吳茂寧，趙威，何寧

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

薄壁軸承套圈是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人用薄壁軸承中的重要構(gòu)成部件，主要采用軸承鋼制造。由于其兼具高強(qiáng)、高硬、薄壁等典型特征，因而加工質(zhì)量、加工效率等問題一直是軸承制造業(yè)亟待解決的難題。對(duì)該類高硬度金屬材料的精密機(jī)械加工，常采用磨削加工方式，但磨削加工具有材料去除率低、污染重等缺點(diǎn)[1]。因此，隨著超硬刀具材料的研制和應(yīng)用，以加工硬度較高金屬材料(硬度在42～65 HRC之間)為特征的硬切削技術(shù)亦隨之興起并得以推廣應(yīng)用。目前，“以車代磨”在精密切削加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

硬切削技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在能夠大幅提升高硬材料零件的加工效率、降低因使用切削液帶來的環(huán)境污染，還體現(xiàn)在能夠有效提升該類材料零件的表面完整性及其使用性能。其中，表面殘余應(yīng)力則是衡量表面完整性的重要參數(shù)之一。通常表面殘余應(yīng)力主要是工件在切削過程中發(fā)生熱塑性變形引起的，與加工參數(shù)、刀具參數(shù)、材料參數(shù)等因素密切相關(guān)[3-4]。近年來，許多研究者致力于研究如何控制硬切削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，以提高產(chǎn)品的疲勞壽命。何少杰等[5]研究了切削參數(shù)、刀具參數(shù)、工件材料參數(shù)等對(duì)切削殘余應(yīng)力的作用，并對(duì)殘余應(yīng)力與疲勞壽命之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。劉彥臣等[6]通過試驗(yàn)研究，分析了不同切削參數(shù)下切削34CrNiMo6鋼時(shí)的殘余應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命起主要作用并且壓應(yīng)力對(duì)疲勞壽命有益。此外，HUANG K等[7]研究了基本切削變量對(duì)殘余應(yīng)力的影響，并分析了刀具前角與殘余應(yīng)力的關(guān)系，結(jié)果表明殘余應(yīng)力幅值隨刀具前角的增大而增大。PAWAR S等[8]借助有限元分析軟件預(yù)測(cè)了硬車削AISI52100的表面殘余應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度和進(jìn)給量升高時(shí)殘余應(yīng)力均隨之升高。

目前，針對(duì)軸承鋼材料的硬態(tài)精密切削刀具選擇方面，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具具有較高的性價(jià)比，但刀具磨損過快問題仍較突出，并且表面質(zhì)量與傳統(tǒng)磨削相比并不具備優(yōu)勢(shì)。此外，PCBN刀具可以高效、高質(zhì)量加工軸承鋼材料[9]，但加工成本相對(duì)較高。隨著PCD、CVD等金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展，已有研究表明金剛石刀具在低溫冷卻條件下可以用來加工模具鋼等黑色金屬材料[10-11]，且具有較高的性價(jià)比。為此，本文嘗試選用CVD金剛石刀具在低溫CO2冷卻下進(jìn)行低溫硬車削GCr15軸承鋼材料，重點(diǎn)探討低溫硬切削表面殘余應(yīng)力的分布規(guī)律和切削參數(shù)對(duì)其影響規(guī)律，以期為該類材料的精密硬切削提供新的途徑。

1 試驗(yàn)條件及測(cè)量方法

1.1 試驗(yàn)條件

工件材料為GCr15軸承鋼，工件直接選用NU211圓柱滾子軸承內(nèi)圈(硬度62 HRC)；工件尺寸：外圓直徑66mm，內(nèi)圓直徑55mm，環(huán)寬21mm。刀具為CNMA120412-2N型CVD金剛石刀具，刀具前角-6°，后角6°，刀尖圓弧半徑1.2mm。試驗(yàn)用機(jī)床為EMAG VL2立式數(shù)控車床；夾具為ABSIS01型膨脹芯軸；切削參數(shù)如表1所示。此外，為抑制金剛石刀具切削軸承鋼時(shí)的刀具磨損，利用羊角管噴射低溫CO2進(jìn)行冷卻，試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法。

表1 單因素試驗(yàn)參數(shù)表

1.2 測(cè)量方法

為了測(cè)量距離工件表面不同深度下的殘余應(yīng)力，應(yīng)用X-350A型X射線應(yīng)力分析測(cè)量儀先對(duì)工件已加工表面測(cè)量，然后利用電腐蝕裝置對(duì)工件進(jìn)行一層層腐蝕，每腐蝕完1層測(cè)量1次，殘余應(yīng)力測(cè)量儀和電腐蝕裝置如圖1所示。其中，逐層測(cè)量時(shí)，沿軸承周向等間隔選取3個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)量周向和軸向殘余應(yīng)力，為使結(jié)果更可靠取平均值作為評(píng)價(jià)分析數(shù)據(jù)。

