高勝利，屈盛官，孫富建，張 良

(1.太原電力高等?？茖W(xué)?；A(chǔ)部，山西太原030013;2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

0 引言

鋁青銅，為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% ～12%Al元素的銅基合金，其主要的合金元素除了Cu，Al元素之外還包括Fe，Ni，Mn和Si等.鋁青銅合金具有優(yōu)越的物理性能、機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能，在合金中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合金元素時(shí)，高強(qiáng)耐腐蝕合金的工作溫度能夠達(dá)到400℃［1］.W.S.Li等從減磨性和耐磨性方面研究了Cu-14Al-X合金的機(jī)械和磨損性能，指出Cu-14Al-X合金可作為拉拔模具的材料［2］.L.Wang等利用空心陰極放電離子鍍技術(shù)，在QAL10-4-4鋁青銅刀具基體上沉積形成了鋁青銅涂層，明顯提高了刀具的耐磨性能［3］.

基于粘結(jié)和硬度對(duì)鋁青銅摩擦性能的影響，并考慮金相組織對(duì)鋁青銅機(jī)械和摩擦學(xué)性能的影響情況，李元元等研制出一種新的高強(qiáng)度耐磨鋁青銅合金.此種合金與另外兩種同類鋁青銅合金(日本 AIBC2(JIS H5114-79)合金和法國 UA9Fe3Y200(NFA 53-709-70)合金)相比，其屈服強(qiáng)度分別提高了44.5%和19.7%，布氏硬度分別提高了16.6%和11.9%［1］.Y.Y.Li利用 M2 高速鋼刀具和YW1硬質(zhì)合金刀具車削此鋁青銅，研究了切削過程中的磨損機(jī)理和粘結(jié)性能［4］.張?zhí)锏冗M(jìn)行了此高強(qiáng)度耐磨鋁青銅的滾壓實(shí)驗(yàn)，分析了滾壓速度和滾壓次數(shù)對(duì)工件表面粗糙度和顯微硬度的影響［5］.

切削是一個(gè)復(fù)雜的熱機(jī)過程，被切削工件表面承受高應(yīng)變速率、高應(yīng)變、高切削力和高切削溫度.表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力是表征切削表面質(zhì)量的三個(gè)主要參數(shù).YBC251涂層硬質(zhì)合金刀具在切削此高強(qiáng)度耐磨鋁青銅合金中表現(xiàn)出了優(yōu)于YW1硬質(zhì)合金的切削性能.為了研究此種刀具對(duì)被切削工件表面完整性的影響情況，本文利用YBC251涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)高強(qiáng)度耐磨鋁青銅合金進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)，分析了切削參數(shù)(切削速度、進(jìn)給量和切削深度)對(duì)切削工件表面質(zhì)量(表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力)的影響情況.

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

切削實(shí)驗(yàn)在C6132Al車床上進(jìn)行，切削過程中不使用任何潤滑劑和冷卻液.實(shí)驗(yàn)所用的高強(qiáng)耐磨鋁青銅合金的化學(xué)成分如表1所示［1］，機(jī)械性能如表2所示［1］.實(shí)驗(yàn)所用的 YBC251涂層(TiN/Al2O3/TiCN)硬質(zhì)合金刀具的角度參數(shù)如表3所示.

表1 高強(qiáng)耐磨鋁青銅合金化學(xué)成分組成Tab.1 Chemical composition of workpiece material(in weight percent) (wt.%)

表2 高強(qiáng)耐磨鋁青銅合金機(jī)械性能Tab.2 Mechanical properties of workpiece material

表3 YBC251涂層硬質(zhì)合金刀具角度參數(shù)Tab.3 Tool parameters of YBC251 coatde cemented carbide tool

