段春爭(zhēng), 徐欣欣

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

切削條件對(duì)淬硬鋼已加工表面白層形成的影響*

段春爭(zhēng), 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(duì)工件使用性能具有很大的影響，研究已加工表面白層對(duì)改善工件表面質(zhì)量和切削加工性具有重要意義。通過(guò)使用PCBN刀具高速干硬切削GCr15鋼和40CrNiMoA鋼實(shí)驗(yàn)，分析了高速干硬切削過(guò)程中已加工表面產(chǎn)生白層的條件，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(duì)白層厚度的影響規(guī)律。研究表明：已加工表面白層厚度隨切削速度提高呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)，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

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(duì)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)性能不同，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(duì)零件使用性能的重要影響，使許多學(xué)者對(duì)高速干硬切削已加工表面白層進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[4-7]。A. Attanasio和D. Umbrello等[4]對(duì)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150m/min～350m/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(duì)高速切削H13工具鋼(54-56HRC)表面白層的研究中并沒(méi)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(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)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(méi)有大范圍的選擇切削參數(shù)，沒(méi)有深入研究不同材料性質(zhì)對(duì)白層形成的影響。

研究切削條件對(duì)白層形成影響的規(guī)律，可以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中根據(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。本實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)中廣泛使用的GCr15鋼和40CrNiMoA鋼，對(duì)高速干硬切削已加工表面白層組織的顯微組織形態(tài)和厚度等進(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(duì)白層厚度的影響規(guī)律，探討了白層形成機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)條件和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)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2h，用機(jī)油淬冷，回火溫度為180℃，保溫4h；40CrNiMoA鋼熱處理工藝為：加熱至850℃，保溫2h，用機(jī)油淬冷，回火溫度為150℃，保溫4h。試件經(jīng)過(guò)熱處理后平均硬度為60HRC，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90mm的工件上切割厚度為2mm的小片，片高為6mm，片間距2mm。采用非涂層PCBN刀具對(duì)試件進(jìn)行正交切削，每個(gè)參數(shù)切削實(shí)驗(yàn)作用在單一的小片上。

在高速干硬切削過(guò)程中由于多場(chǎng)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(duì)刀具刃口做負(fù)倒棱處理，負(fù)倒棱參數(shù)為bγ1×γ01=0.05mm×-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(duì)白層厚度的影響，本實(shí)驗(yàn)所用刀片預(yù)制三種參數(shù)的后刀面磨損量(VB)，VB約為0mm，0.1mm，0.2mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為研究切削參數(shù)對(duì)白層厚度的影響，本實(shí)驗(yàn)以切削速度、后刀面磨損量為實(shí)驗(yàn)因素。切削速度分別選取v=200m/min，250m/min，350m/min，450m/min，550m/min；后刀面磨損量為0mm，0.1mm，0.2mm；進(jìn)給量選取為f=0.1mm/r。

每組切削實(shí)驗(yàn)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(cè)量白層厚度。

2 實(shí)驗(yàn)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(jiàn)，經(jīng)過(guò)切削過(guò)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。

通常認(rèn)為白層是由隱晶馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成[8]。這是由于高速干硬切削過(guò)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，隨著刀具移動(dòng)熱量向已加工表面內(nèi)部傳遞，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(lái)不及長(zhǎng)大，故得到的馬氏體非常細(xì)小，呈隱晶狀[4, 9- 10]。奧氏體含碳量比鋼中含碳量要低，在工件快速冷卻時(shí)碳未能完全溶解，導(dǎo)致過(guò)飽和的碳以碳化物形式析出，在白層區(qū)域能夠看到比較粗大的碳化物顆粒。暗層組織為回火馬氏體，由于溫度場(chǎng)沿著深度方向呈梯度分布，暗層區(qū)域正好處于回火溫度范圍內(nèi)。

SEM下組織形態(tài)圖1 GCr15鋼切削表面的組織形態(tài)(v=350m/min，f=0.1mm/r，VB=0.2mm)

2.2 切削速度對(duì)白層厚度的影響

切削速度對(duì)切削溫度有顯著影響，隨著切削速度的提高，切削溫度會(huì)明顯上升，這對(duì)白層的厚度有較大影響。圖2和圖3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(shí)，兩種材料切削表面白層厚度均在2μm左右。隨切削速度增大，GCr15鋼表面白層厚度增加到3.5μm，40CrNiMoA鋼表面白層增加到3μm，白層明顯變厚。

為進(jìn)一步分析切削速度對(duì)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4。結(jié)合切削表面SEM觀察圖，從圖4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(shì)和較高切削速度下白層厚度隨速度增大的變化趨勢(shì)不同。在較低切削速度時(shí)，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(shí)，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(lái)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(huì)顯著增大。

(a)GCr15,v=250m/min

(b)GCr15, v=350m/min圖2 不同切削速度GCr15鋼已加工表面白層組織(f=0.1mm/r，VB=0mm)

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

(b)40CrNiMoA, v=450m/min圖3 不同切削速度40CrNiMoA鋼已加工表面白層組織(f=0.1mm/r，VB=0mm)

圖4 切削速度對(duì)白層厚度的影響(f=0.1mm/r，VB=0mm)

