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金属切削工件表面完整性的控制研究

作者 :邱玉明更新时间:2022-01-19

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 郭中州; 杜文芳; 劳学军; 钟佳中

机电技术

2013-08-30 期刊


   摘要:在常规铣削加工过程中,由于刀具切削工件材料的变形本质决定了只能获得中等加工尺寸精度,而且铣削

加工的已加工表面粗糙度值较大,而磨削加工往往是作为最终精加工的手段之一,人们希望得到更小的表面粗糙度值和

更高的尺寸加工精度,就这两种加工方式而言,无论哪一种加工方式,都小可避免地会在工件已加工表层中产生残余应

力,残余拉应力会引发金属疲劳,而残余压应力的产生可以提高工件的抗疲劳强度。针对所存在的残余应力的这一现象,

作者实验观察发现:若是在对工件进行切削加工过程中,能采用液氮实时对工件表面进行冷却处理,就能对工件表面质

量以及表面残余应力实现人为的主动控制,从而获得更为理想的工件表面加工质量。

   关键词:实时深冷;深冷铣削;深冷磨削;表面完整性;表面粗糙度值;残余应力;液氮喷注

   在切削加工过程中,被加工材料受到切削力、

切削热或高温相变的作用fll,会产生不均匀的弹

塑形变形,在工件表层中产生残余应力,残余应

力的表现形式为残余拉应力和残余压应力,残余

拉应力会导致金属表层扩张,使得金属表面层中

拉应力高度集中,引发金属疲劳产生;而残余压

应力会导致金属表层收缩,致使表面上的微观裂

纹闭合,对金属抗疲劳强度有较大提高。因此,

工件表面残余应力对工件已加工表面完整性会产

生较大影响,有必要开展对此方面的研究。

1金属表面完整性

   表面完整性是指零件加工后的表面纹理和表

面层冶金质量。表面纹理主要包括表面粗糙度、

波纹度、刀纹方向、宏观裂纹、皱折和撕裂等。

表面层冶金质量主要包括显微结构变化、再结晶、

晶间腐蚀、显微裂纹、塑性变形,残余应力、合

金贫化等。残余应力对工件表面完整性的影响较

大,残余拉应力会使得金属表面层中拉应力高度

集中,引发金属疲劳产生;而残余压应力会导致

金属表层收缩,致使表面上的微观裂纹闭合,对

金属抗疲劳强度有较大提高。

   工件经切削加工后,在工件内部依然残存着

的内应力即为残余应力。无论是残余拉应力还是

残余压应力,应力值的大小都会随着表层深度的

加深而变化,对工件表面层的物理力学性能产生

影响。不受外力作用的工件表面,最外层的应力

状态与里层的应力状态属性相反,彼此保持平衡。

在切削过程中,受到切削力作用,工件已加工表

面产生剧烈的塑性变形,使得工件表层金属体积

膨胀,但受到里层金属的牵制,从而在表层产生

残余压应力,在里层产生了残余拉应力[2-4]。切削

过程中,表层材料同时受到切削热作用,使得工

件已加工表面层因温度升高而膨胀,里层温升幅

度较小,膨胀幅度也较小。切削过后,已产生热

塑性变形的表层与里层均要降温到相同的室温,

此时,表层收缩量大,里层收缩量小,表层的收

缩受到里层的牵制,因此切削热作用使表层表现

为残余拉应力,里层为残余压应力。切削过程中,

表层金属因受到切削热的作用,还有可能发生相

变。当切削温度超过相变温度时,金相组织发生

变化,表层材料在高温状态下形成奥氏体,冷却

后奥氏体变为马氏体使金属膨胀,同样受到里层

金属的阻碍,使得表层产生残余压应力,而在里

层产生了残余拉应力。

   与切削加工相比,磨削加工获得的工件表层

残余应力状况更为复杂多变。一方面,磨粒切削

刃多为负前角,法向切削力一般为切向切削力的

2 ^-3倍,磨粒对加工表面的作用引起冷塑性变形,

产生残余压应力;另一方面,磨削温度高,磨削

热量很大,容易引起热塑性变形,表面出现残余

拉应力。当残余拉应力超过工件材料的强度极限

