王敏

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029)

隨著再制造零部件應(yīng)用的精密化,對再制造零部件切削表面完整性的要求也越來較高。因此,針對再制造零件不同的工程應(yīng)用場景,優(yōu)化切削加工工藝,控制再制造零件表面完整性顯得尤為重要[1-2]。切削表面完整性的概念,由Field 等[3]在1964 年的美國Defense Metals Information Center 技術(shù)座談會上首次提出,表征、評價和控制切削過程中被加工零件表面層內(nèi)可能產(chǎn)生的各種變化及其對最終成品使用性能影響的一個綜合性指標(biāo)。隨后Field等[4]又詳細(xì)總結(jié)了與被加工零件表面完整性相關(guān)的測量方法,提出了一種用于評價表面完整性特征及其試驗測量的方法。

近年來,國內(nèi)外諸多學(xué)者對高溫合金的切削表面完整性進(jìn)行了研究。任小平[5]發(fā)現(xiàn)切削GH4169變質(zhì)層中存在最大殘余拉應(yīng)力,認(rèn)為切削力影響殘余拉應(yīng)力層深度和最大壓應(yīng)力值。何臨江[6]發(fā)現(xiàn)高壓射流冷卻方式下的Ti2AlNb 金屬間化合物切削表面質(zhì)量較好,冷卻后已加工表面殘余壓應(yīng)力增大(從-160 MPa逐漸變?yōu)?330 MPa)。楊慎亮等[7]發(fā)現(xiàn)切削TC4時,表面粗糙度隨fz和ae的增加而增大,vc對其影響不顯著,加工表面殘余應(yīng)力值隨vc的增加而減小,隨ae的增加先增大后減小的變化,隨fz的變化不明顯,均呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力狀態(tài)。Choi[8]發(fā)現(xiàn)硬態(tài)切削時較高切削速度產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力,導(dǎo)致表層軟化加劇。

眾多學(xué)者在對高溫合金切削表面完整性的實驗研究中,獲得了切削對表面完整性各指標(biāo)(表面粗糙度、表面顯微硬度和殘余應(yīng)力等)的影響規(guī)律,但不同工藝制備的高溫合金受切削影響的規(guī)律不同,尤其是噴涂和熔覆合金。本文針對再制造用FeCrBSi合金,研究切削(切削速度vc、進(jìn)給量f和刀具前角γ0)對表面質(zhì)量(表面粗糙度、表面形貌和殘余應(yīng)力再分布)臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律,為噴涂、熔覆再制造構(gòu)件的抗疲勞切削提供參考。

1 試驗

1.1 材料

切削材料為FeCrBSi 涂層合金。采用超高速電弧噴涂技術(shù)在45鋼基體上(?44×155 mm)制備,涂層厚度為1 000 μm(試樣規(guī)格?46×155 mm)。FeCrBSi涂層合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能、較強(qiáng)的耐高溫、耐磨損性能,良好的抗彎曲、抗沖擊和高溫沖蝕性能[9-10],和較高的結(jié)合強(qiáng)度,其合金各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及力學(xué)性能,見表1和表2。

表1 FeCrBSi合金各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 FeCrBSi合金力學(xué)性能

1.2 設(shè)備

切削設(shè)備選用自研制車銑復(fù)合加工機(jī)床,切削刀具選用Kennametal公司PVD TiAlN涂層硬質(zhì)合金系列刀片,型號CNMG120408,切削方式采用干切削,工件車削試驗現(xiàn)場照片如圖1所示。

圖1 工件及車削試驗現(xiàn)場

1.3 方案

FeCrBSi涂層合金的材料特性為高硬度、高耐磨性[11]。涂層合金中增強(qiáng)顆粒的存在使切削刀具承受較大的沖擊,故刀具的磨損很快。因此,切削所允許的切削深度較小(試驗切削深度固定為0.2 mm),一般采用低速和低進(jìn)給量進(jìn)行涂層切削[12-13]。單因素試驗方案,如表3所示,研究FeCrBSi涂層合金表面質(zhì)量(表面粗糙度、表面形貌和殘余應(yīng)力再分布)隨切削的變化規(guī)律。

