目的揭示微细铣削下的切削深度ap、进给量f、切削速度v对不锈钢310S表面完整性的影响规律,为优化不锈钢310S的切削工艺提供参考。方法基于响应曲面方法,采用涂层硬质合金微直径铣刀,对不锈钢310S进行了铣削加工试验,对表面粗糙度、表面形貌和显微硬度的数据和信息进行采集并分析,进行多元非线性回归,建立了表面粗糙度Ra与切削参数之间的映射关系,对多元回归方程进行了显著性检验。结果得到切削参数apvf显著度分别为0.0990.6200.011。基于曲面响应法的试验数据及数学模型,直观地绘制了apvf对表面粗糙度Ra、表面形貌和显微硬度的影响规律图。结论在一定的切削加工参数范围内,进给量f对微细铣削不锈钢310S表面粗糙度Ra的影响最显著,其次是切削深度ap,切削速度v的影响最小。表面留有摆线状加工痕迹,顺铣侧的残留物分布多于逆铣侧。切削深度ap310S试件表层显微硬度的影响最显著,其次是切削速度v。减小进给量f是降低不锈钢310S表面粗糙度的有效加工方法。

不锈钢310S是奥氏体铬镍不锈钢,具有相对较高质量分数的镍和铬,因此有较强的蠕变强度,耐高温性好,适合在高温下持续工作。该材料还具有良好的耐腐蚀、耐氧化性能,常用于汽轮机、航空机械中的零部件。微小叶片不仅轮廓精度要求高,其表面精度要求也很高,一般采用微直径刀具进行微细铣削。因为310S的硬度较高,使加工困难,易出现刀具变形、刀具磨损严重等现象,影响零件的表面完整性,不同的表面完整性影响零件使用性能和疲劳寿命,因此对不锈钢310S进行切削工艺研究,揭示切削参数对表面完整性的影响规律,对提高零件表面精度、使用性能具有重要的指导意义。

目前国内外研究者从不同角度对不同材料进行了表面完整性研究。杜舜对钛合金TB17进行了铣削加工试验,研究了刀具前角、后角和螺旋角对钛合金加工表面完整性的影响。结果表明,刀具几何参数对工件表面形貌影响显著,表面形貌由均匀间隔突起的棱脊与深浅不一的沟槽组成。耿琼等对45CrNiMoVA高强度钢进行了表面完整性的影响研究,发现随着切削速度从80m/min增大到200m/min时,表面粗糙度呈减小趋势。刘彦臣等针对高强度钢开展了表面完整性对疲劳寿命的影响规律研究,结果表明随着表面硬度的增加,疲劳寿命呈下降趋势,表面粗糙度大于10μm时,对疲劳寿命的影响更显著。Lalwani等揭示了切削加工参数对MDN250材料工件表面粗糙度的影响规律,研究表明当切削速度保持在55~94m/min之间,表面粗糙度变化不明显。ChangfengYao等对TB6进行铣削实验研究,分析了表面粗糙度和表面形貌及其对样件疲劳寿命的影响规律。Aboao等对100Cr6轴承钢切削加工时,发现切削参数中的进给量是影响试件表面粗糙度的主要因素,切削速度次之。

本文基于响应曲面方法,对不锈钢310S进行铣削试验,分析了切削深度ap、进给量f、切削速度v对表面粗度、表面形貌及显微硬度的影响规律。

1试验设计

机床使用Carver-45-400铣床,工作行程X/Y/Z400mm/400mm/200mm,轴运动定位精度X/Y/Z0.008mm/0.008mm/0.006mm,轴重复定位精度X/Y/Z0.005mm/0.005mm/0.005mm,工作台尺寸为490mm×430mm。刀具选用住友微直径硬质合金铣刀,型号为GLM2005SF,刀具直径f0.5mm,刃部长度1.25mm,刀柄直径3mm。工件尺寸长80mm,宽70mm,高5mm。工件材料为310S,又称0Cr25Ni20,其化学成分为:C0.08%Si1%Mn2.0%P0.035%S0.03%Ni19.0%~22.0%Cr24.0%~26.0%。机械力学性能:抗拉强度σb520MPa,屈服强度σ0.2205MPa,收缩率ψ为40%,热导率λ=14.2W/(m·K),有较高的强度和蠕变强度。

为揭示切削参数对不锈钢310S表面粗糙度、表面形貌和硬度的影响规律,基于响应曲面法(ResponsesurfacemethodologyRSM)进行试验设计。微细铣削的切削深度ap、进给量f一般较小,结合刀具、材料推荐的切削参数值以及试验条件等多方面因素,将切削速度v的零水平确定为12.56m/min,切削深度ap的零水平确定为0.050mm,进给量f的零水平确定为0.006mm/r,然后对3个变量分别进行编码,得到如表1所示的各因素水平。其中,切削速度v的最大、最小值分别为9.92m/min15.20m/min,切削深度ap的最大、最小值分别为0.016mm0.084mm,进给量f的最大、最小值分别为0.003mm/r0.009mm/r。为提高试验数据的准确率,在装夹好试件后,对待加工面先进行铣削加工,再进行试验参数加工,切削试验过程中不进行二次装夹。

