汽车用双相不锈钢车削加工特性试验
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摘要:制作两种不同配方的汽车用双相不锈钢合金A和B材料样件,运用试验方法研究了不同的切削速度、进给速度对车削过程中不同材料工件表面粗糙度、切削力和刀具磨损量的影响,得到最佳工况条件。分析结果表明:不同材料工件的表面粗糙度随着切削速度的增加,先降低后增加,随着进给速度的增加而增加:切削力随着切削速度的增加而减小,随着进给速度的增加而增加:刀具磨损量随着切削速度、进给速度的增加而增加。汽车用双相不锈钢合金最佳车削工况为进给速度0.04mm/r及切削速度100m/min。

1 引言

双相高强度不锈钢广泛应用于汽车、航空航天、医疗器械、石油化工、能源等行业。随着汽车轻量化的发展,双相高强度不锈钢主要应用于汽车发动机、防撞弓形梁、档板、排气管等零部件中,不仅可以大幅减轻汽车质量,还可以提高汽车零部件的疲劳寿命等。自上世纪70年代以来,汽车排放污染日益严重,排放法规也日益严格,为节能降耗,发动机的排气温度由原来的700-800℃ 提高至1000℃,甚至更高。随着排气温度的提高,原大量用于消声器和排气管的碳素钢腐蚀情况更加严重,于是急需一种优质的替代品。而双相不锈钢作为一种新型的合金材料,同时兼备铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优势,与铁素体不锈钢相比,具有较高的韧性和较低的脆性,焊接性能好,导热系数和膨胀系数小:与奥氏体不锈钢相比,具有较好的耐氯化物腐蚀性能。
本文选取了不同配方的A与B两种汽车用双相不锈钢合金进行车削试验,详细论述了切削参数对汽车用双相不锈钢合金材料的影响,包括切削速度、进给速度等切削参数对不同材料工件表面粗糙度、切削力和刀具磨损量的作用,为汽车用双相不锈钢合金材料的加工及特性改善等提供了参考。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

试验工件是基于某轻型化汽车用双相不锈钢材料ASTMA995铸造成型的。为分析不同化学元素对汽车用双相不锈钢材料性能的影响,分别采用两种不同等级的材料作为试验对象,取名为材料A和材料B,其化学成分如表1所示。
表1 材料A与材料B化学成分(%)
材料SiMnCCrSMoNNiFe
A0.660.720.03125.120.0083.350.235.6764.211
B0.680.880.03325.080.0074.210.215.5963.31

2.2 试验设备及方法


试验工件直径和长度分别为φ60mm和200mm,工件一端由卡盘固定,另一端由尾座支撑(见图1)。
1.卡盘2.工件3.硬质合金刀具4.Kistler测力仪5.计算机6.尾座
图1 试验装置(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
如图1所示,卡盘1用于固定工件,工件2由汽车用双相不锈钢材料铸造而成,3为YT15硬质合金刀具,Kister测力仪4用于测量切削力,计算机5用于控制及显示,车床尾座6用于支撑工件,并采用JSM-6390电子显微镜测量刀具的表面磨损。
车削加工的主要参数包括切削速度、进给率和切削深度。在该试验中保持切削深度不变,以切削速度和进给率为自变量,工件表面粗糙度、刀具磨损量和切削力为因变量。一方面,通过计算信噪比的方法确定最佳的工作条件:另一方面,在不同工况下进行切削试验,分别测量并记录不同工况下A、B两工件的表面粗糙度、刀具磨损量与切削力的值,并绘制出线性关系图,得出其变化规律。为了消除试验的偶然误差,最后计算值为3次试验结果的平均值。

2.3 信噪比计算

信噪比是指平均值与标准差的比值,表示质量特性实际值与期望值的偏差,其计算方法为ξ=-10log(M)。其中M为输出特性的均方差,有
(1)
式中,σi为第i个试验工件表面粗糙度:Fi为第i个试验工件刀具切削力:li为第i个试验工件刀具磨损量:Mσ、MF、Ml分别为表面粗糙度、切削力、刀具磨损量输出特性的均方差:n为试验次数。

3 试验结果与分析

试验设置4种不同工况。工况参数如下:切削速度分别为60m/min、80m/min、100m/min、120m/min,进给速率分别为0.04mm/r、0.08mm/r、0.12mm/r、0.16mm/r,切削深度保持0.6mm不变。

3.1 表面粗糙度

图2为不同切削速度下A、B两种汽车用双相不锈钢合金表面粗糙度的变化规律:图3表示A、B两种不同成分合金表面粗糙度的信噪比计算值。
图2 切削速度对表面粗糙度的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图3 表面粗糙度信噪比值(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