表3 車削試驗方案

1.4 切削表面完整性檢測方案

TIME TR-240型便攜式粗糙度儀測量FeCrBSi合金切削表面粗糙度,測量時采用輪廓算術(shù)平均偏差Ra作為表面粗糙度的評價參數(shù),每個試樣的粗糙度值取三次平均值,取樣長度l=0.8 mm,評定長度5l。高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Nova NanoSEM 460/650,FEI Co.)用于觀察切削后FeCrBSi涂層的表面形貌。

X-350A型X 射線應(yīng)力測試系統(tǒng),測試切削后FeCrBSi涂層殘余應(yīng)力沿層深分布的大小,電解拋光法對噴涂層試樣進(jìn)行逐層刻蝕,用千分表測量剝除的層深厚度,測試時X射線光斑始終位于測點中心并記錄層深及相應(yīng)層深處軸向、周向殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果及分析

2.1 切削用量對表面粗糙度的影響

FeCrBSi涂層合金的切削表面粗糙度特征與切削用量密切關(guān)聯(lián)[14]。涂層合金切削時的擠壓、摩擦,切屑形成時的滑移剪切、分離時的塑性變形,以及增強(qiáng)基顆粒對刀具的沖擊振動等因素,都會在已加工涂層表面上形成凸峰和凹谷等微觀現(xiàn)象。

圖2展示了切削用量對FeCrBSi涂層合金表面粗糙度Ra的影響規(guī)律。

圖2 切削用量對表面粗糙度的影響

vc較低時(60 m/min),易在前刀面上形成積屑瘤(如圖3),積屑瘤的存在將惡化涂層切削表面質(zhì)量,導(dǎo)致Ra增大。隨著vc提高和f的減小,積屑瘤得到抑制,已加工涂層表面波紋間距減小,Ra隨之降低,如圖2b)所示。但是,涂層合金切削時的f不能太小,因為f減小,Fc(主切削力)會降低,切削力的減少會因涂層合金中起骨架作用的Cr7C3等[10]增強(qiáng)基顆粒的存在(如圖4),導(dǎo)致切削振動加劇,涂層Ra增大。一般的,FeCrBSi合金已加工Ra隨f的降低穩(wěn)定在0.87 μm左右。

圖3 積屑瘤

圖4 原位增強(qiáng)基顆粒

刀具前角γo增大,切屑形成時的剪切角Φ增大,剪切滑移塑性變形、切屑變形ξ及變形系數(shù)φ隨之降低,會引起刀-屑間的摩擦力和正應(yīng)力下降,因此Ra隨γo的增大(γo從5°增大到15°)而降低,變化曲線如圖2c)所示。γo的增大,切削力和切削溫度會降低,積屑瘤和鱗刺的生成得到抑制,系統(tǒng)振動降低,從而提高了FeCrBSi涂層切削表面質(zhì)量[15]。

2.2 涂層切削表面形貌

FeCrBSi 涂層合金的切削表面形貌是涂層材料特性和可切削性的直觀反映,與再制造零件的使用性能,如摩擦、潤滑、配合性以及抗磨損和耐腐蝕性能,密切相關(guān)。

vc較低(60 m/min以下)切削涂層形成的積屑瘤(見圖3)會伸出刀尖和刀刃外替代切削刃進(jìn)行切削,導(dǎo)致切削表面會出現(xiàn)不規(guī)則的形貌變化,在已切削表面“復(fù)印”出深度和寬度各不相同的犁溝(見圖5中1和2位置處的深度)。

圖5 犁溝形貌

FeCrBSi涂層合金中彌散分布著起骨架作用的Cr7C3、SiC等增強(qiáng)基顆粒,如圖4所示。切削時,一部分硬質(zhì)相增強(qiáng)基顆粒留在原位,還有一部分被切斷,如圖6所示。

