目的揭示微細銑削下的切削深度ap、進給量f、切削速度v對不銹鋼310S表面完整性的影響規律,為優化不銹鋼310S的切削工藝提供參考。方法基于響應曲面方法,采用涂層硬質合金微直徑銑刀,對不銹鋼310S進行了銑削加工試驗,對表面粗糙度、表面形貌和顯微硬度的數據和信息進行采集并分析,進行多元非線性回歸,建立了表面粗糙度Ra與切削參數之間的映射關系,對多元回歸方程進行了顯著性檢驗。結果得到切削參數ap、v、f顯著度分別為0.099、0.620、0.011?;谇骓憫ǖ脑囼灁祿皵祵W模型,直觀地繪制了ap、v、f對表面粗糙度Ra、表面形貌和顯微硬度的影響規律圖。結論在一定的切削加工參數范圍內,進給量f對微細銑削不銹鋼310S表面粗糙度Ra的影響最顯著,其次是切削深度ap,切削速度v的影響最小。表面留有擺線狀加工痕跡,順銑側的殘留物分布多于逆銑側。切削深度ap310S試件表層顯微硬度的影響最顯著,其次是切削速度v。減小進給量f是降低不銹鋼310S表面粗糙度的有效加工方法。

不銹鋼310S是奧氏體鉻鎳不銹鋼,具有相對較高質量分數的鎳和鉻,因此有較強的蠕變強度,耐高溫性好,適合在高溫下持續工作。該材料還具有良好的耐腐蝕、耐氧化性能,常用于汽輪機、航空機械中的零部件。微小葉片不僅輪廓精度要求高,其表面精度要求也很高,一般采用微直徑刀具進行微細銑削。因為310S的硬度較高,使加工困難,易出現刀具變形、刀具磨損嚴重等現象,影響零件的表面完整性,不同的表面完整性影響零件使用性能和疲勞壽命,因此對不銹鋼310S進行切削工藝研究,揭示切削參數對表面完整性的影響規律,對提高零件表面精度、使用性能具有重要的指導意義。

目前國內外研究者從不同角度對不同材料進行了表面完整性研究。杜舜對鈦合金TB17進行了銑削加工試驗,研究了刀具前角、后角和螺旋角對鈦合金加工表面完整性的影響。結果表明,刀具幾何參數對工件表面形貌影響顯著,表面形貌由均勻間隔突起的棱脊與深淺不一的溝槽組成。耿瓊等對45CrNiMoVA高強度鋼進行了表面完整性的影響研究,發現隨著切削速度從80m/min增大到200m/min時,表面粗糙度呈減小趨勢。劉彥臣等針對高強度鋼開展了表面完整性對疲勞壽命的影響規律研究,結果表明隨著表面硬度的增加,疲勞壽命呈下降趨勢,表面粗糙度大于10μm時,對疲勞壽命的影響更顯著。Lalwani等揭示了切削加工參數對MDN250材料工件表面粗糙度的影響規律,研究表明當切削速度保持在55~94m/min之間,表面粗糙度變化不明顯。ChangfengYao等對TB6進行銑削實驗研究,分析了表面粗糙度和表面形貌及其對樣件疲勞壽命的影響規律。Aboao等對100Cr6軸承鋼切削加工時,發現切削參數中的進給量是影響試件表面粗糙度的主要因素,切削速度次之。

本文基于響應曲面方法,對不銹鋼310S進行銑削試驗,分析了切削深度ap、進給量f、切削速度v對表面粗度、表面形貌及顯微硬度的影響規律。

1試驗設計

機床使用Carver-45-400銑床,工作行程X/Y/Z400mm/400mm/200mm,軸運動定位精度X/Y/Z0.008mm/0.008mm/0.006mm,軸重復定位精度X/Y/Z0.005mm/0.005mm/0.005mm,工作臺尺寸為490mm×430mm。刀具選用住友微直徑硬質合金銑刀,型號為GLM2005SF,刀具直徑f0.5mm,刃部長度1.25mm,刀柄直徑3mm。工件尺寸長80mm,寬70mm,高5mm。工件材料為310S,又稱0Cr25Ni20,其化學成分為:C0.08%,Si1%,Mn2.0%,P0.035%,S0.03%,Ni19.0%~22.0%,Cr24.0%~26.0%。機械力學性能:抗拉強度σb520MPa,屈服強度σ0.2205MPa,收縮率ψ為40%,熱導率λ=14.2W/(m·K),有較高的強度和蠕變強度。

為揭示切削參數對不銹鋼310S表面粗糙度、表面形貌和硬度的影響規律,基于響應曲面法(Responsesurfacemethodology,RSM)進行試驗設計。微細銑削的切削深度ap、進給量f一般較小,結合刀具、材料推薦的切削參數值以及試驗條件等多方面因素,將切削速度v的零水平確定為12.56m/min,切削深度ap的零水平確定為0.050mm,進給量f的零水平確定為0.006mm/r,然后對3個變量分別進行編碼,得到如表1所示的各因素水平。其中,切削速度v的最大、最小值分別為9.92m/min15.20m/min,切削深度ap的最大、最小值分別為0.016mm0.084mm,進給量f的最大、最小值分別為0.003mm/r0.009mm/r。為提高試驗數據的準確率,在裝夾好試件后,對待加工面先進行銑削加工,再進行試驗參數加工,切削試驗過程中不進行二次裝夾。

