42CrMo4鋼高速切削金相組織轉變仿真研究

付宏鴿 閆常春 竇騰 畢珊珊

摘要：針對高速切削42CrMo4鋼過程中工件材料表面產生大量的切削熱，切削溫度超過了材料金相組織轉變溫度，在高應變、高應變率、高溫作用下形成白層，影響材料使用性能的現象，通過有限元仿真技術對42CrMo4鋼高速切削過程進行研究。研究不同切削速度下工件表面金相組織的轉變規律。

關鍵詞：42CrMo4鋼；有限元仿真；金相轉化；高速切削

Keywords：42CrMo4，Simulation，Phase transformation，High speed cutting

42CrMo4鋼具有優越的材料性能，調質后沒有明顯的回火脆性，且具有較高的疲勞強度和抗多次沖擊的能力。一般情況下在調質之后使用，常用于制造機車牽引用大齒輪、后軸、變速箱齒輪、發動機氣缸蓋等機械中承受沖擊、振動、彎曲、高載荷等強度要求較高的重要零件。[1]但是在高速切削時工件已加工表面溫度急劇增加，超過了材料金相組織變化溫度，對材料后期的使用性能產生了很大的影響。[2]通過有限元仿真技術研究高速切削時工件材料內部金屬的金相變化不僅能掌握材料金相組織的演變過程，而且對材料后期的使用性能進行深入的分析，是非常有意義的一項工作。[3-7]

本文基于DEFORM軟件，對高強度鋼42CrMo4的高速切削過程進行了切削仿真研究，主要研究高速切削42CrMo4鋼時金相轉化的變化規律，為高速切削工藝過程提供依據。

一、金相轉化切削仿真模型

國外學者Volker Schulze、Eckart Uhlmann 和Rolf Mahnken等人曾基于DEFORM有限元分析軟件，介紹了用于描述切削過程中金相轉化的模型。[6]

當冷卻速率很快，切削溫度迅速降低到 點并繼續冷卻時，奧氏體會向馬氏體轉變。其轉變體積分數與過冷度呈現指數關系：

（10）

式中： ——轉變形成的馬氏體體積分數；

——過冷度，此處為 與冷卻溫度 的差值，即 ；

——常數，取值-0.011。

已加工表面冷卻較慢時，會發生由奧氏體向珠光體的轉變。轉變形成的珠光體的體積分數可表示為：

（11）

式中： ——轉變形成的珠光體的體積分數；

——與溫度相關的速度常數；

——時間；

——與相變類型相關的常數。

當冷卻速率小于完全形成馬氏體的冷卻速率，并大于形成珠光體的冷卻速率時，會有貝氏體的形成。

在高速切削中，雖然會產生較高的切削溫度，但是由于切削速度快單位時間內被切屑帶走的熱量較多，會使得已加工表面冷卻速率很快。因此，在已加工表面上最有可能獲得馬氏體組織。

二.切削仿真過程金相組織轉化分析

（一）工件及切削參數

本文研究對象為調質后的42CrMo4鋼，其金相組織為回火索氏體（細珠光體）。刀具材料為SiC晶須增韌 陶瓷刀具。研究不同切削參數對金相組織轉化的影響。進給量為f=0.03mm/r；切削速度分別為：300 m/min，刀具前角 ，刀具后角 ，刀尖圓弧半徑r=0.005mm；工件尺寸為0.5mm×0.5mm（減小工件模型尺寸目的是減少模擬冷過程所用的時間）。

（二）仿真結果及分析

圖1為切削過程中，工件材料的金相轉化過程。從圖中可以看出切削時間從0.000545 ms--0.00328 ms -0.00524 ms-0.0641ms發展的過程中，金相組織的轉化過程為：無變化（珠光體）-0.782奧氏體生成-冷卻區出現貝氏體-開始生成馬氏體，冷卻后已加工表面溫度冷卻為20.01℃時，在冷卻后的已加工表面上，殘余奧氏體的最大體積分數約為5.6%，珠光體的最小體積分數約為52.55%，馬氏體的最大體積分數約為46.88%。

從中可以看出，切削過程中，當切削溫度達到奧氏體化溫度后，首先在切削區域發生由珠光體向奧氏體的轉變；在切削過后會在已加工表面上發生由奧氏體向珠光體、馬氏體和貝氏體的反向轉變，并且反向轉變得到珠光體和馬氏體的體積分數較大，反向轉變得到的貝氏體的體積分數較小（可以忽略不計）；由于反向轉變的不完全性，還會存在極少量的殘余奧氏體。

三、結論

通過高速切削42CrMo4鋼金相轉化仿真分析，發現：當切削溫度達到奧氏體化溫度后，在切削區域珠光體開始向奧氏體轉變，且隨時間的增加越來越多；冷卻過程中，奧氏體向珠光體、馬氏體和貝氏體等金相組織的反向轉變。其中，馬氏體的體積分數較大，確定已加工表面產生的白層為馬氏體層和少量殘余奧氏體。

參考文獻

[1]嚴帥，王明建，胡小康，et al. 基于DEFORM-3 D的鈦合金切削仿真研究[J]. 組合機床與自動化加工技術，2014（10）：135-137.

[2]慶振華. 高強度鋼42CrMo硬態切削切屑形成機理的研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2015.

[3]景旭文，王楚輝，周宏根，等. 基于Deform-3D的42CrMo鋼銑削仿真分析[J]. 工具技術，2018（2）：71-75.

[4]孔凡新，吳夢陵，李振紅，等. 金屬塑性成型CAE技術DYNAFORM及DEFORM[M]. 北京：電子工業出版社，2018.

[5]李傳民，王向麗，閆軍華，等. DEFORM5.03金屬成形有限元分析實例指導教程[M]. 北京：機械工業出版社，2006.

[6]Schulze V，Uhlmann E，Mahnken R，et al. Evaluation of different approaches for modeling phase transformations in machining simulation[J]. Production Engineering，2015，9（4）：437-449.

[7]Zhang W，Zhang P K. Axial Vibration Drilling Machining Simulation of 2A12 based on Deform[J]. Equipment Manufacturing Technology，2011.

作者簡介：付宏鴿（1980-），副教授，碩士生導師，研究方向為難加工材料加工與仿真技術。

基金項目：河北省高等學校科學研究項目（QN2017002），廊坊市科學技術研究與發展計劃（2017011051），北華航天工業學院博士科研啟動基金（BYK-2015-01）資助。

（作者單位：北華航天工業學院 機電工程學院）