304不銹鋼切削加工表面顯微硬度研究*

王 萌，徐江毅，周 滔，李 波，何 林,2，趙先鋒

(1.貴州大學機械工程學院，貴陽 550025；2.六盤水師范學院，貴州 六盤水 553004)

0 引言

304不銹鋼具有強度高、耐磨性好、抗腐蝕性能優(yōu)異等特性，廣泛應(yīng)用于航海航空、海洋工程等領(lǐng)域，屬于典型的難加工材料[1]。

影響金屬切削加工表面質(zhì)量的因素很多，加工表面質(zhì)量的預(yù)測與控制是加工制造領(lǐng)域的難題，國內(nèi)外很多學者進行了大量研究。唐聯(lián)耀等[2]通過實驗研究了切削速度對切屑形態(tài)特征、已加工表面粗糙度和輪廓最大高度的影響規(guī)律，分析了切屑底部毛邊形貌、已加工表面形貌與表面粗糙度三者之間的關(guān)系。占剛等[3]采用有限元仿真研究分析了不同切削參數(shù)對304不銹鋼表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。袁森等[4]研究了微坑車刀切削304不銹鋼后的表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)微坑車刀在切削過程中具有更小的切削力是導致表面粗糙度較低的主要原因。Gürbü H等[5]通過實驗研究了刀具前刀面形狀對表面完整性的影響，得到了前刀面的形狀通過影響在切屑和工件的分離區(qū)域所需的能量進而影響表面完整性的結(jié)論。Bedi S S等[6]通過實驗研究了AISI304不銹鋼在干切削條件下的加工性能，分析了刀具尖端平均溫度、切削力和側(cè)刃磨損深度與切削速度的關(guān)系。

本文采用硬質(zhì)合金車刀對304不銹鋼進行切削試驗，檢測不同切削參數(shù)下切削力和顯微硬度，分析切削參數(shù)對切削力和顯微硬度的交互影響規(guī)律；通過仿真試驗，提取不同切削參數(shù)下、距已加工表面不同深度的切削溫度；進而綜合切削力和切削溫度兩者的變化分析對顯微硬度的影響；通過分析硬化層的顯微結(jié)構(gòu)，研究顯微硬度、硬化深度與滑移線的關(guān)系，揭示加工硬化的變化原因。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗材料及機床刀具的選取

本次實驗在C6136HK數(shù)控車床上切削直徑為80 mm的304不銹鋼棒料，切削實驗平臺如圖1所示，304不銹鋼的材料性能參數(shù)如表1所示。刀具材料為硬質(zhì)合金，涂層材料為TiAlN，厚度為0.005 mm，車刀前角為8°，后角為7°，性能參數(shù)如表2所示。

表1 304不銹鋼的性能參數(shù)

表2 刀具的性能參數(shù)

圖1 切削實驗現(xiàn)場

1.2 仿真模型的建立

圖2 工件與刀具幾何模型

1.3 單因素實驗設(shè)計

當ap較小時，其對切削溫度和顯微硬度的影響較小[8]，因此在設(shè)計單因素實驗時，僅考慮不同切削速度和進給量對切削力、切削溫度和已加工表面顯微硬度的影響，如表3所示。

表3 單因素對比實驗設(shè)計

1.4 試樣制備與測試

在切削過程中，使用KISTLER 9257B測力儀測量三個方向的切削力。使用每組實驗重復3次并計算其平均值的方法來減小誤差。

在切削完成后，對棒料進行線切割制樣。將樣品徑向平面向下進行鑲嵌，經(jīng)打磨和拋光后，使用顯微硬度測試儀在樣品中間位置打點測量硬度。

2 切削力實驗結(jié)果與模型驗證

Fr(N)為三個方向的合力，其計算公式如式(1)所示?；趯嶒灁?shù)據(jù)得到切削參數(shù)對切削力交互作用的影響規(guī)律圖，如圖3所示。

(1)