时,工件表面就会出现磨削裂纹。同样在磨削加

工过程中,表层金属因磨削热的作用,也有可能

发生相变。以磨削淬火钢为例,磨削热导致表层

可能产生回火,当表层金属组织由马氏体转变为

屈氏体或索氏体时,密度增大,体积减小,表层

金属要产生相变收缩,因受到里层金属的阻止,在表层金属中产生残余拉应力,里层金属产生残

余压应力。

2实时深冷加工的作用机理

   在对工件的切削加工过程中,影响残余应力

的因素较为复杂,凡能减小塑性变形和降低切削

温度的方法都可以减小残余应力。已加工表面层

残余应力的状态主要与切削力和切削热有关。在

此实验中,主要是通过实时深冷处理来控制工件

被切削区域的温度,降低工件被切削区域的温度

对工件表面残余拉应力的影响。对被加工材料表

面实施实时深度冷却,可以降低工件被切削区域

的温度,减轻工件的热变形,并可抑制残余拉应

力产生,导致残余压应力产生。提高了工件的加

工精度和表面质量。

   实时深冷加工试验采用液氮}s}作为冷却液。

液氮是氮气在低温下形成的液体形态。氮的沸点

为一196 0C,在正常大气压下温度如果低于沸点温

度就会形成液氮;如果加压,可以在更高的温度

下形成液氮。液氮无毒、无污染,容易获取,挥

发性强,是一种很好的冷却介质。将其喷注在切

削加工区域,通过液氮的挥发迅速的吸收大量热

量,使工件表面温度急剧下降而致使材料收缩。

与常规切削的情况相比较,深冷切削时,快速的

降低切削温度,最先冷缩被加工材料最外层,而

其内部材料冷缩程度则相对较轻,冷却速度也较

慢,导致工件表层相对于内层发生了不均匀的弹

塑性变形。当切削过程完成,解除深冷作用后,

较大的内外层材料相对温差使得工件表层相对于

内层发生扩张,但外层材料的恢复又受到内层金

属的牵制,导致已加工表面残余压应力的产生。

   采用液氮对工件加工区域的深冷,有两种液

氮的喷注方式,一种是液氮向工件的待加工表面

喷注,另一种是液氮向工件的已加工表面喷注,

向待加工表面喷注是为了冷却待加工材料表层,

使工件切削时切削温度不至于太高;向已加工表

面喷注是为了加速工件冷却过程,使最外层急剧

冷却与内层形成较大的温度差,以上两种方式都

能使工件在恢复常温过程中产生残余压应力。

3试验条件

   在实施深冷切削加工过程中,工件表面层的

冷却程度和冷缩预应力状态主要与液氮流量q、切

削用量、被加工材料的热特性等因素有关,通过

对液氮流量9和切削用量的控制,可实现对已加工表面残余应力状态的主动控制。

   试验中设定液氮流量q=1 200 mm3/s,液氮流

量的设定应能满足工件所吸收的热量大于切削

热,保证了所喷出液氮能形成稳定的冷却场覆罩

整个切削区域,液氮的喷射尽可能接近切削区域,

以达到更好的冷却效果。工件的进给速度将影响

工件表面冷缩预应力场的形成,对不同的加工材

料和加工条件有不同的优化值,速度飞夕过小时,

工件材料虽冷却充分,却无法在表层形成相对内

层的冷缩预应力场,也不利于工件表面粗糙度值

的减小和生产效率的提高;若速度v}过大,表层

来不及冷却,也难以形成冷却场。在这两种情况

下都无法实现深冷切削对已加工表面残余应力的

主动控制。

4实时深冷加工实验

4.1深冷铣削实验

   试验刀具材料:高速钢圆柱形铣刀,规格

50 mmX50 mm,内孔必23 mm,齿数12齿。

   试验用铣床为XW6132A型万能升降台铣床。

切削用量:铣削速度v。分别采用75  m/min和

150 m/min}横向进给速度126 mm/min,切削深度

ap取0.30 mmo

   试验材料为45“钢,试件150 mmX 150 mmX

25 mm矩形板。

   每项试验试件分三组:第一组是干式铣削;

第二组是实时深冷铣削,液氮向待加工表面喷注

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