高温轴承钢套圈硬切削表面完整性试验研究.pdf
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1、 ,():,:,():,():,():,:第一作者:袁银,硕士研究生,贵州大学机械工程学院,贵阳市 :,通信作者:赵雪峰,教授,贵州大学机械工程学院,贵阳市 :,收稿日期:年 月高温轴承钢套圈硬切削表面完整性试验研究史慧楠,杨树新,闫佳山,孙重阳中国航发哈尔滨轴承有限公司摘要:通过采用 刀具对淬火后 高温轴承钢外圈内沟道表面进行硬切削加工试验,分析硬切削加工 高温轴承钢套圈沟道的表面完整性,探究不同切削参数对已加工表面粗糙度、表面微观形貌、表面残余应力以及表面变质层等表面完整性指标的影响规律,综合分析各项指标并获得最优的切削参数。试验提出了硬切削代替粗磨加工的可行性,并为高温轴承钢套圈沟道硬切
2、削参数的选取提供试验和数据基础。关键词:滚动轴承;硬切削;外圈沟道;表面完整性中图分类号:;文献标志码:,:,:;?引言 钢是一种高温轴承钢,主要用于航空轴承的制造,其含有 ,等多种合金元素,材料强度高且耐磨性能好,但在冶炼过程中形成的一次碳化物颗粒大、数量多、易聚集,且轴承套圈淬回火处理后在粗磨加工中的材料去除量大,使得工件表层易产生磨削烧伤和微裂纹。硬切削是指采用聚晶立方氮化硼()或陶瓷刀具等超硬刀具对淬硬钢材料(大于 )进行精密切削加工。与磨削相比,硬切削具有高柔性、高效性和环保性的优点 。因此,在一定的条件下,硬切削可以代替粗 年第 卷 磨加工。目前,硬切削加工表面完整性的相关研究较多
3、,张雪萍等 通过正交试验法对 刀具硬切削轴承钢的表面完整性进行分析,结果表明,精密切削淬硬钢可获得优越的表面精度与残余应力层、无热损伤层等表面物理性能;岳彩旭等 通过比较硬态切削和磨削的加工表面完整性,分析两者相结合的应用前景;等 研究了刀尖几何形状和工件硬度对 钢硬切削残余应力的影响,结果表明,增大刀具前角或刀尖圆弧半径可增大表面压应力及压应力层深,增大切削速度会使残余压应力减小;等 通过硬切削加工试验及理论分析表面白层的微观组织及其形成机理,得到切削参数与刀具磨损对白层厚度的变化规律。等 研究表明,刀具磨损和切削速度对白层深度的影响较大,且用复合陶瓷刀具切削 棒料几乎无白层,也未产生回火层
4、。等 研究表明,钢硬切削产生的白层组织主要为高位错的微纳米铁素体晶粒,而非马氏体或奥氏体。综上所述,硬切削加工的相关文献研究多针对普通轴承钢或淬硬模具钢的平面硬切削加工过程。本文针对淬火后 高温轴承钢外圈内沟道表面开展硬切削加工试验,分析硬切削加工表面完整性,为硬切削代替轴承套圈粗磨加工的可行性提供基础数据。?硬切削试验方案设计?试验样件轴承是环类零件,其套圈内表面沟道的加工要比其他表面加工条件更为苛刻(如存在多曲面轮廓切削),受力状态复杂,冷却条件差,更容易产生加工缺陷。因此选择轴承外圈内表面沟道作为精密硬车加工的研究对象,材料为热处理后的 钢,其硬度为 。?试验刀具采用西安巨浪 数控车床,
5、刀杆型号为 ,刀片选用具有高强度、高硬度以及耐磨性、耐热性且导热性好、化学性质稳定等特点的 刀 片,刀 片 型 号 为 和 ,刀片前角 ,后角 。为提高车刀的刀刃强度,对刀刃进行倒棱处理,倒棱尺寸为 。?试验参数选用 组不同的切削参数,每组加工两件,分别验证进给量、切削速度、切削深度和刀尖圆弧半径对硬切削加工表面质量的影响,为排除刀具磨损对试验结果的影响,每组试样硬车加工均采用锋利的新刀刃,选取的试验参数如表 所示。表 切削试验参数试验因素参数刀尖圆弧半径(),切削深度(),进给量 (),切削速度(),?检测方案采用泰勒轮廓仪检测硬车后沟道表面粗糙度值,采用共聚焦显微镜及扫描电镜检测硬车后沟道
6、表面形貌。套圈沟道硬切削后进行试样截取、镶嵌和磨抛,再采用 的硝酸酒精溶液腐蚀 左右,使用光学显微镜及扫描电镜下观察表面变质层情况。采用 射线应力测试仪并选用 靶辐射测试沟道底部表面残余应力和沿试样深度方向的残余应力,采用电解抛光腐蚀剥层法逐层对剥层表面进行残余应力测试。?表面完整性分析?表面粗糙度分析针对刀尖圆弧半径和进给量分别进行单因素水平试验,图 为采用 刀具硬切削外圈沟道时刀尖圆弧半径和进给量对表面粗糙度的影响规律。在干切削条件下,切削参数分别为切削深度 ,切削速度 ,刀尖圆弧半径分别为 ,进给量分别为 ,。可以看出,刀尖圆弧半径越大,表面粗糙度值越小,进给量越大表面粗糙度值越大。如图
7、 所示,刀具角度不变且其他切削参数一定的情况下,刀尖圆弧半径越大,残留高度越小,表面粗糙度值越小;采用较小的进给量时,已加工表面残留高度减小,表面粗糙度值变小。图 刀尖圆弧半径和进给量对表面粗糙度的影响工 具 技 术()刀尖圆弧半径与粗糙度的关系()进给量与粗糙度的关系图 切削参数与表面粗糙度的关系在刀尖圆弧半径 、进给量 、切削深度 时,刀具硬切削外圈沟道时切削速度与表面粗糙度影响关系曲线如图 所示。可以看出,增大切削速度可以减小表面粗糙度值,但切削速度增大到某一值后,随着切削速度的提高,表面粗糙度略有增加。根据金属切削原理,随着切削速度的提高,切削温度升高,摩擦系数降低,切削力减小,材料挤
8、压形成的塑性变形小,表面粗糙度值降低,但切削速度继续增大会导致机床振动加剧,使得表面粗糙度值有所增加。图 切削速度对表面粗糙度的影响在刀尖圆弧半径 、进给量 、切削速度 时,刀具硬切削外圈沟道时切削深度对表面粗糙度的影响见图 。可以看出,进给量一定的条件下,随着切削深度的增大,表面粗糙度均先增大,当切削深度增大到某一值后迅速降低,三种不同的切削线速度的变化规律一致。综合来看,硬切削加工对表面粗糙度影响最为显著的是刀尖圆弧半径和进给量,在刀具一定的条件下,可以通过减小进给量,适当增大切削速度,减小切削深度,获得较好的表面粗糙度。图 切削深度对表面粗糙度的影响?残余应力(速度方向)分析硬切削加工表
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