式中:Fx(N)為切深抗力，F(xiàn)y(N)為進給抗力，F(xiàn)z(N)為主切削力，F(xiàn)r(N)為主切削力。

如圖3所示，F(xiàn)r隨著vc的增加而減小，隨著f的增加而增加。并且f和vc對Fx、Fy、Fz和Fr的響應(yīng)曲面上升比較明顯，并且等高線圖曲率半徑大，說明f和vc對Fx的交互影響顯著，同時f的增加比vc的增加對Fx的變化造成的影響更加明顯。

隨著vc的增大，摩擦減小，剪切角Φ增大，造成切屑厚度壓縮比Λh減小，從而減小了切削力；隨著f的增加，刀刃參與切削的長度增加，造成刀具與工件的摩擦力增大，材料去除率增大，從而增大了切削力[5]。因此，為了減小切削力，在ap一定時，應(yīng)當增大vc，減小f。

(a) f和vc對Fx的響應(yīng)曲面

(b) f和vc對Fy的響應(yīng)曲面

(c) f和vc對Fz的響應(yīng)曲面

(d) f和vc對Fr的響應(yīng)曲面圖3 切削參數(shù)對切削力的交互作用影響曲面圖

圖4為f=0.05 mm/r時，不同切削速度下主切削力仿真值與實驗值的對比。由實驗和仿真結(jié)果可知，主切削力隨著切削速度的增加而減小，且兩者的誤差均小于2%，證明該有限元模型較為可靠。

圖4 切削力實驗值與仿真值的對比(f=0.05 mm/r)

3 加工表面溫度仿真分析

利用Deform仿真軟件自帶的點追蹤功能從已建立的仿真模型中提取溫度變化，如圖5所示，vc為210 m/min，f為0.05 mm/r時溫度的仿真結(jié)果。距已加工表面不同深度下，溫度隨vc和f的變化如圖6所示。

圖5 vc=210 m/min，f=0.05 mm/r時，仿真結(jié)果

隨著距已加工表面深度的增加，其溫度在不斷的減小。如圖6a所示，已加工表面的溫度隨切削速度的增加先增加后減小，其原因在于隨著切削速度的增加，切削力不斷減小，切削熱不斷增加，同時，切削速度越大，切屑去除速度更快，帶走的熱量更多，工件傳熱越小，已加工表面溫度越低[10]；如圖6b所示，已加工表面的溫度隨進給量的增加而增加，其原因在于隨著進給量的增加，使材料發(fā)生剪切變形所需的能量增加，由此轉(zhuǎn)化成的熱量也會增多，從而引起了切削溫度上升[11]。

(a) 不同切削速度下已加工表面溫度

(b) 不同進給量下已加工表面溫度圖6 切削參數(shù)對已加工表面溫度的影響

4 顯微硬度實驗結(jié)果分析

4.1 顯微硬度

vc和f對HV的交互影響規(guī)律如圖7所示，vc和f對HV響應(yīng)曲面變化比較明顯，并且曲率半徑很大，說明vc和f對HV的交互影響很顯著，同時觀察到HV隨vc的增大，先增大后減小，變化幅度明顯，HV隨f的增加而增加，變化幅度相對較緩，從圖形整體看，前半段變化幅度比后半段變化增幅更加明顯。

圖7 vc和f對HV的交互影響

在切削過程中，切削區(qū)域會產(chǎn)生高溫、高壓等情況，造成已加工表面塑性變形和微觀結(jié)構(gòu)變化，從而導致加工硬化。加工硬化受塑性變形產(chǎn)生的強化作用和切削熱產(chǎn)生的弱化作用兩方面的共同影響：一方面，隨著塑性變形程度和切削力的增加，產(chǎn)生強化作用，硬化程度增大，硬化層深度也增大；另一方面，切削熱的增加，發(fā)生回復和再結(jié)晶，有助于表層金屬軟化，產(chǎn)生弱化作用，使金屬塑性提高[12]。

不同硬化深度的HV隨vc、f的變化曲線，如圖8所示。樣件最接近已加工表面的區(qū)域獲得最高硬度，并且隨著硬化深度的增加，HV不斷降低至基體硬度，即210HV。

