鄧福銘,劉瑞平,向兆兵,王強,陸紹悌,張丹,趙曉凱

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083)

1 前言

GCr15鋼是高碳鉻軸承鋼中使用和生產(chǎn)量最多的牌號,通常用于制作各種軸承套圈和滾動體,其綜合性能良好,淬火和回火后硬度高而且均勻,耐磨性能和接觸疲勞強度高。而由于PcBN刀具材料優(yōu)良的物理力學(xué)性能,目前其是最適合硬態(tài)干切削GCr15軸承鋼的刀具材料[1-4]。

近幾年來,國內(nèi)外加強了對PcBN刀具的應(yīng)用研究,但研究內(nèi)容主要集中在刀具磨損機理以及切削力和切削溫度等方面,而對切屑形貌的影響研究較少[5-8]。實際上,切屑形成的過程就是工件材料受到刀具前刀面的推擠后沿某一斜面剪切滑移形成的塑性變形,且合理的切屑形態(tài)可以減小切屑與刀具、工件表面間的摩擦。在不同的切削條件下,不同的被加工材料會得到不同的切屑形態(tài),不同的切屑形態(tài)也說明了它有不同的變形機理和變形過程。本文以D I公司BZN 9000牌號PcBN刀具硬態(tài)干切削GCr15軸承鋼為研究對象,通過切削試驗系統(tǒng)分析了切削參數(shù)條件對工件切屑形貌的影響,為進一步探討PcBN刀具硬態(tài)切削機理、拓寬PcBN刀具的應(yīng)用范圍提供了試驗依據(jù)。

2 試驗方法和試驗方案

本實驗選取D.I.公司(原GE公司)生產(chǎn)的BZN9000復(fù)合片為硬態(tài)干切削用刀具材料,cBN含量為75vol%。選取制造軸承廣泛采用的GCr15淬硬軸承鋼為工件材料,平均硬度為HRC60±2,其金相組織為針狀馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體,該材料硬度高,導(dǎo)熱系數(shù)小,屬于較難加工材料。

切削實驗在CA 6140A車床上進行,刀具的幾何形狀為:γo=0°,ao=6°,λs=0°,κr=93°,κr′=5°,刀尖圓弧半徑rε=0.8mm,負倒棱為0.2mm×(-15°);采用S3400型掃描電子顯微鏡觀察切屑的形貌。

設(shè)計不同水平的切削速度、進給量、背吃刀量,分別研究其對工件切屑形貌的影響,分析其內(nèi)在原因,并最終得出較佳的切削參數(shù)條件。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 切削速度

圖1 不同切削速度下切屑的形貌Fig.1 The morphologies of chips at different cutting speed

圖1是在不同切削速度下工件的切屑形貌,可以觀察到隨著切削速度的變化切屑形態(tài)也發(fā)生了很大變化。

從圖1中可以看出,隨著切削速度的增加,鋸齒化程度也越高,這可能是由于熱塑剪切失穩(wěn)影響的作用明顯。當(dāng)切削速度大于200m/min時,切屑類似于擠裂狀,產(chǎn)生這種切屑形態(tài)變化的原因可能與切屑過程中的切削熱有關(guān),其中主剪切區(qū)內(nèi)熱軟化超過應(yīng)變硬化而發(fā)生絕熱剪切斷裂。在較低切削速度時,切屑內(nèi)應(yīng)變和應(yīng)變率較小,材料處于變形硬化狀態(tài),切屑變形以均勻滑移的方式進行。隨著切削速度增加,切屑內(nèi)應(yīng)變和應(yīng)變率增加,主剪切區(qū)產(chǎn)生大量熱量,由于時間很短,熱量無法向周圍的材料傳遞,使主剪切區(qū)內(nèi)溫度迅速升高,熱軟化加劇;當(dāng)熱軟化超過應(yīng)變硬化時,主剪切區(qū)處于絕熱剪切失穩(wěn)狀態(tài),剪切抗力迅速減小,材料的承載能力下降,切屑沿主剪切區(qū)發(fā)生周期性的絕熱剪切斷裂,形成鋸齒形切屑,但是絕熱剪切的發(fā)生和發(fā)展同時依賴于應(yīng)變和應(yīng)變率,在其他條件不變的情況下,隨著速度的提高,應(yīng)變率相應(yīng)增大,所以最后切屑形態(tài)向著變形更加嚴重的擠裂切屑轉(zhuǎn)變。