如图2所示,以A合金为例,当切削速度从60m/min逐渐增加到100m/min时,随着切削速度的增加,材料表面粗糙度随之下降:当切削速度从100m/min增加到120m/min时,表面粗糙度随着切削速度的增加而增加:随着切削转速的提高,刀具表面磨损增加,从而导致被切削工件的表面粗糙度增加。B合金粗糙度的变化规律和A合金基本一致,只是其总体粗糙度值均要高于A合金,这主要是合金材料化学成分不同造成的。由图还可以看出,随着进给率的增加,工件表面粗糙度也随之增加。因此,在条件允许情况下,应选取较小的进给率,这里选为0.04mm/r。
如图3所示,就切削速度而言,合金A与合金B均在100m/min时取得较大的信噪比,说明要想获得较好的表面粗糙度,切削速度应取100m/min:对于进给率,合金A与合金B均在0.04mm/r处取得较大的信噪比,与图2得到的结论一致。综上分析可知,要想获得较好的工件表面粗糙度,在试验中应该选取切削速度100m/min,进给率0.04mm/r。

3.2 切削力

图4表示A、B两种合金在不同切削速度下切削力与自变量的变化关系图。图5表示以切削力的大小为参考值,A、B两种合金的切削力信噪比计算值。
图4 切削速度对切削力的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图5 切削力信噪比值(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

由图4可知,合金A与合金B的切削力大小均随着切削速度的增加而减小,最大切削力出现在切削速度最小处。这主要因为当切削速度较低时,刀具和工件之间有较大的摩擦系数,切削力相应较大。而当切削速度增大时,导致刀具和工件接触部分的温度较高,使得切削区域的材料不断软化、接触面积减小、切屑变薄、切削力减小。由图4还可以看出,切削力随着进给率的增加而增加,合金A和合金B的最大切削力均出现在最大进给率和最大切削速度处,分别为47N和61N。这主要是因为随着进给速度的增加,工件材料和刀具的接触面积也随之增加,最终导致切削力的增加。所以,要想得到较小的切削力值,应选取最大切削速度20m/min,最小进给速度0.04mm/r。
由图5切削力的信噪比可知,对于切削速度,合金A、B均在120m/min处取得最大信噪比:对于进给速度,在0.04mm/r处取得最大信噪比。因此,要让试验过程中具有最小的切削力,切削速度应选择120m/min,进给速度应选择0.04mm/r。

3.3 刀具磨损

图6表示A、B两种合金在车削过程中切削速度对刀具的磨损量的影响:以刀具磨损量为参考值,不同切削速度和进给率对应的信噪比值见图7。
图6 切削速度对刀具磨损量的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图7 刀具磨损量信噪比值(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

由图6可知,合金A与合金B的整体变化趋势基本一致。就切削速度而言,刀具磨损量随切削速度的增加而增加,切削速度增加量越大,刀具磨损率越严重。这主要是由于随着切削速度增加,刀具参与切削的切削刃区域温度也随之增加,过高的温度导致刀具刚性降低,塑性增加,最终增大刀具变形量,使磨损越来越严重。就进给速度而言,刀具的磨损量随着进给速度的增加而增加。这主要是由于随着进给速度的增加,刀具和工件之间的切削力也随之增加,从而导致了刀具表面的加剧磨损。总的来说,进给速度对刀具磨损量的影响弱于切削速度的影响。综上分析可得,本试验中最小刀具磨损量在最低切削速度60m/min和最低进给速度0.04mm/r处。
由图7刀具磨损量的信噪比可知,合金A与合金B均在最小切削速度和最小进给速度处获得最大的信噪比。由此可得,在车削试验过程中,取切削速度为60m/min、进给速度0.04mm/r时可以获得最小的刀具磨损量,与图6中所得结论一致。

4 结语

本文以汽车用双相不锈钢材料为对象,选取了两种不同配方的合金A、B材料工件进行对比试验,得到车削过程中不同切削力、进给速度对不同材料工件表面粗糙度、切削力和刀具磨损量的关系。
合金的表面粗糙度随进给速度的增加而增加,随切削速度的增加而降低,当达到理想的切削速度后,又随速度的增加而增加。车削过程中,切削力随着进给速度的增加而增加:随着切削速度的增加而减小,最大切削力出现在最小切削速度处:切削力最佳工况出现在最大切削速度和最小进给速度处。
刀具磨损量随着进给速度的增加而增加:随着切削速度的增加而增加,速度增加越快,刀具磨损率越严重:刀具磨损量的最佳工况出现在最小切削速度和最小进给速度处。
A合金的力学性能整体优于B合金:本试验可在最小进给速度0.04mm/r和中间速度100m/min处获得粗糙度、切削力和刀具磨损量的综合最佳值。
本文作者:常州机电职业技术学院 王峰
原载:《工具技术》2016年5月号
上载于:2016-8-15 17:17:08

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