42CrMo4钢高速切削金相组织转变仿真研究

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　　摘要：针对高速切削42CrMo4钢过程中工件材料表面产生大量的切削热，切削温度超过了材料金相组织转变温度，在高应变、高应变率、高温作用下形成白层，影响材料使用性能的现象，通过有限元仿真技术对42CrMo4钢高速切削过程进行研究。研究不同切削速度下工件表面金相组织的转变规律。
　　关键词：42CrMo4钢；有限元仿真；金相转化；高速切削
　　Keywords：42CrMo4，Simulation，Phase transformation，High speed cutting
　　42CrMo4钢具有优越的材料性能，调质后没有明显的回火脆性，且具有较高的疲劳强度和抗多次冲击的能力。一般情况下在调质之后使用，常用于制造机车牵引用大齿轮、后轴、变速箱齿轮、发动机气缸盖等机械中承受冲击、振动、弯曲、高载荷等强度要求较高的重要零件。[1]但是在高速切削时工件已加工表面温度急剧增加，超过了材料金相组织变化温度，对材料后期的使用性能产生了很大的影响。[2]通过有限元仿真技术研究高速切削时工件材料内部金属的金相变化不仅能掌握材料金相组织的演变过程，而且对材料后期的使用性能进行深入的分析，是非常有意义的一项工作。[3-7]
　　本文基于DEFORM软件，对高强度钢42CrMo4的高速切削过程进行了切削仿真研究，主要研究高速切削42CrMo4钢时金相转化的变化规律，为高速切削工艺过程提供依据。
　　一、金相转化切削仿真模型
　　国外学者Volker Schulze、Eckart Uhlmann 和Rolf Mahnken等人曾基于DEFORM有限元分析软件，介绍了用于描述切削过程中金相转化的模型。[6]
　　当冷却速率很快，切削温度迅速降低到 点并继续冷却时，奥氏体会向马氏体转变。其转变体积分数与过冷度呈现指数关系：
　　（10）
　　式中： ——转变形成的马氏体体积分数；
　　——过冷度，此处为 与冷却温度 的差值，即 ；
　　——常数，取值-0.011。
　　已加工表面冷却较慢时，会发生由奥氏体向珠光体的转变。转变形成的珠光体的体积分数可表示为：
　　（11）
　　式中： ——转变形成的珠光体的体积分数；
　　——与温度相关的速度常数；
　　——时间；
　　——与相变类型相关的常数。
　　当冷却速率小于完全形成马氏体的冷却速率，并大于形成珠光体的冷却速率时，会有贝氏体的形成。
　　在高速切削中，虽然会产生较高的切削温度，但是由于切削速度快单位时间内被切屑带走的热量较多，会使得已加工表面冷却速率很快。因此，在已加工表面上最有可能获得马氏体组织。
　　二.切削仿真过程金相组织转化分析
　　（一）工件及切削参数
　　本文研究对象为调质后的42CrMo4钢，其金相組织为回火索氏体（细珠光体）。刀具材料为SiC晶须增韧 陶瓷刀具。研究不同切削参数对金相组织转化的影响。进给量为f=0.03mm/r；切削速度分别为：300 m/min，刀具前角 ，刀具后角 ，刀尖圆弧半径r=0.005mm；工件尺寸为0.5mm×0.5mm（减小工件模型尺寸目的是减少模拟冷过程所用的时间）。
　　（二）仿真结果及分析
　　图1为切削过程中，工件材料的金相转化过程。从图中可以看出切削时间从0.000545 ms--0.00328 ms -0.00524 ms-0.0641ms发展的过程中，金相组织的转化过程为：无变化（珠光体）-0.782奥氏体生成-冷却区出现贝氏体-开始生成马氏体，冷却后已加工表面温度冷却为20.01℃时，在冷却后的已加工表面上，残余奥氏体的最大体积分数约为5.6%，珠光体的最小体积分数约为52.55%，马氏体的最大体积分数约为46.88%。
　　从中可以看出，切削过程中，当切削温度达到奥氏体化温度后，首先在切削区域发生由珠光体向奥氏体的转变；在切削过后会在已加工表面上发生由奥氏体向珠光体、马氏体和贝氏体的反向转变，并且反向转变得到珠光体和马氏体的体积分数较大，反向转变得到的贝氏体的体积分数较小（可以忽略不计）；由于反向转变的不完全性，还会存在极少量的残余奥氏体。
　　三、结论
　　通过高速切削42CrMo4钢金相转化仿真分析，发现：当切削温度达到奥氏体化温度后，在切削区域珠光体开始向奥氏体转变，且随时间的增加越来越多；冷却过程中，奥氏体向珠光体、马氏体和贝氏体等金相组织的反向转变。其中，马氏体的体积分数较大，确定已加工表面产生的白层为马氏体层和少量残余奥氏体。
　　参考文献
　　[1]严帅，王明建，胡小康，et al. 基于DEFORM-3 D的钛合金切削仿真研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2014（10）：135-137.
　　[2]庆振华. 高强度钢42CrMo硬态切削切屑形成机理的研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2015.
　　[3]景旭文，王楚辉，周宏根，等. 基于Deform-3D的42CrMo钢铣削仿真分析[J]. 工具技术，2018（2）：71-75.
　　[4]孔凡新，吴梦陵，李振红，等. 金属塑性成型CAE技术DYNAFORM及DEFORM[M]. 北京：电子工业出版社，2018.
　　[5]李传民，王向丽，闫军华，等. DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程[M]. 北京：机械工业出版社，2006.
　　[6]Schulze V，Uhlmann E，Mahnken R，et al. Evaluation of different approaches for modeling phase transformations in machining simulation[J]. Production Engineering，2015，9（4）：437-449.
　　[7]Zhang W，Zhang P K. Axial Vibration Drilling Machining Simulation of 2A12 based on Deform[J]. Equipment Manufacturing Technology，2011.
　　作者简介：付宏鸽（1980-），副教授，硕士生导师，研究方向为难加工材料加工与仿真技术。
　　基金项目：河北省高等学校科学研究项目（QN2017002），廊坊市科学技术研究与发展计划（2017011051），北华航天工业学院博士科研启动基金（BYK-2015-01）资助。
　　（作者单位：北华航天工业学院 机电工程学院）
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