段春爭，張方圓, 徐欣欣

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)*

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高速切削淬硬鋼已加工表面白層形成規(guī)律研究

段春爭，張方圓, 徐欣欣

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)*

高速切削淬硬鋼已加工表面存在白層，對工件使用性能具有很大的影響，研究已加工表面白層對改善工件表面質(zhì)量和切削加工性具有重要意義.通過使用PCBN刀具高速干硬切削GCr15鋼和40CrNiMoA鋼實驗，分析了高速干硬切削表面產(chǎn)生白層的機(jī)制，研究了切削速度、后刀面磨損量等切削參數(shù)以及材料含碳量對白層厚度的影響規(guī)律.研究表明：白層形成過程中，已加工表面材料發(fā)生相變，白層厚度隨切削速度提高呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，隨刀具磨損量增加而增大；隨著工件材料含碳量增加，白層厚度增大.

高速干硬切削；淬硬鋼；白層；厚度；切削參數(shù)

0 引言

隨著機(jī)床技術(shù)進(jìn)步和新型刀具材料出現(xiàn)，目前已經(jīng)可以采用PCBN刀具、陶瓷刀具或者新型硬質(zhì)合金刀具對淬硬鋼進(jìn)行高速干式車削加工，其精度和表面粗糙度幾乎可以達(dá)到精磨工藝的水平[1-2].

研究表明，高速干硬切削已加工表面存在變質(zhì)層，根據(jù)加工方法不同，變質(zhì)層微觀組織及力學(xué)性能存在差異，高速干硬切削表面變質(zhì)層由白層和暗層組成.白層是一層超細(xì)晶粒層，一方面白層比基體硬度高，能提高工件抗磨損能力；另一方面，白層中普遍存在微觀裂紋，易導(dǎo)致材料剝落或成為疲勞源[3].高速干硬切削表面白層出現(xiàn)的廣泛性以及它對零件使用性能的重要影響，使許多學(xué)者對高速干硬切削已加工表面白層進(jìn)行了大量的理論和實驗研究[4-7].A. Attanasio和D. Umbrello等[4]對硬態(tài)切削AISI52100鋼表面白層的研究表明白層厚度隨刀具磨損的增加而增大；在150 m/min～350 m/min速度范圍內(nèi)，白層厚度隨切削速度增大先增加后減小.劉戰(zhàn)強(qiáng)[5]利用涂層硬質(zhì)合金刀具精密切削FGH95鋼，也發(fā)現(xiàn)隨著切削速度增大切削表面白層厚度先增加后減小.但是BoshehS.S和MativengaP.T[6]對高速切削H13工具鋼(54-56HRC)表面白層的研究中并沒有發(fā)現(xiàn)白層厚度隨刀具磨損增加而增大的現(xiàn)象.Umbrello[7]也對AISI52100淬硬鋼切削表面白層展開了研究，結(jié)果表明白層厚度隨著切削速度增大而增大.國內(nèi)外學(xué)者雖然做了大量的理論和實驗研究，但是他們研究中所采用的工件材料和切削參數(shù)范圍比較窄，沒有大范圍的選擇切削參數(shù)，沒有深入研究不同材料性質(zhì)對白層形成的影響.

研究切削條件對白層形成影響的規(guī)律，可以指導(dǎo)實際生產(chǎn)，根據(jù)工件材料特性選取適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)，控制已加工表面白層厚度，獲得最佳表面質(zhì)量以降低制造成本.本文采用工業(yè)中廣泛使用的GCr15鋼和40CrNiMoA鋼，對高速干硬切削已加工表面白層組織的顯微組織形態(tài)和組成物相等進(jìn)行了初步分析，得到了不同切削速度和刀具磨損量以及工件材料不同含碳量對白層厚度的影響規(guī)律，探討了白層形成機(jī)制.

1 實驗條件和方法

1.1 實驗條件

本實驗所用的機(jī)床為MULTUS B400-W型加工中心， GCr15鋼熱處理工藝為：加熱至850℃，保溫2 h，用機(jī)油淬冷，回火溫度為180℃，保溫4 h；40CrNiMoA鋼熱處理工藝為：加熱至850℃，保溫2 h，用機(jī)油淬冷，回火溫度為150℃，保溫4 h.試件經(jīng)過熱處理后平均硬度為60 HRC，其金相組織為針狀馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體.

在外徑為90 mm的工件上切割厚度為2 mm的小片，片高為6 mm，片間距2 mm.采用非涂層PCBN刀具對試件進(jìn)行正交切削，每個參數(shù)切削實驗作用在單一的小片上.