圖1 殘余應(yīng)力測(cè)試裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

圖2為當(dāng)進(jìn)給量為0.05mm/r、切削深度為0.03mm時(shí)切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響。從圖2可以看出，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的耦合作用下，GCr15軸承鋼加工表面層的周向和軸向殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力；周向殘余應(yīng)力幅值表現(xiàn)為先增大再減小進(jìn)而趨于穩(wěn)定的分布狀態(tài)，而軸向殘余應(yīng)力幅值增大幅度不明顯。與此同時(shí)，周向和軸向最大殘余應(yīng)力幅值主要出現(xiàn)表面層下5～10μm處。

圖2 切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

此外，從圖2還可以看出最大殘余應(yīng)力幅值隨切削速度增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，但150m/min切削速度下的周向殘余應(yīng)力幅值大于250m/min切削速度下的數(shù)值。這主要是因?yàn)榍邢鲄^(qū)材料同時(shí)承受因擠壓變形帶來的壓應(yīng)力和因切削熱帶來的拉應(yīng)力的共同作用，而擠壓變形作用相對(duì)更大，所以加工表面呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。隨著切削速度的增大，因擠壓變形相比切削溫度升高帶來的影響更加顯著，因此表面殘余壓應(yīng)力幅值亦隨之增大。而在150m/min切削速度下出現(xiàn)了輕微顫振，因此周向殘余應(yīng)力幅值大于200m/min速度下的幅值。

2.2 進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

圖3為切削速度為200m/min、切削深度為0.03mm時(shí)進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響。從圖3可見，不同進(jìn)給量下的周向和軸向殘余應(yīng)力幅值同樣表現(xiàn)為先增大再減小進(jìn)而趨于穩(wěn)定的分布狀態(tài)，周向和軸向最大殘余應(yīng)力幅值亦主要出現(xiàn)在表面層下5～10μm處。此外，周向和軸向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且應(yīng)力幅值隨著進(jìn)給量的增大而增大。這是因?yàn)榈毒邤D壓變形帶來的壓應(yīng)力增量大于熱應(yīng)力帶來的拉應(yīng)力增量，并且進(jìn)給量的增大加大了刀具-切屑之間的接觸面積，散熱條件變差，刀具擠壓變形增多，因此最大殘余應(yīng)力幅值逐漸增大。

圖3 進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

2.3 切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

圖4為切削速度為200m/min、進(jìn)給量為0.05mm/r時(shí)，切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)不同切削深度下的表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，同樣表現(xiàn)為先增大再減小進(jìn)而趨于穩(wěn)定的分布狀態(tài)。除個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，周向和軸向最大殘余應(yīng)力幅值亦主要出現(xiàn)在表面層下5～10μm處。當(dāng)切削深度增大時(shí)，周向最大殘余應(yīng)力幅值隨之升高，而軸向最大殘余應(yīng)力增幅較小。這主要是因?yàn)榍邢魃疃茸兇髸?huì)使刀具對(duì)加工工件的擠壓作用變大、單位時(shí)間內(nèi)生熱變多，同時(shí)刀具-切屑之間接觸面積變大，使得散熱條件改善，從而降低了切削熱引起的拉應(yīng)力，并且切削時(shí)切削深度的增大在工件的周向上帶來更大的作用。綜合上述作用最大殘余壓應(yīng)力幅值隨之升高，且周向最大殘余壓應(yīng)力幅值變化明顯。

圖4 切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

3 結(jié)語

開展了CVD金剛石刀具低溫硬車削GCr15軸承鋼的試驗(yàn)，對(duì)切削速度、進(jìn)給量和切削深度與周向和軸向殘余應(yīng)力之間的影響關(guān)系進(jìn)行分析，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)得到結(jié)論如下：

1)GCr15軸承鋼的加工表面殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力；殘余應(yīng)力幅值沿表面層深度方向呈先增大再減小進(jìn)而趨于穩(wěn)定的分布狀態(tài)，最大殘余應(yīng)力幅值主要出現(xiàn)在表面層下5～10μm處；最大周向殘余應(yīng)力幅值略大于最大軸向殘余應(yīng)力幅值。

2)當(dāng)切削速度和進(jìn)給量增大時(shí)，周向和軸向最大殘余應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)出隨之增大的趨勢(shì)；而當(dāng)切削深度增加時(shí)，周向最大殘余應(yīng)力幅值隨之增大，但軸向最大殘余應(yīng)力幅值呈無明顯變化趨勢(shì)。