圖6 增強(qiáng)顆粒的切斷和脫粘及切削表面的滑擦

增強(qiáng)基顆粒的被切削增大了已加工表面微裂紋、微劃痕等微缺陷出現(xiàn)的機(jī)率[16]。由于涂層增強(qiáng)顆粒硬度很大(約2 200 HV),切削初期,一部分切削刃會快速磨損形成刃口鈍圓,刃口鈍圓切削涂層時會存在一個最小切削厚度[17],當(dāng)實際有效切削厚度小于最小切削厚度(0.05～0.1 mm)時,刀具與涂層間將不能進(jìn)行正常切削,會在已加工涂層表面形成滑擦和犁耕,疊加增強(qiáng)基顆粒被切削造成的微缺陷,嚴(yán)重時會惡化涂層切削表面質(zhì)量[18]。

2.3 切削用量對涂層殘余應(yīng)力再分布的影響

2.3.1 切削速度對殘余應(yīng)力的影響

切削速度vc對軸向(進(jìn)給方向)殘余應(yīng)力的影響顯著高于周向(切削速度方向)殘余應(yīng)力,如圖7b)、圖7d)與圖7a)、圖7c)的比較圖。

圖7 使用ToolⅠ和ToolⅡ時切削速度對殘余應(yīng)力沿層深再分布的影響

可見,切削產(chǎn)生的涂層材料擠壓、側(cè)流行為對殘余應(yīng)力的影響比材料去除作用更加顯著。隨著vc的提高,軸向切削力比周向切削力增加的幅度更大[12],單位時間內(nèi)在接觸面產(chǎn)生更大的摩擦、碾壓和犁耕,即進(jìn)給方向涂層材料的塑性變形引起的表面殘余壓應(yīng)力明顯大于周向剪切引起的殘余拉應(yīng)力[19-20]。

不同切削速度下,涂層殘余應(yīng)力在表面60 μm區(qū)域內(nèi),由初始?xì)堄嗬瓚?yīng)力再分布為壓應(yīng)力。深度10～30 μm的區(qū)域內(nèi),殘余應(yīng)力具有較大的梯度下降,然后殘余壓應(yīng)力減小后向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變,深度90 μm后殘余應(yīng)力又恢復(fù)到涂層初始?xì)堄鄳?yīng)力狀態(tài),殘余應(yīng)力曲線整體呈“勺”形分布。切削速度顯著影響著涂層表層最大殘余壓應(yīng)力值。vc為70 m/min,f為0.12 mm/r,軸向和周向殘余應(yīng)力疊加后,涂層表面殘余壓應(yīng)力為-100 MPa,層深30 μm處,殘余壓應(yīng)力值最大為-450 MPa。

切削過程是一個多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傳遞過程,隨著切削速度的提高,刀尖處瞬態(tài)切削溫度約400 ℃,在與涂層材料的擠壓、摩擦與切屑分離共同作用下,切削溫度由表層向內(nèi)快速下降,刀具離開后涂層表層內(nèi)彈性變形的那部分材料先開始彈性恢復(fù),并趨于收縮,表層內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng)力。發(fā)生塑性延伸的涂層表層材料,變形后無法隨切削熱和切削力快速消散,導(dǎo)致內(nèi)外層材料的力學(xué)變化不同步,因而在涂層表層產(chǎn)生壓應(yīng)力的疊加,造成表面和表層殘余應(yīng)力均有所增大。

2.3.2 進(jìn)給量對殘余應(yīng)力的影響

不同進(jìn)給量對涂層殘余應(yīng)力再分布的影響,如圖8所示。較低vc(60 m/min以下),涂層殘余應(yīng)力對f較敏感,f= 0.06 mm/r時涂層表面殘余拉應(yīng)力再分布為20 MPa,表層殘余應(yīng)力呈拉應(yīng)力沿層深線性增大。當(dāng)f增加到0.12 mm/r時,涂層殘余應(yīng)力再分布為壓應(yīng)力(表面殘余壓應(yīng)力值最大為-200 MPa),然后殘余應(yīng)力沿層深由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變,如圖8a)與圖8b)所示。較低f下,由切削引起的塑性凸出效應(yīng)明顯,并疊加涂層原有的殘余拉應(yīng)力,使再分布后的涂層殘余拉應(yīng)力值增大。隨著進(jìn)給量的增加刀具后刀面與已加工涂層表面的擠壓摩擦增大,使涂層表面產(chǎn)生拉伸塑性變形,刀具離開后,材料的壓縮效果與原有殘余應(yīng)力疊加,再分布后的涂層殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主。