如圖8a所示，HV隨著vc的增加先增大后減小。主要原因在于：當vc在90 m/min～150 m/min之間時，首先，切削加工產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生強化作用，vc的增加導致變形速度的提高和切削區(qū)域溫度增加，但此時強化作用超過弱化作用，回復和再結(jié)晶不能及時克服冷變形強化作用，使塑性下降，造成HV增大；vc在150 m/min～210 m/min之間時，隨著vc進一步的增加，切削力進一步減小，刀具與工件作用時間變短，使加工硬化來不及充分進行，雖然已加工表面溫度降低，但此時弱化作用大于強化作用，導致HV降低，此時HV的變化與圖6a的變化表現(xiàn)出了相似性，同時，文獻[13]在研究高強高硬鋼的顯微硬度與切削參數(shù)的關(guān)系和文獻[14]在研究H13鋼白層的形成時也觀察到同樣的HV隨著切削速度的增加反而降低的現(xiàn)象。

如圖8b所示，隨著f增加，HV增加。主要原因在于：f的增加會導致切削力增加、切削熱增加以及塑性變形程度增加，但切削熱所造成的弱化作用不足以彌補塑性變形所造成的強化作用，從而導致HV增加。

(a) vc對HV的影響 (b) f對HV的影響

4.2 加工硬化變化的微觀分析

位錯線是已滑移區(qū)域和未滑移區(qū)域的分界線，當位錯線在切應(yīng)力作用下移動時，滑移逐步發(fā)展，在大量位錯沿著同一滑移面移動到晶體表面時就形成了滑移線，滑移線發(fā)生聚集產(chǎn)生了滑移帶。

滑移帶作為位錯運動的結(jié)果是反映加工硬化的重要標志。因此，可以由滑移帶的取向、長度研究不同切削參數(shù)下，金屬的加工硬化現(xiàn)象[15]。

在不同切削速度和進給量下，測量304不銹鋼已加工表面上平均分布的5個點的滑移線距離表面的深度，求其平均值，如圖9、圖10所示，其顯微結(jié)構(gòu)如圖11、圖12所示。

圖9 不同切削速度下滑移線距已加工表面的平均深度 圖10 不同進給量下滑移線距已加工表面的平均深度

從圖11、圖12可知，304不銹鋼在切削后顯微組織發(fā)生明顯改變，晶粒的變形量增加，各晶粒內(nèi)均有大量的滑移線產(chǎn)生且滑移線方向相對加工表面的角度不同，隨著硬化深度的增加，滑移線密度逐漸減小，呈現(xiàn)出不均勻分布的特點。同時，出現(xiàn)明顯的滑移線交叉現(xiàn)象，文獻[16]在研究不銹鋼變質(zhì)層顯微結(jié)構(gòu)時也發(fā)現(xiàn)了同樣的滑移線交叉現(xiàn)象，認為在此處應(yīng)變誘導的馬氏體形核。滑移線距表面的平均深度值的變化與4.1節(jié)中顯微硬度隨切削速度和進給量的變化趨勢相同。

(a) vc=90 m/min,f=0.05 mm/r (b) vc=150 m/min,f=0.05 mm/r

(c) vc=210 m/min,f=0.05 mm/r

(a) vc=210 m/min,f=0.05 mm/r (b) vc=210 m/min,f=0.1 mm/r

(c) vc=210 m/min,f=0.15 mm/r

5 結(jié)論

通過304不銹鋼的切削實驗和有限元仿真，分析不同切削參數(shù)對切削力、已加工表面溫度和顯微硬度的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)通過直觀分析圖，分析vc和f的變化對顯微硬度的影響，發(fā)現(xiàn)ap一定時，大顯微硬度值出現(xiàn)在大進給量+中等切削速度區(qū)域。

(2)通過vc和f的變化，研究切削力和已加工表面溫度的變化，進而分析加工硬化變化的原因，并與實驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)顯微硬度值越大，滑移線越密集，硬化深度越深。