响应曲面法(ResponsesurfacemethodologyRSM)即非线性回归,可构建影响因素和被影响因素之间的映射规律。被影响因素Ra为响应输出值y(x),影响因素切削速度v、切削深度ap、进给量f为输入因子x1x2x3,故响应曲面数学模型表达为:

2结果与分析

2.1表面粗糙度

应用基恩士X250对每组切削参数下的试件进行3个不同位置的测量,然后求其平均值作为该组切削参数下试件的表面粗糙度。如对切深ap=0.050mm、每转进给量f=0.006mm/r、切削速度v=12.56m/min条件下加工的试件进行表面粗糙度测量,第一位置处的表面粗糙度为1.428μm,第二位置处的表面粗糙度为1.817μm,第三位置处的表面粗糙度为1.837μm3次平均值为1.694μm,故该组切削参数下表面粗糙度Ra1.694μm。对全部切削参数进行上述步骤数据采集,得到表2的试验结果。对试验数据进行方差分析,通过方差分析,找出对表面粗糙度影响最显著的因素。

2.2表面形貌

切削深度ap=0.030mm、进给量f=0.004mm/r、切削速度v=10.99m/min下加工后的表面粗糙度最小,表面形貌如图2a;切削深度ap=0.050mm、进给量f=0.009mm/r、切削速度v=12.56m/min下加工后表面粗糙度最大,其表面形貌如图2b所示。从图2可以看出,加工后的表面残留着微径铣刀切削刃划过留下的刀痕,痕迹分布均匀。图2a的加工痕迹比图2b的分布更密集,这是因为图2a采用的进给量f更小。切削刃对材料是划擦犁耕式的铣削,刀具的第一切削刃划过工件表面后,材料310S来不及变形和散热,又被第二切削刃划过,材料310S会经历挤压、划擦、犁耕等作用,当材料的挤压厚度达到最小切削厚度时,材料发生塑形变形,才能形成切屑,从而实现去除材料。在切削过程中,材料来不及变形,所以形成了堆积物。在切削参数数值相对较小的加工条件下,表面残余物的高度偏小,但堆积物分布较多,加工的刀具痕迹模糊不清。而在切削参数数值相对较大的加工条件下,加工纹理较清晰,堆积物分布面积小。不论切削参数的数值大与小,顺铣一侧的残留堆积物分布明显要比逆铣一侧多,逆铣一侧的质量相对更好。

2.3显微硬度分析

采用TIMETH140里氏硬度计对试件显微硬度进行测量。为使测量值更准确,降低人为误差的影响,对同一参数值下的样件进行3次测量后取其平均值。切削速度v、切削深度ap、进给量f对加工后310S的显微硬度影响规律如图3所示,中间实线为切削参数下对应的显微硬度值,虚线为3次硬度测量的最小、最大边界值。从图3可看出,切削深度ap310S显微硬度的影响最显著,切削速度v的影响次之。当v=12.560m/minf=0.006mm/r时,随着切深ap0.016mm变大到0.084mm,显微硬度呈现先增大后变小的趋势,当切削深度ap=0.050mm时,显微硬度取到最大值,为506HL。随着切深的增大,切削力增大,温度升高,致使塑性变形增大,310S材料表层冷作硬化现象随之明显,致使显微硬度增大。进给量f对加工后的310S的显微硬度影响不明显,这是因为进给量自身数值较小,变化也较小,因此由其变化导致的加工硬化变化不明显。

3结论

1)进给量f是影响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的影响最小。控制进给量f的大小是控制310S表面粗糙度Ra的有效途径。随着进给量f的增大,310S呈现显著增大趋势。切削深度ap增大时,表面粗糙度Ra呈递增趋势。切削速度v9.92m/min增大到15.20m/min,表面粗糙度Ra随之先增大后变小,幅值变化幅度小。

2310S加工表面留有摆线状加工痕迹,逆铣侧质量好,顺铣一侧的堆积物分布明显多于逆铣一侧;较大表面粗糙度试件与表面粗糙度值小的试件相比,其表面残留物残余高度大。

3)切削深度ap310S试件表层显微硬度的影响最显著,其次是切削速度v。随切削深度ap、切削速度v增大,310S试件表面显微硬度呈现先增大后减小趋势;随着进给量f增大,表面显微硬度呈现增大趋势,但幅值变化明显。