較高vc(70 m/min以上)下,涂層殘余應(yīng)力隨f的增加而整體下移,沿層深均呈“勺”形分布,如圖8c)與圖8d)所示,涂層表面殘余應(yīng)力從-70 MPa變化到-80 MPa,層深20 μm處,殘余壓應(yīng)力值最大(從-145 MPa增加到-265 MPa),最大殘余壓應(yīng)力是切削時涂層表層塑性變形與刀具擠光效應(yīng)疊加的結(jié)果[21-22]。

圖8 使用ToolⅠ和ToolⅡ時進(jìn)給量對涂層殘余應(yīng)力沿層深再分布的影響

隨著f的增加,單位時間內(nèi)涂層材料切除增多,刀具與涂層材料之間的摩擦增大,由切削熱引起的塑性凸出效應(yīng)對涂層殘余拉應(yīng)力沿層深分布的影響明顯,層深60～70 μm處,再分布后的殘余應(yīng)力從壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。

2.3.3 刀具前角對殘余應(yīng)力的影響

Tool Ⅰ(γo=5°)切削涂層表面殘余應(yīng)力約為-1 MPa,Tool Ⅱ(γo=15°)切削涂層表面殘余應(yīng)力增加了-200 MPa。隨著刀具前角的增加涂層殘余應(yīng)力曲線整體下移,如圖9所示,都呈“勺”形分布。表層殘余壓應(yīng)力先增大后減小,然后沿層深向殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。γo的增加(5°增加到15°)直接影響著殘余應(yīng)力值的變化,因為γo增加,切削力和切削溫度降低,剪切角Φ和刀刃前方金屬壓縮變形ξ隨之減小,塑性凸出效應(yīng)降低,第三變形區(qū)的擠光效應(yīng)顯著[23],再分布后的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力增加和拉應(yīng)力的減少。

圖9 刀具前角從 5°增大到15°對涂層殘余應(yīng)力的影響

3 結(jié)論

1)FeCrBSi合金涂層表面粗糙度隨切削速度的增大、進(jìn)給量的減少、刀具前角的增大而減小。切削過程中,較低切削速度(60 m/min下)形成的積屑瘤替代切削刃進(jìn)行切削,會在已切削表面“復(fù)印”出深度和寬度各不相同的犁溝。

2)切削參數(shù)對 FeCrBSi涂層合金軸向殘余應(yīng)力的影響比周向殘余應(yīng)力大。較低切削速度(60 m/min下),涂層殘余應(yīng)力對進(jìn)給量的變化較為敏感,進(jìn)給量為0.06 mm/r 時再分布的涂層表層殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力形式沿層深線性增大,進(jìn)給量增加到0.12 mm/r時,涂層表面殘余壓應(yīng)力最大,殘余應(yīng)力呈“勺”形分布,層深 40～60 μm處殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。較高切削速度(70 m/min),隨進(jìn)給量的增加殘余應(yīng)力再分布的幅值增大,沿層深均呈“勺”形分布,層深約20～30 μm處,殘余壓應(yīng)力值最大。刀具前角的變化顯著影響著涂層再分布?xì)堄鄳?yīng)力的幅值。

3)切削速度70 m/min, 進(jìn)給量0.12 mm/r,切削深度0.2 mm,刀具前角(10°～15°)是 FeCrBSi合金涂層已加工表面質(zhì)量狀態(tài)改變的臨界參數(shù),切削后涂層表層殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力再分布為壓應(yīng)力,表層最大殘余壓應(yīng)力可達(dá)-400 MPa。