在高速干硬切削過程中由于多場耦合作用，刀具要承受高應(yīng)力、高應(yīng)變和高溫等.由于PCBN刀片抗沖擊能力差，為提高刀具耐用度通常對刀具刃口做負(fù)倒棱處理，負(fù)倒棱參數(shù)為bγ1×γ01=0.05 mm×(-20°).刀具其他幾何參數(shù)分別為后角α0=7°，前角γ0=-10°.為了研究后刀面磨損量對白層厚度的影響，本實驗所用刀片預(yù)制三種參數(shù)的后刀面磨損量(VB)，VB約為0(未磨損)、0.1、0.2 mm.

1.2 實驗方法

為研究切削參數(shù)對白層厚度的影響，本實驗以切削速度、后刀面磨損量為實驗因素.切削速度v分別選取200、250、350、450、550 m/min；后刀面磨損量為0、0.1、0.2 mm；進(jìn)給量f取為0.1 mm/r.

每組切削實驗結(jié)束后，截取工件橫截面并將截取的試件鑲嵌，再用金相砂紙打磨并拋光至鏡像表面.用4%的硝酸酒精進(jìn)行輕微腐蝕，清洗掉腐蝕液并干燥試件表面.將腐蝕后的試件放入光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察室中，觀察切削表面形貌，并測量白層厚度.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 已加工表面白層特征分析

圖1為SEM觀察圖.從圖中可見，經(jīng)過切削過程的工件表層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化.位于試件最表層的白層區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的晶粒細(xì)化，已觀察不出原始組織形態(tài).白層區(qū)域彌散分布著一些比較粗大的碳化物顆粒，白層厚度約為5μm.暗層組織比白層組織粗大，暗層區(qū)域彌散分布著一些比較小的碳化物顆粒.此外，白層和暗層之間分界線比較明顯，暗層和基體組織之間分界線比較模糊難以區(qū)分.

使用X射線衍射(XRD)對切削加工表面進(jìn)行物相分析，如圖2所示. 從標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片中檢索出各相對應(yīng)的衍射角度，并對各衍射峰標(biāo)定后可以看出，切削加工前淬火基體中奧氏體相即γ相的峰值不明顯，主要是馬氏體的α相.而經(jīng)過切削加工后，切削表面存在白層組織的衍射曲線顯示，奧氏體相(γ相)峰值明顯，這表明切削加工表面殘余奧氏體含量明顯增加；碳化物衍射峰值明顯，這與金相觀察下白層中彌散分布著粗大碳化物顆粒相符.XRD分析結(jié)果說明，白層中存在馬氏體、殘余奧氏體、碳化物.分析結(jié)果還說明白層在形成過程中發(fā)生了相變，白層是由于高速干硬切削過程中產(chǎn)生大量的切削熱，使已加工表面表層溫度瞬間達(dá)到材料奧氏體化溫度Ac1，表層材料組織重新奧氏體化，隨后切削工件在空氣中高速旋轉(zhuǎn)，已加工表面產(chǎn)生極高的冷卻速度，避開了奧氏體等溫轉(zhuǎn)變中的“C”曲線，使奧氏體在較低溫度迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，由于其冷卻速度比常規(guī)淬火冷卻速度高，新形成的馬氏體來不及長大，故得到的馬氏體非常細(xì)小，呈隱晶狀.奧氏體含碳量比鋼中含碳量要低，且在工件快速冷卻時溶碳能力下降，導(dǎo)致過飽和的碳以碳化物形式析出，在白層區(qū)域能夠觀察到比較粗大的碳化物顆粒.這與Attanasio A[4]、Chou Y K[8]和Kundrák J[9]的研究結(jié)果相符.

(v=250 m/min，f=0.1 mm/r，VB=0.2 mm)圖1 SEM下GCr15鋼切削表面的組織形態(tài)

1. 基體； 2. 550 m/min；3. 250 m/min；4. 350 m/min圖2 GCr15鋼切削表面XRD圖譜(f=0.1 mm/r,VB=0)

2.2 切削速度對白層厚度的影響

切削速度對切削溫度有顯著影響，隨著切削速度的提高，切削溫度會明顯上升，這對白層的厚度有較大影響.圖3和圖4分別為GCr15鋼和40CrNiMoA鋼隨著切削速度增大切削表面白層的組織形態(tài).從圖中可以看到，從低速到高速范圍內(nèi)，切削加工表面都存在比較明顯的白層組織.較低切削速度時，兩種材料切削表面白層厚度均在2 μm左右.隨切削速度增大，GCr15鋼表面白層厚度增加到4.5 μm，40CrNiMoA鋼表面白層增加到3 μm，白層明顯變厚.

