高压射流对42CrMo钢车削断屑性能的实验研究

于振鹏,马宝坤,李明辉,刘战强,刘安南,赵金富,王兵,蔡玉奎,宋清华

1中国重汽集团济南动力有限公司;2山东大学机械工程学院

1 引言

42CrMo钢是一种具有较高强度和韧性以及良好淬透性和低温冲击韧性[1]的中低碳合金结构钢,调质处理后有较高的疲劳极限。在汽车行业常被用于制造高强度、断面尺寸较大的重要零件,如发动机气缸、汽车转向节、转向臂、曲轴和前桥等[2]。

切屑的周期性断裂有利于切削过程的稳定进行,确保了自动化加工系统中切屑的高效去除,从而实现高效高质加工。带状、螺旋状连续切屑会流向并划伤已加工表面,降低表面加工质量,增加废品率。连续切屑在随主轴转动的过程中可能会发生缠绕,阻止切削液流向切削区域,造成切削温度升高,同时操作者的安全存在隐患;严重的切屑缠绕会导致卡盘卡死,停机时间和切屑清理时间严重降低生产效率。为了实现持续的自动化生产,必须在加工过程中使切屑周期性断裂。

1952年,Pigott R.J.S.等[3]开启了高压射流冷却的研究工作,后续由Sharma C.S.等[4]、Nagpal B.K.等[5]、Mazurkiewicz M.等[6]、Kovacevic R.等[7]、Kanminski J.等[8]继续进行研究。相比于切削液溢流冷却,高压流体能更有效地穿透切削区域,高效带走切削区域的热量,同时可将碎屑冲离切削位置,实现切屑的清理。在这种压力下,冷却润滑介质在刀具和工件之间形成一个液压楔,改变切屑流动和卷曲运动状态,减小刀—屑接触面积,改善刀—屑边界摩擦条件。

Nandy A.K.等[9]对Ti-6Al-4V合金进行了切削实验,研究对比切削液溢流冷却和高压射流冷却在车削过程中的断屑能力,并对切屑形状、切削力、摩擦系数、刀—屑接触长度、刀具寿命和加工表面质量进行对比。高压射流冷却过程中采用纯油和水溶性油两种液体介质,在切削过程中产生卷曲程度更大、长度更短的短螺旋切屑和C型碎屑,均优于切削液溢流冷却工况下产生的带状切屑,展现了更好的断屑能力。此外,水溶性油具有较低的浓度和更优的导热性,相比纯油可提供更大的动量,在高压射流过程中具有更好的断屑能力,且至少将刀具寿命提高250%。为了探究高压射流技术在双相不锈钢X2CrNiMo22-5车削过程中的断屑性能,Braham-Bouchnak T.等[10]在切屑形态、切削力、工件表面加工质量、刀具磨损、刀具寿命方面对高压射流技术和切削液溢流冷却进行比较。在干式切削和切削液溢流冷却的工况下,切屑不发生断裂;高压射流冷却设置两组压力值,射流压力为250bar时,产生10mm的短螺旋切屑;射流压力为300bar时,产生5mm的C型切屑。在可实现切屑破碎的前提下,测定最小射流压力和切削速度、切削深度和进给量的可行范围,对加工双相不锈钢材料具有指导意义。Dahlman P.等[11]针对脱碳钢进行切削实验,高压射流技术可将长螺旋切屑破碎成短螺旋切屑或碎屑,比干切削具有明显优势;随着进给速度的提高,高压射流技术的断屑优势被逐渐削弱。Courbon C.等[12]在车削718合金时,采用高压射流冷却获得了理想的断屑效果,射流压力的增加和射流功率的提高(在固定的压力下增大喷嘴直径)会显著缩短切屑的尺寸。

吴明阳等[13]研究了高压冷却工况下切屑折断机理,采用PCBN刀具对高温合金进行车削实验,建立切屑卷曲半径预测模型和切屑断裂模型为

(1)

(2)

(3)

式中,RC为切屑卷曲半径;a0为切屑厚度;vc3为切屑下表面流出速度;vc2为切屑上表面流出速度;fcr为切屑折断极限进给量;εB为切屑最大应变;Ch为切屑厚度比;κγ为刀具主偏角;a和KR为横截面形状系数;acp为切屑折断极限背吃刀量。

相比于切削液溢流冷却,高压射流技术增大了切屑弯矩,有效减小切屑卷曲半径,增大切屑弯曲应力,使切屑材料更快达到应力极限发生折断,且切屑尺寸及切屑卷曲半径随射流压力的增加而减小。Seid Ahmed Y.等[14]基于剪切平面理论建立的高压射流冷却加工时切屑上旋半径的三维理论模型为

(4)

式中,tc为切屑厚度;εup为切屑上卷应变;M为对切屑根部位置的弯矩;Fn3为高压流体竖直方向分力;δ为螺旋角。

在AISI 304的车削实验中,高压射流可提高绝热剪切带的出现频率和金属晶粒的伸长率,加剧材料的塑性变形,切屑分节现象更明显,切屑更容易折断。探究42CrMo材料车削过程中采用高压射流辅助断屑的可行性以及射流压力对断屑性能的影响,通过观测切屑宏观尺寸、切屑卷曲半径、刀—屑接触长度和切屑内表面微观形貌来评估切屑的卷曲、流动和折断状态。