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在切削實(shí)驗(yàn)中，切削速度、進(jìn)給量和切削深度的范圍分別為8～176 m/min，0.05～0.34 mm/r和0.1～3.0 mm.采用HVS1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量不同切削參數(shù)條件下工件表面的顯微硬度.硬度計(jì)設(shè)定條件:加載載荷9.8 N，加載時(shí)間20 s.采用盲孔法測(cè)量不同切削參數(shù)下工件表面的殘余應(yīng)力.在每個(gè)棒料上有7個(gè)切削加工段，分別記錄不同切削速度或不同進(jìn)給量條件下的殘余應(yīng)力，在不同的切削加工段的同一截面上均勻(0°，120°，240°)地鉆3個(gè) 2.0 mm 深的孔，每個(gè)孔貼一片兩向應(yīng)變片，分別測(cè)量在其切削條件下的軸向和環(huán)向殘余應(yīng)變值.根據(jù)高強(qiáng)度耐磨鋁青銅材料的力學(xué)特性(彈性模量 127 GPa，泊松比0.327)，通過彈性力學(xué)原理計(jì)算出在不同切削速度和不同進(jìn)給量下的軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 切削參數(shù)對(duì)表面加工硬化的影響

在切削過程中，工件表面同時(shí)受到切削力引起的塑性變形和切削溫度造成的高溫重結(jié)晶的影響，塑性變形引起工件表面加工硬化，高溫重結(jié)晶引起表面軟化，這兩者共同影響著被切削工件表面的加工硬化程度［6］.

2.1.1 切削速度的影響

如圖1所示，工件表面的顯微硬度隨著切削速度的增加而逐漸減小.在切削過程中，隨著切削速度的增加，切削產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)地增加，雖然增多的切屑帶走了更多的熱量，但是切削溫度仍然有所增加.鄧文君等利用有限元法研究了高強(qiáng)度耐磨鋁青銅正交切削加工的過程，發(fā)現(xiàn)切削溫度隨著切削速度的增加有大幅度的升高［7］.C.Dinc等建立了一種有限差分時(shí)域溫度預(yù)測(cè)模型，指出刀具-切屑接觸表面的最大溫度隨著切削速度的增加而增加［8］.由此可以得出，切削速度的增加引起了切削溫度的提高，造成了工件表面再結(jié)晶軟化.高溫軟化效應(yīng)的影響足以補(bǔ)償工件表面加工硬化作用的影響，從而引起工件表面的加工硬度降低.

圖1 切削速度對(duì)表面顯微硬度的影響Fig.1 Influence of cuting speed on surface microhardness

2.1.2 進(jìn)給量的影響

進(jìn)給量對(duì)工件表面顯微硬度的影響如圖2所示.隨著進(jìn)給量的增加，工件表面的顯微硬度增加，單位時(shí)間內(nèi)第一變形區(qū)和第二變形區(qū)的面積增加，導(dǎo)致切削力增加.增加了的切削力在一定程度上提高了刀具的磨損速率，切削刃的磨損影響了工件表面的金相組織［9-11］，同時(shí)增加的切削力提高了表面的塑性變形程度.因此，進(jìn)給量對(duì)表面顯微硬度的影響，可以歸于切削力的增加和刀具磨損速率的增加引起的加工硬化速率大于溫度軟化速率.

2.1.3 切削深度的影響

圖3所示為切削深度對(duì)工件表面顯微硬度的影響.隨著切削深度的增加，顯微硬度先增加，最后趨于平穩(wěn).在切削深度小于0.4 mm時(shí)，由于刀具刀尖圓弧(rε=0.4 mm)的作用，實(shí)際參與切削的刀具角度參數(shù)與刀具幾何角度不一致，導(dǎo)致加工工件表面的塑性變形減小，降低了表面的顯微硬度［12］.在切削深度大于 0.4 mm 時(shí)，切削深度的增加導(dǎo)致參與切削的切削刃長度也隨之增加，雖然切削力和產(chǎn)生的總熱量增加，但是工件表面的塑性變形和溫度不會(huì)有太大的變化，所以表面的顯微硬度值基本保持不變.