(a) GCr15,v=250 m/min

(b) GCr15, v=350 m/min

(a) 40CrNiMoA,v=250 m/min

(b) 40CrNiMoA, v=450 m/min

為進(jìn)一步分析切削速度對白層厚度的影響規(guī)律，得到兩種材料切削表面白層厚度隨切削速度增大的變化規(guī)律，如圖5.結(jié)合切削表面SEM觀察圖，從圖5可知，較低切削速度范圍內(nèi)白層厚度隨速度增大的變化趨勢和較高切削速度下白層厚度隨速度增大的變化趨勢不同.在較低切削速度時，白層厚度隨著切削速度的增大而增大；而當(dāng)切削速度繼續(xù)增大時，白層厚度反而減小.這可能是由于在低速范圍內(nèi)，隨著切削速度的提高，產(chǎn)生的切削熱增加，傳入工件表面的熱量增加使表面發(fā)生相變的深度增加，白層厚度隨之增加；而在高速范圍內(nèi)，切削產(chǎn)生的熱量雖然增加，但由于切削速度高，大部分的熱量來不及傳入工件已加工表面，隨著切屑流出被切屑帶走或者隨工件高速旋轉(zhuǎn)散失到空氣中，白層厚度也就不會顯著增大.

圖5 切削速度對白層厚度的影響(f=0.1 mm/r，VB=0)

2.3 刀具磨損對白層厚度的影響

切削速度v=250 m/min、進(jìn)給量f=0.1 mm/r，不同后刀面磨損量(VB)，GCr15鋼切削表面白層組織如圖1、圖3(a)和圖6所示，40CrNiMoA鋼切削表面白層組織如圖4(a)和圖7所示.從圖中可以看出，VB=0，兩種工件材料切削表面白層厚度均比較小，在2 μm左右.VB=0.2時，白層組織明顯變厚，GCr15鋼白層厚度更是達(dá)到了5μm左右，40CrNiMoA鋼白層厚度也達(dá)到了4 μm左右.說明刀具磨損對白層厚度的影響比較明顯，實際生產(chǎn)中應(yīng)該注意控制刀具磨損來控制表面白層厚度.

圖6 不同刀具磨損GCr15鋼已加工表面白層組織(VB=0.1 mm)

(a) VB=0.1 mm

(b) VB=0.2 mm

從圖8可以看出，隨著后刀面磨損加劇，已加工表面白層厚度有增大的趨勢.一方面，切削刃不是理想的鋒利狀態(tài)，存在鈍圓，工件加工表面會發(fā)生變形和回彈，使后刀面與已加工表面之間接觸長度和接觸時間增大，后刀面對已加工表面產(chǎn)生很強(qiáng)烈的擠壓和摩擦作用.后刀面磨損會在后刀面形成無后角的磨損平面，加劇與已加工表面的擠壓和摩擦.磨損量決定后刀面與已加工表面的接觸面積，隨磨損量的增加，后刀面與已加工表面之間接觸面積增大、摩擦作用加劇，產(chǎn)生摩擦熱增加，已加工表面溫度急劇升高，熱效應(yīng)影響深度也會增加.另一方面，隨著刀具磨損加劇，后刀面對已加工表面的機(jī)械擠壓作用增強(qiáng)，工件表層受到的應(yīng)力增大、產(chǎn)生應(yīng)變增大，奧氏體相變溫度降低，切削表面材料更容易奧氏體化，應(yīng)力對相變促進(jìn)作用凸顯出來，進(jìn)而使得白層厚度隨后刀面磨損加劇而增加.

圖8 后刀面磨損對白層厚度的影響(v=250 m/min, f=0.1 mm/r)

2.4 工件材料含碳量對白層厚度影響

對比40CrNiMoA鋼和GCr15鋼切削表面白層組織圖3和圖4，以及對比圖1、圖3(a) 、圖6和圖4(a)、圖7.從圖中可以看出，切削條件相同時，具有高含碳量的GCr15軸承鋼切削表面白層厚度明顯比中碳鋼40CrNiMoA切削表面白層厚度大.此外，從圖5和圖8可得出，其他切削條件相同，GCr15鋼切削表面白層厚度比40CrNiMoA鋼切削表面白層的厚度大.圖4中可得，GCr15鋼表面白層厚度最大為4.5 μm左右，比40CrNiMoA鋼的最大白層厚度3 μm大50%；從圖7中也能得出，GCr15鋼表面白層厚度最大為5 μm，比40CrNiMoA鋼的最大白層厚度4 μm大25%，這說明材料不同的含碳量對白層厚度有著很大的影響，實際生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)切削參數(shù)對不同碳含量鋼白層厚度影響的規(guī)律，合理選擇切削參數(shù)控制白層厚度.

