

本文通過高速干銑削AISI 4340鋼，研究了所選切削參數下對表面層加工硬化及其殘余應力的影響，主要結論如下:

(1)隨著銑削速度和徑向切深的增加，加工表面硬化程度隨著減小，而每齒進給量和軸向切深的增加導致加工硬化程度增大。銑削速度對其影響最大。

(2)硬化層深度隨著銑削速度的增加逐漸減小，最大深度達到80 μm。

(3)加工表面在進給、切削以及45°方向均產生殘余壓應力，且切削方向上的壓應力絕對值最大。銑削速度和每齒進給量對殘余應力的影響較大。