圖2 進(jìn)給量對(duì)表面顯微硬度的影響Fig.2 Influence of feed rate on surface microhardness

圖3 切削深度對(duì)表面顯微硬度的影響Fig.3 Influence of cutting depth on surface microhardness

2.2 切削參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

切削工件的表面殘余應(yīng)力是由切削力和切削溫度造成在不同深度方向上的不均勻塑性變形所引起的.殘余壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別與機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力相關(guān).切削力分為主切削力、切深抗力和進(jìn)給抗力，主切削力對(duì)環(huán)向殘余應(yīng)力影響最大，進(jìn)給抗力對(duì)軸向殘余應(yīng)力影響最大.

2.2.1 切削速度的影響

圖4所示為切削速度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響曲線.在切削過程中，對(duì)軸向殘余應(yīng)力影響最大的進(jìn)給抗力較小，對(duì)環(huán)向殘余應(yīng)力影響最大的主切削力較大，而進(jìn)給抗力引起的壓應(yīng)力不足以抵消熱應(yīng)力引起的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力分別表現(xiàn)為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力.隨著切削速度的增加，軸向殘余拉應(yīng)力先增大，而環(huán)向殘余壓應(yīng)力先減小，其形成機(jī)理均是增加切削速度，熱應(yīng)力引起的拉應(yīng)力的變化速率大于機(jī)械應(yīng)力引起的壓應(yīng)力的變化速率.繼續(xù)增加切削速度，軸向拉應(yīng)力減小，環(huán)向壓應(yīng)力增大.在切削大多數(shù)金屬材料工件表面質(zhì)量的研究中，切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響均呈現(xiàn)單調(diào)遞增或者遞減的變化［13-14］.在高強(qiáng)耐磨鋁青銅的切削過程中，可能是由于在中等切削速度時(shí)，刀具前刀面形成積屑瘤，增加了切屑與前刀面的摩擦，產(chǎn)生了大量的熱量.在切削溫度大于一定范圍后，熱應(yīng)力的影響開始起到主導(dǎo)地位［15］，增大了熱應(yīng)力對(duì)殘余應(yīng)力的影響，而較低速的切削速度不利于積屑瘤的形成.

圖4 切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響Fig.4 Influence of cutting speed on surface residual stress

2.2.2 進(jìn)給量的影響

圖5所示為進(jìn)給量對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響.由于軸向切削力小于環(huán)向切削分力，所以軸向殘余拉應(yīng)力總是略大于環(huán)向殘余拉應(yīng)力.隨著進(jìn)給量的增加，軸向殘余應(yīng)力先增加后減小，其變化規(guī)律與D.Y.Jang等切削奧氏體不銹鋼時(shí)殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同［14］.在一定的范圍內(nèi)，提高進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致切削溫度迅速增加，從而增大了軸向殘余拉應(yīng)力.當(dāng)超過一定的范圍時(shí)，熱應(yīng)力對(duì)工件表面的軟化作用逐漸減弱，引起軸向拉應(yīng)力減小.

隨著進(jìn)給量的增加，環(huán)向殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，并且隨之逐漸增加.在進(jìn)給量較小的情況下，由于刀尖圓弧的作用，厚度較薄的切屑形成過程相當(dāng)于刀具對(duì)工件表面的擠壓作用［16］，無法形成有效切削;當(dāng)進(jìn)給量逐漸增加時(shí)，逐漸形成有效的切削，從而殘余壓應(yīng)力逐漸變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力.

圖5 進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響Fig.5 Influence of feed rate on surface residual stress

3 結(jié)論

1)進(jìn)給量對(duì)加工表面的加工硬度影響最大，切削速度其次.雖然切削深度對(duì)加工硬度的影響最小，但是由于刀尖圓弧的影響，當(dāng)切削深度小于0.4 mm時(shí)，加工硬度隨著切削深度的增加而變化較大.

