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本文針對(duì)不銹鋼 Z8CND17-04 材料,采用金相法對(duì)零件在最終進(jìn)行疲勞試驗(yàn)發(fā)生斷裂的質(zhì)量問題進(jìn)行了分析,定性地說明了加工的硬化層是導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生裂紋的原因之一,結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)條件,制定了切削試驗(yàn)方案,避免了零件表面硬化層的產(chǎn)生,提高了零件的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞:不銹鋼;金相;硬度;刀具壽命;硬化層
1、現(xiàn)狀與問題描述
零件材料為法國標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào) Z8CND17-04 屬于馬氏體不銹鋼,硬度 HRC36-41,表面粗糙度 Ra0.4,一般車削加工實(shí)現(xiàn)比較困難。實(shí)際加工選擇肯納刀具公司的刀片DNGP15402KC730。切削速度 111 m/min;進(jìn)給 0.02 mm/s;切深 0.075 mm,零件加工完成后,要求做疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為在循環(huán)加載最小載荷 Fmin=-4859 KN,最大載荷Fmax=4083 KN 的作用下,壽命要達(dá)到 733 600 次以上。但是公司加工的零件在試驗(yàn)進(jìn)行到 110 000 次循環(huán)次數(shù)時(shí)靠近大端處發(fā)生斷裂失效。見圖 1 所示。
圖1 活塞斷裂圖
2、 原因分析
2.1 金相分析
從金相顯示裂紋擴(kuò)展是本次失效的主要原因,從切面可看到鍍鉻層和基體交界面,機(jī)加工紋路呈波浪狀,鍍鉻層里的裂紋延伸至基體中并靠近斷裂起始源,機(jī)加工表面粗糙度表現(xiàn)為鉻層和基體交界處形成波峰和波谷,在波峰處存在殘余拉應(yīng)力,波谷處存在殘余壓應(yīng)力。大多數(shù)鍍鉻層的裂紋在交界面的波峰處產(chǎn)生,而且圖 2 中硬化層中存在擴(kuò)展裂紋,初步斷定鍍鉻層里的擴(kuò)展裂紋是由加工硬化引起的。
圖 2 斷裂橫截面
2.2 對(duì)比試驗(yàn)分析
對(duì)比其他供應(yīng)商使用的刀片是 DNMG110404MF1025。我們對(duì)所用切削參數(shù)、加工后的金相圖片、維氏硬度進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果如下:
從表 1 看出 DNMG11040404MF1025 的刀片幾何圓角,切削速度,進(jìn)給,切深均是 DNGP150402KC730 的 2 倍。且在鉻層和基體交界面顯示平緩,刀片基體心部和表面差只有 22 HV。而我公司交界面呈有規(guī)律的波浪狀(與 0.02 mm/r 的加工狀態(tài)符合),且大多數(shù)鍍鉻層的裂紋在交界面的波峰處產(chǎn)生,且基體心部和表面差有 114HV(已加工表面發(fā)生硬化現(xiàn)象可以通過檢測基體表面和心部的維氏硬度差值來反映)。刀片圓角小,切深、進(jìn)給以及切削速度相對(duì)低,當(dāng)切深和進(jìn)給量過小時(shí),刀具的切削刃鈍圓部分在已加工表面單位長度上擠壓次數(shù)增多,硬化現(xiàn)象也會(huì)增大。
表1 刀片使用對(duì)照表
3、工藝試驗(yàn)
結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)條件,通過改進(jìn)刀具幾何角度和切削參數(shù)來改進(jìn)加工硬化現(xiàn)象,試驗(yàn)如下:
(1)刀具配置:根據(jù)加工硬化產(chǎn)生裂紋的機(jī)理分析,試驗(yàn)中增大刀具的前角、后角,保持切削刃鋒利,減輕零件表面的加工硬化現(xiàn)象。
(2)切削參數(shù)配置:根據(jù)加工硬化產(chǎn)生裂紋的機(jī)理分析,切削速度過大、過小都會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象,在滿足零件加工精度的要求下,我們選取了 9 組切削參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行試切削,力求尋求一組最合理的切削參數(shù)。
(3)維氏硬度比較:DNGP150402KC730 這組刀片加工零件表面和心部維氏硬度差異 HV 114,說明在加工后表面產(chǎn)生了硬化,這樣的硬化程度是不可以接受的。
(4)金相比較:從金相圖看出,DNGP150402KC730 這一組刀片產(chǎn)生的硬化層最厚DNMG110404MF1025 這一組刀片產(chǎn)生的硬化層最薄,CCGX120404ALH10 這組刀片產(chǎn)生的硬化層介于上訴兩者之間??梢姡镀渲?,切削參數(shù)選擇對(duì)零件的表面質(zhì)量都有一定影響,尤其對(duì)于高精度不銹鋼材料零件,其基體表面易產(chǎn)生硬化現(xiàn)象,表面的硬化使得表面脆性增加,嚴(yán)重可導(dǎo)致基體裂紋的產(chǎn)生,隨著裂紋的擴(kuò)展引起零件疲勞斷裂發(fā)生失效。
(5)實(shí)際應(yīng)用效果:綜合各種因素,根據(jù)實(shí)際情況選用了表2 中第 7 項(xiàng)的切削條件完成了零件的加工。
表2 工藝試驗(yàn)表
4、結(jié)束語
零件表面的加工硬化層雖然會(huì)增強(qiáng)其耐磨性,但脆性也同時(shí)增加,成為發(fā)生裂紋而促使表面破損和疲勞破壞的主要原因,零件的表面殘余應(yīng)力容易使表面產(chǎn)生裂紋,降低零件的疲勞強(qiáng)度。從浩如煙海的刀具品牌中,選擇出物美價(jià)廉,同時(shí)又適合企業(yè)生產(chǎn)科研的刀具,是令制造業(yè)企業(yè)十分頭痛的事,刀具選型實(shí)用、合理、科學(xué),不僅可以提高生產(chǎn)加工效率,最大限度地發(fā)揮數(shù)控加工設(shè)備的加工潛能。同時(shí),還可以大大縮減企業(yè)刀具消耗,達(dá)到節(jié)約刀具成本的目的。所以說在刀具良莠混雜的情形下刀具選型變得非常關(guān)鍵,選型過程中需要注重性價(jià)比,多實(shí)踐,多比較