2 实验设置

图1为实验所用设备及测量现场。采用宝鸡CK6560A数控机床进行车削实验,冷却润滑设备选用D30-200-1型高压射流冷却系统,切削液采用DX-1型乳化液,配合SANDVIK单喷头内冷车刀杆实现前刀面位置的高压射流冷却。实验选择固定的切削工艺参数组合:切削速度为150r/min,进给速度为0.15mm/r,切削深度为0.5mm,单次切削长度为60mm;高压射流设备设置四组压力20bar,40bar,60bar,80bar,与之相对应的射流流量分别为5.6L/min,7.3L/min,9.8L/min,11.4L/min。

图1 实验设备及测量

工件材料为42CrMo钢棒材,直径为80mm,总长度为115mm。切削刀具选用邦普DNMG110408-FW硬质合金负型车刀片,覆有Al2O3-TiO2涂层、Al2O3涂层和TiN涂层。

切削过程中采用Kisteler Type 0129A测力仪实时测量切削力的变化状态,收集并取样镶嵌切屑,通过Dino-lite手持式数码显微镜测量切屑卷曲半径;采用Keyence VK200激光共聚焦显微镜观测刀—屑接触长度和切屑内表面形貌,选取5个100μm×100μm的区域测量切屑内表面的粗糙度值。

3 实验结果

3.1 切屑长度和卷曲半径

如图2所示,在切削液溢流冷却的工况下产生了长螺旋切屑,平均长度为275mm,切屑卷曲半径为1.817mm。高压射流过程中切削液具有更大的动量,产生的附加弯矩促进了切屑的卷曲和折断,将长螺旋切屑破碎成短螺旋切屑。随着射流压力的增加,切屑尺寸和切屑卷曲半径均呈现减小的趋势;射流压力为20bar,40bar,60bar,80bar时,产生的螺旋状切屑平均长度分别为190mm,105mm,90mm,32mm;切屑卷曲半径分别为1.361mm,1.156mm,0.979mm,0.890mm。

图2 切屑宏观尺寸及卷曲半径

3.2 刀—屑接触长度

高压流体在车削刀具前刀面和切屑内表面之间形成水楔,可促进切屑上卷,有效减小刀—屑接触面积,降低刀具磨损量。如图3所示,切削液溢流工况下的刀—屑接触长度为145.774μm,前刀面断屑结构中有刀—屑摩擦痕迹;高压射流的工况下刀—屑接触长度随压力的增加而逐渐减小,射流压力为20bar,40bar,60bar,80bar时,刀—屑接触长度为105.470μm,90.591μm,83.373μm,75.377μm。

图3 刀—屑接触长度

3.3 切屑内表面微观形貌

切屑内表面的微观形貌反映切削过程的稳定程度,图4为不同流体压力下的切屑内表面形貌。采用切削液溢流冷却时,车削过程中产生连续长螺旋状切屑并发生缠绕,缠绕的切屑随主轴一起转动,撞击工件、刀具及卡盘产生剧烈振动;阻碍切削液喷射到切削位置,导致切削温度升高,加剧刀具磨损,降低切屑内表面质量和加工表面质量,此时获得的切屑内表面平均面粗糙度值最高(Sa=2.427μm)。

图4 切屑内表面形貌

高压射流工况下切屑内表面质量均有不同程度的改善,切屑内表面平均面粗糙度值并未随射流压力的增加而降低。射流压力为40bar时获得了平均面粗糙度值最低的切屑内表面(Sa=0.944μm);射流压力为20bar,60bar,80bar时,切屑内表面平均面粗糙度分别为1.876μm,1.459μm和1.310μm。

3.4 切削力

相比于切削液溢流冷却,采用高压射流冷却方式时,切削力有不同程度的减小;射流压力为40bar时,切削力最小,合力为320.68N。高压流体具有较大动量,促进切屑的卷曲与分离,可减小切削力,但过高的压力会带来附加力,导致切削力提高。如图5所示,射流压力从20bar提升到40bar时,切削力呈现下降趋势;射流压力从40bar提高到80bar的过程中,切削力呈上升趋势。

图5 三向切削力

4 结语

在42CrMo钢的车削过程中,采用高压射流技术可有效减小切屑尺寸,达到理想的断屑效果并可将切屑冲离切削位置,使切削过程更加平稳。随着射流压力的增大,切屑宏观尺寸、卷曲半径和刀—屑接触长度均减小;切削力和切屑内表面粗糙度值均呈现先减小后增大的趋势,在射流压力为40bar时,获得最小的切削力和最优的切屑内表面质量。因此在车削42CrMo钢时,可采用高压射流技术辅助断屑,且可增大射流压力来增强断屑效果,同时要考虑过高压力的流体对切削质量带来的负面影响。