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(chǎn)生大量的切削熱，切削溫度超過了材料金相組織轉(zhuǎn)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(xiàn)象，通過有限元仿真技術(shù)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(zhuǎn)變規(guī)律。

關鍵詞：42CrMo4鋼；有限元仿真；金相轉(zhuǎn)化；高速切削

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

42CrMo4鋼具有優(yōu)越的材料性能，調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)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(fā)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(chǎn)生了很大的影響。[2]通過有限元仿真技術(shù)研究高速切削時工件材料內(nèi)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(zhuǎn)化的變化規(guī)律，為高速切削工藝過程提供依據(jù)。

一、金相轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xù)冷卻時，奧氏體會向馬氏體轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變體積分數(shù)與過冷度呈現(xiàn)指數(shù)關系：

（10）

式中： ——轉(zhuǎn)變形成的馬氏體體積分數(shù)；

——過冷度，此處為 與冷卻溫度 的差值，即 ；

——常數(shù)，取值-0.011。

已加工表面冷卻較慢時，會發(fā)生由奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變形成的珠光體的體積分數(shù)可表示為：

（11）

式中： ——轉(zhuǎn)變形成的珠光體的體積分數(shù)；

——與溫度相關的速度常數(shù)；

——時間；

——與相變類型相關的常數(shù)。

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(chǎn)生較高的切削溫度，但是由于切削速度快單位時間內(nèi)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(zhuǎn)化分析

（一）工件及切削參數(shù)

本文研究對象為調(diào)質(zhì)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(shù)對金相組織轉(zhuǎn)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(jié)果及分析

圖1為切削過程中，工件材料的金相轉(zhuǎn)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(fā)展的過程中，金相組織的轉(zhuǎn)化過程為：無變化（珠光體）-0.782奧氏體生成-冷卻區(qū)出現(xiàn)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(shù)約為5.6%，珠光體的最小體積分數(shù)約為52.55%，馬氏體的最大體積分數(shù)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(qū)域發(fā)生由珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變；在切削過后會在已加工表面上發(fā)生由奧氏體向珠光體、馬氏體和貝氏體的反向轉(zhuǎn)變，并且反向轉(zhuǎn)變得到珠光體和馬氏體的體積分數(shù)較大，反向轉(zhuǎn)變得到的貝氏體的體積分數(shù)較小（可以忽略不計）；由于反向轉(zhuǎn)變的不完全性，還會存在極少量的殘余奧氏體。

三、結(jié)論

通過高速切削42CrMo4鋼金相轉(zhuǎn)化仿真分析，發(fā)現(xiàn)：當切削溫度達到奧氏體化溫度后，在切削區(qū)域珠光體開始向奧氏體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變。其中，馬氏體的體積分數(shù)較大，確定已加工表面產(chǎn)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(shù)，2014（10）：135-137.

[2]慶振華. 高強度鋼42CrMo硬態(tài)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(shù)，2018（2）：71-75.

[4]孔凡新，吳夢陵，李振紅，等. 金屬塑性成型CAE技術(shù)DYNAFORM及DEFORM[M]. 北京：電子工業(yè)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(yè)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(shù)。

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(shù)研究與發(fā)展計劃（2017011051），北華航天工業(yè)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(yè)學院 機電工程學院）