肖 露 文東輝 秦紅玲

(1.三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.浙江工業(yè)大學(xué),杭州 310014)

硬態(tài)切削技術(shù)是本世紀(jì)最富有生氣的切削技術(shù)之一,是把淬硬鋼的切削加工直接作為半精加工或精加工的工藝方法,可以部分地代替磨削,而且在絕大多數(shù)場合都可以實施干式切削,從而有效地減少淬硬鋼的精磨工序[1].與磨削相比,硬態(tài)切削具有很好的加工柔性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性.在一定條件下,硬態(tài)切削已成為替代磨削的首選工藝[2].精車淬硬鋼通常采用陶瓷刀具和PCBN刀具,尤其是PCBN刀具在淬硬鋼的精加工中顯示的優(yōu)良性能已引起世界工業(yè)界的關(guān)注.也有許多學(xué)者對硬態(tài)切削技術(shù)進(jìn)行過研究[3],得到了一些有一定參考價值的結(jié)論和數(shù)據(jù).然而,PCBN刀具的硬態(tài)切削加工技術(shù)仍然沒有完全被企業(yè)接受和廣泛采用,其主要原因是PCBN刀具切削加工的適應(yīng)性并沒有研究徹底[4].硬態(tài)切削的重要特征之一—金屬軟化效應(yīng)的研究已成為硬態(tài)切削過程的一個難點,其產(chǎn)生受到工件硬度和切削速度的綜合影響[5].本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的研究成果,通過實驗,分析了PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼時切削速度對切削過程的影響作用.

1 切削速度對切屑形態(tài)的影響

不同切削速度對切屑形態(tài)的影響不同.試驗所用f=0.08 mm/r,ap=0.2 mm,選取了 HRC30和H RC50兩種硬度的工件從低速到高速切削,其相應(yīng)的切屑形態(tài)如圖1所示.實驗結(jié)果表明,對于H RC30的工件,即便是切削速度達(dá)到250 m/min時,切屑表面雖然由原來的帶狀切屑變化為切屑表面有所波動,但其基本特征還是帶狀切屑,如圖 1(b).而對于H RC50的工件,即使切削速度很低,其切屑的基本形態(tài)仍為鋸齒形切屑,如圖1(c),此時切屑相鄰鋸齒之間的銜接比較好.進(jìn)一步提高切削速度到250m/min時,鋸齒形切屑相鄰鋸齒之間幾乎快要斷開,如圖1(d)所示.當(dāng)繼續(xù)將切削速度提高到300m/min時,切屑之間完全斷開,切屑呈小顆粒,很難收集到[6].

圖1 切削速度對切屑形態(tài)的影響

2 切削速度對切削溫度的影響

切削溫度試驗中f=0.08mm/r,ap=0.1mm,切削速度v的范圍為50～300m/min.

試驗發(fā)現(xiàn),切削速度對切削溫度的影響與工件的硬度有關(guān),如圖2所示,對于不同的工件硬度切削溫度的變化呈現(xiàn)不同變化規(guī)律.當(dāng)工件硬度低于H RC50時,提高切削速度使切削溫度呈線性上升,當(dāng)工件硬度大于HRC50時,切削速度對切削溫度的影響以切削速度為分界線會出現(xiàn)兩種不同的變化規(guī)律:當(dāng)切削速度小于200m/min時,提高切削速度使切削溫度升高,當(dāng)切削速度大于200 m/min時,提高切削速度反而使切削溫度下降.這種現(xiàn)象可做如下解釋,由于切削速度很高,切削溫度已經(jīng)達(dá)到或超過GCr15軸承鋼的AC1,此時與刀具相接觸的金屬材料已經(jīng)發(fā)生馬氏體到奧氏體的部分轉(zhuǎn)變,進(jìn)一步提高切削速度只會使這種轉(zhuǎn)變過程更充分,使得與刀具接觸的金屬組織硬度逐步下降,因此提高切削速度對切削溫度的上升作用不明顯,再加上增大切削速度會使鋸齒形切屑有斷裂的趨勢,使刀具體散熱更快,因此切削溫度下降[6].

圖2 切削速度對切削溫度的影響

3 切削速度對切削力的影響

切削力試驗中f=0.08mm/r,ap=0.2mm.工件硬度HRC64.

從圖3中可以看出,提高切削速度會降低切削力,其主要原因是切削溫度的升高導(dǎo)致工件材料軟化而硬度下降,此外隨著切削速度的增加,第二變形區(qū)切削溫度的上升改善了刀屑之間的摩擦變形,使這一區(qū)域的附加變形減小,切屑流出阻力下降.而這種趨勢對應(yīng)一定的切削速度范圍,當(dāng)切削速度超過209 m/min時切削力隨切削速度的提高而增大,這是因為當(dāng)切削速度達(dá)到一定值時,切削溫度逐步升高并接近工件材料的熔點,再提高切削速度切削溫度升高緩慢,因此超過這個切削速度的臨界值時切削力會隨切削速度的提高而增大.硬態(tài)切削中產(chǎn)生大量的切削熱,由于切削速度比較高,大部分切削熱都被切屑帶走,只有少部分流經(jīng)刀具和工件表面.眾所周知,PCBN刀具的耐熱性高達(dá)1200℃,在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度,因此充分利用高溫下PCBN刀具和GCr15鋼的硬度差加大的優(yōu)勢進(jìn)行高速切削,對于提高切削效率和刀具壽命是有益的[7].

圖3 切削速度對切削力的影響

4 結(jié) 論

PCBN刀具切削GCr15軸承鋼時,HRC50為區(qū)分普通切削和硬態(tài)切削的一個工件硬度.在工件硬度小于HRC50時,切削速度對切削溫度、切削力和切屑形態(tài)的作用同一般切削.而在工件硬度大于H RC50時,切削速度小于300 m/min可以得到鋸齒狀切屑.切削速度對切削溫度和切削力的影響有一個臨界值,當(dāng)切削速度低于209 m/min左右時,切削溫度隨切削速度的增大而增大,切削力則逐漸減小;當(dāng)切削速度高于臨界值時,產(chǎn)生了金屬軟化效應(yīng),切削速度繼續(xù)增大使得切削溫度降低,切削力反而增大.

[1］劉獻(xiàn)禮.聚晶立方氮化硼刀具及其應(yīng)用[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

[2］岳彩旭,劉獻(xiàn)禮,王 宇,等.硬態(tài)切削與磨削工藝的表面完整性[J].工具技術(shù),2008,42(7):13-18.

[3］T onshoff H K,A rendt C,Ben Amor R.Cutting of Hardened Steel[J].Annals of the CIRP,2002,49(2):547-565.

[4］文東輝,劉獻(xiàn)禮,胡榮生.PCBN刀具的硬態(tài)切削加工機(jī)理[J].機(jī)電工程,2001,18(6):76-79.

[5］曹永泉,張弘弢.PCBN刀具硬態(tài)切削技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].機(jī)械制造,2005,43(10):58-60.

[6］文東輝.PCBN刀具硬態(tài)切削機(jī)理及技術(shù)[D].大連:大連理工大學(xué),2002.

[7］肖 露.硬態(tài)干式切削條件下切削力實驗建模與控制的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2002.