模具钢硬态切削显微组织演变建模与仿真

第1章 绪论 模具钢硬态切削技术具有明显的技术优势和经济优势，正朝着高速化、实用化的方向发展。目前，关于硬态切削表面质量的研究和取得的成果主要集中在表面几何特征方面，而关于硬态切削变形区的显微组织演变和切削表面层力学性能的研究却相对缺乏。本章通过对硬态切削变形区显微组织的演变机理、仿真建模、切削表面层力学性能评价及硬态切削工艺参数优化等方面的国内外研究现状进行分析概述，指出目前关于模具钢硬态切削显微组织演变研究方面存在的问题，从而确定本书的主要内容。 1.1 研究背景和研究意义 随着科学技术的不断进步，各种先进成形技术如3D打印[1]、激光成形[2]、粉末冶金[3]等极大地推动了机械制造业的升级和发展。尽管如此，切削加工依然在成形方面占有*重要的地位，绝大部分重要零件的*终成形工艺仍以切削为主，因此切削是应用范围*广的一种机械制造方法[4]。金属切削过程中材料的剧烈弹塑性变形以及刀具-切屑和刀具-工件界面摩擦产生的大量切削热，导致切削区呈现“高温、高压、高应变率”的特点，从而使刀具磨损加剧、表面质量恶化、切削效率降低。通过外部供给具有冷却、润滑作用的切削液至切削区，可以达到显著减缓刀具磨损、改善加工表面质量和提高切削效率的目的[5-7]。然而，使用大流量切削液的传统浇注式切削过程(图1-1)总是伴随着大量的资源和能源消耗，与现在所倡导的“创建资源节约型、环境友好型社会”的发展理念背道而驰。更为重要的是，切削液的使用会产生大量的无法降解的废弃溶液，不仅造成环境污染，而且对操作人员的身体健康造成威胁[8，9]。因此，发展绿色、可持续的先进制造技术替代传统切削技术迫在眉睫，其具体要求是：环境友好、资源节约、无害、无废弃物以及节约生产成本[10]。对于机械加工领域，发展可持续制造技术主要是基于刀具技术的创新和冷却润滑方式的转变[11]。 随着高性能机床的出现和先进刀具材料性能的不断提高，不使用任何切削液或仅使用微量可降解切削油的硬态切削技术在现代化制造体系中备受学术界和工业界的青睐。硬态切削，是指采用先进刀具在干式/准干式条件下直接切削具有较高硬度的材料(包括模具钢、轴承钢等)[12-14]。硬态切削技术完全符合“绿色制造、可持续发展”的清洁生产要求，被称为“*具应用前景的先进制造技术之一”。与传统切削方式相比，硬态切削技术具有十分明显的优势(图1-2)，如实现以切代磨、表面粗糙度小、材料去除率大、生产效率高、成本低、能耗小且环境污染小等[15，16]，已经在齿轮、轴承、模具、汽车和机床制造等行业得到推广应用[17，18]。尽管硬态切削技术已经展现出巨大的应用优势和未来发展潜力，但是目前仍然面临许多挑战，主要体现在两个方面：①硬态切削过程中过高的刀具-切屑和刀具-工件接触温度容易降低刀具切削刃的硬度，发生塑性变形甚至失效[19，20]；②剧烈的弹塑性变形和过高的切削温度会造成切削亚表层材料的显微组织和物理、力学性能发生变化，降低加工表面层质量[21]。 图1-1 传统浇注式切削过程 图1-2 硬态切削技术的优势 材料的失效主要有疲劳、腐蚀和磨损，统计数据显示，疲劳在各种失效形式中占60%以上，航空和机车行业占80%以上。但无论是疲劳还是腐蚀和磨损往往都起源于表面或亚表层，即疲劳源是从加工表面之下微米尺度范围内开始的，这表明已加工表面之下的材料的显微组织和物理、力学性能变化对零部件的使用性能产生显著影响[22，23]。由此可知，表面层质量成为影响被加工零件的使用性能和疲劳寿命的关键因素，而表面完整性是衡量切削加工质量好坏的*重要指标。如图1-3所示，表面层包括切削表面和亚表层[24]。本书将光学显微镜(optical microscope， OM)或扫描电子显微镜(scanning electron microscope， SEM)下观测到的切削试样横断面呈现出不同于原始基体的显微组织的区域统称为亚表层，也有学者称其为变质层。亚表层(变质层)包括而又不限于白层、暗层和塑性变形层等，位于亚表层下面的是基体。 图1-3 切削表面层示意图[24] 表面层质量具体是指表面几何特征、亚表层显微组织结构和表面层性能。表面完整性的具体含义是指为保持和提高材料固有的力学、物理、化学、生物等使用性能而需使表面层材料具有不同于基体的特定状态和性能[25，26]，其内涵与外延如图1-4所示。其中，表面几何特征包括表面形貌、加工纹理、波度、表面粗糙度等；亚表层显微组织结构主要包括微观组织、相结构及含量、晶体织构等参数；表面层性能主要是指表面层材料的屈服强度、拉伸强度、断裂韧度、显微硬度、残余应力等力学参数。对于表面几何特征(主要包括表面粗糙度、三维形貌、表面缺陷)这一衡量切削表面层质量的评价指标，人们已经开展了较为系统的研究，并取得了一系列原创性成果[27-29]。然而，随着科学技术的不断发展和工作环境的不断扩展，很多零件都是在高温、高压、高速、重载和腐蚀等较为恶劣的条件下工作的。零件的表面层质量会对产品的配合质量、耐磨性、耐用性、疲劳强度、高温强度、耐腐蚀性等使用性能产生很大影响，因此，人们对机械零件的加工表面质量要求也越来越高。