2)在切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響中，軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力分別表現(xiàn)為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力.由于積屑瘤的影響，表面軸向殘余拉應(yīng)力隨著切削速度的增加先增大后減小，而環(huán)向殘余壓應(yīng)力先減小后憎大.

3)在進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響中，軸向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，并隨著進(jìn)給量的增加先增加后減小.環(huán)向殘余應(yīng)力，隨著進(jìn)給量的增加，由于刀尖圓弧的影響，先為壓應(yīng)力，后逐步轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，隨后殘余拉應(yīng)力隨著進(jìn)給量的增加而增加.

［1］Li Y Y，Ngai T L，Xia W.Mechanical，friction and wear behaviors of a novel high-strength wear-resisting aluminum bronze［J］.Wear，1996，197:130-136.

［2］Li W S，Wang Z P，Lu Y，et al.Mechanical and tribological properties of a novel aluminum bronze material for drawing dies［J］.Wear，2006，261:155-163.

［3］ Wang L，Xu X L，Xu J J，et al.Microstructures and properties of PVD aluminum bronze coatings［J］.Thin Solid Films，2000，376:159-163.

［4］Li Y Y，Ngai T L，Xia W，et al.A study of aluminum bronze adhesion on tools during turning［J］.Journal of Materials Process Technology，2003.138:479-483.

［5］張?zhí)?，夏偉，李風(fēng)雷，等.高強(qiáng)度耐磨鋁青銅材料的滾壓性能研究［J］.工具技術(shù)，2007，41(2):27-31.Zhang Tian，Xia Wei，Li Fenglei，et al.Investigation on burnishing performance of aluminum-bronze alloy［J］.Tool Engineering，2007，41(2):27-31.(in Chinese)

［6］Sangil H，Shreyes N M，Micheal S H，et al.While layer formation due to phase transformation in orthogonal machining of AISI 1045 annealed steel［J］.Materials Science and Engineering A，2008，488:195-204.

［7］鄧文君，夏偉，周照耀，等.正交切削高強(qiáng)耐磨鋁青銅的有限元分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(3):71-75.Deng Wenjun，Xia Wei，Zhou Zhaoyao，et al.Finite element analysis of orthogonal machining high-strength wearresisting aluminium bronze［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，40(3):71-75.(in Chinese)

［8］Dinc C，Lazoglu I，Serpenguzel A.Analysis of thermal fields in orthogonal machining with infrared imaging［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，198:147-154.

［9］Su H H，Liu P，F(xiàn)u Y，et al.Tool life and surface integrity in high-speed milling of titanium alloy TA15 with PCD/PCBN tools［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2012，25:784-790.

［10］Kevin C Y，Song H.Thermal modeling for white layer predictions in finish hard turning［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture 2005，45:481-495.

［11］Wang J Y，Liu C R.The effect of tool flank wear on the heat transfer，thermal damage and cutting mechanics in finish hard turning［J］.Annals of the CIRP，199，48:53-58.

［12］Mohamed N A N，Ng E G，Elbestawi M A.Modelling the effects of tool-edge radius on residual stresses when orthogonal cutting AISI 316L［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2007，47:401-411.

［13］Mohammadpour M，Razfar M R，Jalili Saffar R.Numerical investigating the effect of machining parameters on residual stresses in orthogonal cutting［J］.Simulation Modelling Practice and Theory，2010，18:378-389.

［14］ Sridhar B R，Devananda G，Ramachandra K，et al.Effect of machining parameters and heat treatment on the residual stress distribution in titanium alloy IMI-834［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，139:628-634.

［15］Rahman Rashid R A，Berminham M J，Sun S，et al.The response of the high strength Ti-10V-2Fe-3Al beta titanium alloy to laser assisted cutting［J］.Precision Engineering，2013，37:491-472.

［16］Rech J，Moisan A.Surface integrity in finish hard turning of case-hardened steels［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2003，43:543-550.