響應曲面法(Responsesurfacemethodology,RSM)即非線性回歸,可構建影響因素和被影響因素之間的映射規律。被影響因素Ra為響應輸出值y(x),影響因素切削速度v、切削深度ap、進給量f為輸入因子x1、x2、x3,故響應曲面數學模型表達為:

2結果與分析

2.1表面粗糙度

應用基恩士X250對每組切削參數下的試件進行3個不同位置的測量,然后求其平均值作為該組切削參數下試件的表面粗糙度。如對切深ap=0.050mm、每轉進給量f=0.006mm/r、切削速度v=12.56m/min條件下加工的試件進行表面粗糙度測量,第一位置處的表面粗糙度為1.428μm,第二位置處的表面粗糙度為1.817μm,第三位置處的表面粗糙度為1.837μm,3次平均值為1.694μm,故該組切削參數下表面粗糙度Ra1.694μm。對全部切削參數進行上述步驟數據采集,得到表2的試驗結果。對試驗數據進行方差分析,通過方差分析,找出對表面粗糙度影響最顯著的因素。

2.2表面形貌

切削深度ap=0.030mm、進給量f=0.004mm/r、切削速度v=10.99m/min下加工后的表面粗糙度最小,表面形貌如圖2a;切削深度ap=0.050mm、進給量f=0.009mm/r、切削速度v=12.56m/min下加工后表面粗糙度最大,其表面形貌如圖2b所示。從圖2可以看出,加工后的表面殘留著微徑銑刀切削刃劃過留下的刀痕,痕跡分布均勻。圖2a的加工痕跡比圖2b的分布更密集,這是因為圖2a采用的進給量f更小。切削刃對材料是劃擦犁耕式的銑削,刀具的第一切削刃劃過工件表面后,材料310S來不及變形和散熱,又被第二切削刃劃過,材料310S會經歷擠壓、劃擦、犁耕等作用,當材料的擠壓厚度達到最小切削厚度時,材料發生塑形變形,才能形成切屑,從而實現去除材料。在切削過程中,材料來不及變形,所以形成了堆積物。在切削參數數值相對較小的加工條件下,表面殘余物的高度偏小,但堆積物分布較多,加工的刀具痕跡模糊不清。而在切削參數數值相對較大的加工條件下,加工紋理較清晰,堆積物分布面積小。不論切削參數的數值大與小,順銑一側的殘留堆積物分布明顯要比逆銑一側多,逆銑一側的質量相對更好。

2.3顯微硬度分析

采用TIMETH140里氏硬度計對試件顯微硬度進行測量。為使測量值更準確,降低人為誤差的影響,對同一參數值下的樣件進行3次測量后取其平均值。切削速度v、切削深度ap、進給量f對加工后310S的顯微硬度影響規律如圖3所示,中間實線為切削參數下對應的顯微硬度值,虛線為3次硬度測量的最小、最大邊界值。從圖3可看出,切削深度ap310S顯微硬度的影響最顯著,切削速度v的影響次之。當v=12.560m/min、f=0.006mm/r時,隨著切深ap0.016mm變大到0.084mm,顯微硬度呈現先增大后變小的趨勢,當切削深度ap=0.050mm時,顯微硬度取到最大值,為506HL。隨著切深的增大,切削力增大,溫度升高,致使塑性變形增大,310S材料表層冷作硬化現象隨之明顯,致使顯微硬度增大。進給量f對加工后的310S的顯微硬度影響不明顯,這是因為進給量自身數值較小,變化也較小,因此由其變化導致的加工硬化變化不明顯。

3結論

1)進給量f是影響310S表面粗糙度Ra的主要因素,其次是切削深度ap,切削速度v310S表面粗糙度Ra的影響最小??刂七M給量f的大小是控制310S表面粗糙度Ra的有效途徑。隨著進給量f的增大,310S呈現顯著增大趨勢。切削深度ap增大時,表面粗糙度Ra呈遞增趨勢。切削速度v9.92m/min增大到15.20m/min,表面粗糙度Ra隨之先增大后變小,幅值變化幅度小。

2310S加工表面留有擺線狀加工痕跡,逆銑側質量好,順銑一側的堆積物分布明顯多于逆銑一側;較大表面粗糙度試件與表面粗糙度值小的試件相比,其表面殘留物殘余高度大。

3)切削深度ap310S試件表層顯微硬度的影響最顯著,其次是切削速度v。隨切削深度ap、切削速度v增大,310S試件表面顯微硬度呈現先增大后減小趨勢;隨著進給量f增大,表面顯微硬度呈現增大趨勢,但幅值變化明顯。