GCr15鋼切削表面白層的厚度比較大的原因可能在兩方面：一方面，隨著材料含碳量增加，鐵素體和滲碳體的相界面總量增加，這有利于奧氏體形成.高含碳量材料在切削溫度達(dá)到奧氏體化溫度時能夠產(chǎn)生更多奧氏體組織，同時更多奧氏體組織增加了馬氏體形成的機(jī)會.切削過程中，GCr15鋼在高溫和強(qiáng)烈塑性變形共同作用下能夠產(chǎn)生比40CrNiMoA鋼更多奧氏體組織，隨后快速冷卻產(chǎn)生更多淬火馬氏體，得到的白層厚度也就比較大.

另一方面，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%時，隨著碳含量增加，獲得馬氏體的臨界冷卻速度下降，淬透性提高[10].淬透性是淬火時得到馬氏體的難易程度，淬透性越高冷卻獲得馬氏體就越容易，對基于相變機(jī)制產(chǎn)生的白層來說，淬透性高就越容易得到白層組織.由GCr15鋼和40CrNiMoA鋼化學(xué)成分含量可知，本實驗所用材料碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于1%.所以，隨著材料含碳量增加，獲得馬氏體的臨界冷卻速度降低，淬透性提高，試件在快速冷卻時表面就更容易得到馬氏體，熱效應(yīng)影響深度也就會增加.高含碳量的GCr15鋼切削表面在快速冷卻過程中更容易得到馬氏體，得到的白層厚度比較大.

2.5 切削表面殘余奧氏體含量

結(jié)合切削加工表面和基體的X射線衍射圖譜(圖2)，對殘余奧氏體定量分析得到切削表面殘余奧氏體含量如圖9所示.

圖9 GCr15鋼不同速度切削表面的殘余奧氏體含量

由圖可知，GCr15鋼淬火基體中殘余奧氏體含量在8%左右，切削加工表面殘余奧氏體含量均大于基體殘余奧氏體含量.結(jié)合圖中白層厚度隨速度變化趨勢，隨切削速度增大，白層厚度增大，切削表面殘余奧氏體的含量也有增加的趨勢；速度繼續(xù)增大，白層厚度減小的同時，切削表面殘余奧氏體含量有減小趨勢.切削加工表面殘余奧氏體含量隨速度增大的變化說明了切削溫度對白層形成的重要影響.切削速度增大，切削表面溫度升高，奧氏體化進(jìn)行的更加充分.高速切削階段，大部分切削熱被切屑帶走來不及傳入工件，奧氏體相變不能充分進(jìn)行，因此隨切削速度進(jìn)一步增加，切削表面殘余奧氏體的含量略有降低.

3 結(jié)論

(1) 高速干硬切削淬硬鋼表面由白層、暗層和基體材料三部分組成，存在比較明顯的分層現(xiàn)象；白層組織中存在超細(xì)晶粒、碳化物等組織形態(tài)，白層與暗層之間有比較明顯的界線；XRD物相分析結(jié)果表明白層中存在馬氏體、殘余奧氏體和碳化物，白層在形成過程中發(fā)生了相變;

(2)在一定的切削速度范圍內(nèi)，白層厚度隨著切削速度增加有先增加后減小的趨勢，隨著刀具磨損增加而增大；工件材料不同含碳量對白層的厚度影響也比較大，白層厚度隨工件材料的含碳量增加而增大;

(3)切削表面殘余奧氏體含量高于基體殘余奧氏體含量；且隨切削速度增加，有先增加后減小的趨勢;

(4)實際生產(chǎn)中可根據(jù)切削條件對不同碳含量工件材料白層厚度的影響規(guī)律，合理選擇切削速度，控制刀具磨損，以達(dá)到控制切削表面白層厚度，提高切削加工表面質(zhì)量的目的.

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Study on White Layer Formation in High Speed Machining of Hardened Steel

DUAN Chunzheng，ZHANG Fangyuan, XU Xinxin

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

High speed dry hard cutting process causes white layer on machined surfaces. Studying machined surface white layer is significant to improve work-piece machinability and performance. The experiments of high speed dry hard cutting of GCr15 steel and 40CrNiMoA steel were carried out with PCBN cutters, and the formation mechanism of the white layer on dry-hard machined surface were analyzed. The effects of cutting parameters and carbon content in bulk material on white layer thickness were studied. The results show that martensitic phase transformation is occurred during the formation process of the white layer. The white layer thickness is increased with increasing cutting speed, and then decreased with the increase of cutting speed. The white layer thickness is increased with the increase of flank wear and carbon content in the bulk material.

high speed dry hard cutting; hardened steel; white layer; thickness; cutting parameters

1673- 9590(2016)06- 0021- 06

2016-05-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375072)

段春爭(1970-)，男，副教授，博士，主要從事切削加工及先進(jìn)制造方面的研究

A

E- mail:dcz71@163.com.