2.3 刀具磨損對(duì)白層厚度的影響

切削速度v=350m/min、進(jìn)給量f=0.1mm/r，不同后刀面磨損量(VB)，GCr15鋼切削表面白層組織如圖1、圖2b和圖5所示，40CrNiMoA鋼切削表面白層組織如圖3a和圖6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2μm左右。VB=0.2時(shí)，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4μm左右。說(shuō)明刀具磨損對(duì)白層厚度的影響比較明顯，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該注意控制刀具磨損來(lái)控制表面白層厚度。

從圖7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(shì)。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(huì)發(fā)生變形和回彈，使后刀面與已加工表面之間接觸長(zhǎng)度和接觸時(shí)間增大，后刀面對(duì)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(huì)在后刀面形成無(wú)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)影響深度也就會(huì)增加。另一方面，隨著刀具磨損加劇，后刀面對(duì)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)力最大、產(chǎn)生應(yīng)變最大，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(duì)相變促進(jìn)作用凸顯出來(lái)，進(jìn)而使得白層厚度隨后刀面磨損加劇而增加。

圖5 不同刀具磨損GCr15鋼已加工表面白層組織(VB=0.1mm,V=350m/min)

(a)40CrNiMoA,VB=0.1mm,V=350m/min

(b)40CrNiMoA,VB=0.2mm,V=350m/min圖6 不同刀具磨損對(duì)40CrNiMoA鋼已加工表面白層組織

圖7 后刀面磨損對(duì)白層厚度的影響(V=350m/min)

2.4 工件材料含碳量對(duì)白層厚度影響

對(duì)比40CrNiMoA鋼和GCr15鋼切削表面白層組織圖2和圖3，以及對(duì)比圖1、圖2b 、圖5和圖3b、圖6。從圖中可以看出，切削條件相同時(shí)，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4和圖7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3.5μm左右，比40CrNiMoA鋼的最大白層厚度3μm大17%；從圖7中也能得出，GCr15鋼表面白層厚度最大為5μm，比40CrNiMoA鋼的最大白層厚度4μm大25%，這說(shuō)明材料不同的含碳量對(duì)白層厚度有著很大的影響，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)切削參數(shù)對(duì)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可能存在兩方面原因：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(shí)能夠產(chǎn)生更多奧氏體組織，同時(shí)更多奧氏體組織增加了馬氏體形成的機(jī)會(huì)。切削過(guò)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(shí)，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[11]。淬透性是淬火時(shí)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(duì)基于相變機(jī)制產(chǎn)生的白層來(lái)說(shuō)，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(shí)驗(yàn)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(shí)表面就更容易得到馬氏體，熱效應(yīng)影響深度也就會(huì)增加。高含碳量的GCr15鋼切削表面在快速冷卻過(guò)程中更容易得到馬氏體，得到的白層厚度比較大。

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。

(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(shì)，隨著刀具磨損增加而增大；工件材料不同含碳量對(duì)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)實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)切削條件對(duì)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。

[1] 龐俊忠，王敏杰，李國(guó)和，等. 高速切削淬硬鋼的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2006,17(S2): 421-425.

[2] 艾興等. 高速切削加工技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003.

[3] Choi Y. Influence of a white layer on the performance of hard machined surfaces in rolling contact[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2010, 224(8): 1207-1215.

[4] Attanasio A, Umbrello D, Cappellini C, et al. Tool wear effects on white and dark layer formation in hard turning of AISI 52100 steel[J]. Wear,2012, 286: 98-107.

[5] 劉戰(zhàn)強(qiáng)，呂紹瑜. 鎳基粉末高溫合金切削加工表面白層形成熱-力耦合作用機(jī)理[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014, 50(17):186-193.

[6] Bosheh S S, Mativenga P T. White layer formation in hard turning of H13 tool steel at high cutting speeds using CBN tooling[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2006, 46(2): 225-233.

[7] Umbrello D, Rotella G. Experimental analysis of mechanisms related to white layer formation during hard turning of AISI 52100 bearing steel[J]. Materials Science and Technology, 2012, 28(2): 205-212.

[8] Barry J, Byrne G. TEM study on the surface white layer in two turned hardened steels[J]. Materials Science and Engineering,2002,325(1-2): 356-364.

[9] Umbrello D. Analysis of the white layers formed during machining of hardened AISI 52100 steel under dry and cryogenic cooling conditions[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013,64(5-8): 633-642.

[10] Kundrák J, Gácsi Z, Gyáni K, et al. X-ray diffraction investigation of white layer development in hard-turned surfaces[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2012, 62(5-8): 457-469.

[11] 劉宗昌. 材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?cè)韀M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

(編輯 李秀敏)

Influence of the Cutting Condition on White Layer Induced by Machining of Hardened Steel

DUAN Chun-zheng，XU Xin-xin

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 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, the conditions of forming 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 research results show that the white layer thickness increases with increasing cutting speed, and then decreases with increase of cutting speed. The white layer thickness increases with increase of flank wear and carbon content in bulk material.

high speed dry hard cutting; hardened steel; white layer

1001-2265(2017)01-0141-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.039

2016-04-05；

2016-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金贊助項(xiàng)目(51375072)

段春爭(zhēng)(1970—)，男，黑龍江鶴崗人，大連理工大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)榍邢骷庸ぜ跋冗M(jìn)制造，(E-mail)dcz71@163.com。

TH161+.14; TG506.1

A