换言之，切削过程中除了要保证零件的表面几何特征，更要特别重视被加工零件的切削亚表层显微组织及其物理、力学性能，即实现由“控形制造”向“控形控性制造”的转变。对于切削加工，零件的疲劳失效与切削亚表层材料的晶粒细化、塑性变形、加工硬化、相变、二次相析出等显微组织演变以及由此引起的物理、力学性能变化密切相关[30-32]。此外，零件的被加工表面完整性直接受制于零件材料特性、刀具材料(包括涂层材料)特性、刀具结构和几何参数、切削参数、冷却润滑方式及参数等切削条件。因此，研究硬态切削工艺参数对切削区显微组织及其物理、力学性能的影响，进而控制被加工零件的表面完整性从而达到改善加工零件性能、延长其使用寿命的目的就显得十分重要。 图1-4 表面完整性概念的内涵与外延示意图 AISI H13钢(其成分、性能与国产4Cr5MoSiV1钢相近)是一种Cr-Mo-V基热作模具钢，主要应用于热锻模具、热挤压模具以及有色金属压铸模具的制造[33]。热锻模具使用条件较为恶劣，需承受高温、高压和较大冲击力；热挤压模具在挤压过程中要承受较大的压力、较高的温度和剧烈的摩擦；压铸模具工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长，而且承受很高的压力，此外还受到反复加热和冷却的作用以及金属液流的高速冲刷。上述工作条件使得热作模具的主要失效形式表现为热应力循环导致的热疲劳裂纹、龟裂、磨损和过量的塑性变形等。这就要求制作热作模具的H13钢具有较高的强度、足够的韧性、较好的耐磨性和良好的冷热疲劳抗力。 处于淬硬状态的H13钢具有硬度高、延展性好、热硬性好、抗热冲击和热软化以及耐磨性好等特点[34，35]。然而，H13钢的高硬度也使其成为典型的难加工材料之一，主要原因如下：①H13钢硬态切削过程中的切削变形区高温会加剧刀具磨损，造成刀具寿命骤降；②切削变形区的高温和高剪切应变会使切削表面层质量变差，工件的几何精度降低。需要强调的是，切削亚表层显微组织及其性能同样在热-机械耦合载荷的共同作用下发生了实质性变化，产生塑性变形、动态再结晶、相变以及加工硬化等。亚表层材料的显微组织主要是由尺寸在几十纳米到上百纳米之间的微小晶粒组成的，细小晶粒和高密度位错的存在使得亚表层硬度显著高于基体，在提高耐磨性的同时伴随着很大的脆性和残余应力场的产生，极易造成微裂纹的萌生和扩展。研究表明，热作模具使用过程中产生的过早变形和裂纹萌生主要始于表面或亚表层，因此开展H13钢硬态切削过程中亚表层显微组织演变预测和力学性能评价研究，进而优化H13钢硬态切削工艺是实现模具长寿命服役的重要前提和保障措施。 目前，硬态切削技术正处于从单一材料向多种材料、从低速切削向中高速切削、从“控形制造”向“控形控性制造”探索转变的发展过程中。我国模具制造业对高精度、高效率、高质量和高性能的切削技术有着迫切需求，同时也在极力研究并推广使用硬态切削技术。然而，由于缺少对H13钢硬态切削过程中切削变形区显微组织演变规律、演变机理和力学性能评价等方面的基础研究，切削变形区显微组织演变规律难以摸清、演变机理难以阐释、力学性能难以量化评定等，这极大地限制了硬态切削技术在模具行业的普及和推广应用。因此，需要从硬态切削工艺参数对显微组织演变规律、演变机理和切削表面层材料力学性能变化的影响等方面开展系统研究，实现H13钢硬态切削由“控形制造”向“控形控性制造”的转变和对表面层材料力学性能的综合评价，推动硬态切削技术在我国模具制造领域及其他行业的进一步推广应用。 1.2 模具钢硬态切削变形区显微组织及性能的研究现状 1.2.1 H13钢的显微组织及力学性能 H13钢的化学元素组成及其质量分数如表1-1所示。H13钢的基本物理、力学性能和临界温度分别如表1-2和表1-3所示。碳含量决定钢淬火后的硬度，由淬火钢硬度与碳含量之间的曲线关系可知[33]，H13钢的淬火硬度约为50HRC。H13钢的奥氏体化温度范围是1000～1060℃。为了使H13钢的力学性能满足使用要求，通常采用淬火+回火的热处理工艺，具体的热处理过程如图1-5所示。淬火后H13钢的显微组织是板条状马氏体、未溶碳化物和少量残余奥氏体，再经2～3次高温回火(回火温度为540～650℃)，消除工件中的淬火应力和少量残余奥氏体以及未溶碳化物，从而达到马氏体韧化的目的[36]，其显微组织金相图和相组成X射线衍射(X-ray diffraction， XRD)图谱如图1-6所示。相关研究表明，H13钢内部存在着严格的、尺度不同的多层级显微组织结构[37-40]：原奥氏体晶粒内部存在着多个惯习面相同而晶体取向不同的马氏体板条束，板条束又根据晶体取向进一步划分为若干个板条块，每一个板条块*终是由许多马氏体板条单元组成的，如图1-7所示。 表1-1 H13钢的化学元素组成及其质量分数 表1-2 常温条件下H13钢的基本物理、力学性能 图1-5 H13钢热处理过程 图1-6 淬硬H13钢金相图及相组成XRD图谱