3.2 進給量

圖2是在不同進給量下的切屑形貌,可以觀察到隨著進給量的增加,切屑形態(tài)也發(fā)生了很大變化。隨著進給量的增加,切屑的鋸齒化程度越來越明顯。而且在進給量達到0.5mm/r時,切削產(chǎn)生嚴重變形,這是由于切削工作大部分由負倒棱承擔(dān),因此在切削過程中對刀具刃前區(qū)有很大的擠壓作用,隨著進給量的增大,擠壓作用增強,切屑的變形率也隨之增大。

圖2 不同進給量下切屑的形貌Fig.2 The morphologies of chips at different feed rate

3.3 背吃刀量

圖3是在不同背吃刀量下的切屑形貌,可以觀察到隨著背吃刀量的增加,切屑形態(tài)也發(fā)生了很大變化。隨著背吃刀量的增加,切屑的卷曲程度越來越大,但對鋸齒化影響并不大,但當(dāng)背吃刀量為0.05mm時,切削基本呈帶狀。由于切削面積很小,切屑本身承受的單位切削力很大,隨著背吃刀量的增加,使得切屑在極大擠壓力作用下變形加大。

圖3 不同背吃刀量下切屑的形貌Fig.3 The morphologies of chips at different cutting depth

4 結(jié)論

通過研究切削工藝參數(shù)對工件切屑形貌的影響,得出以下結(jié)論:

(1)PcBN刀具硬態(tài)干切削GCrl5軸承鋼易產(chǎn)生鋸齒形切屑,隨著切削速度的增加,切屑鋸齒化程度越高。當(dāng)切削速度大于200m/min時,切屑類似于擠裂狀;

(2)隨著進給量的增加,切屑的鋸齒化程度越來越明顯,而且在進給量達到0.5mm/r時,切削產(chǎn)生嚴重變形;

(3)隨著背吃刀量的增加,切屑的卷曲程度越來越大,但對鋸齒化影響并不大,但當(dāng)被吃刀量為0.05mm時,切削基本呈帶狀。

[1] 劉獻禮,肖露,等.PcBN刀具的發(fā)展性能及應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程.2002,(1):37-39.

[2] Barry J,Akdogan G,Smyth F,Mcavinue P.Application areas for PCBN materials[J].Industrial diamond review,2006(3):46-53.

[3] M.W.Cook,P.K.Bossom.Trends and recent developments in the material manufacture and cutting tool application of polycrystalline diamond and polycrystalline cubic boron nitride[J].International journal of ref racto ry metals&hard materials,18(2000):147-152.

[4] Volkmar Richter,Michael Fripan.Demand fo r greater efficiency is good new s for PcBN[J].Industrial Diamond Review,12(2006):9-12.

[5] X.Ding,W.Y.H.Liew,X.D.Liu.Evaluation of machining performance of MMC with PCBN and PCD tools[J].Wear,259(2005):1225-1234.

[6] Mo re Abhijeet S,Jiang Wenping,Brow n W D.Tool w ear and machining performance of cBN-TiN coated carbide inserts and PcBN compact in turning A ISI 4340 hardened steel[J].Journal of materials p rocessing technology,2006,180(1-3):253-262.

[7] X.Ding,W.Y.H.Liew,B.K.A.Ngoi,J.G.K.Gan,S.H.Yeo.Wear of CBN tools in ultra-precision machining of STAVAX[J].Tribology Letters,2002(12)1:3-13.

[8] W.Y.H.Liew,B.K.A.Ngoi,Y.G.Lu.Wear characteristics of PCBN tools in the ultra-precision machining of stainless steel at low speeds[J].Wear,2003(254):265–277.