淬硬鋼精車(chē)的表面質(zhì)量和刀具設(shè)計(jì)

1 前言
　　
　　為了提高承受高負(fù)荷機(jī)械零件的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，提高其表面硬度是最有效的方法之一。通常這樣的淬硬鋼零件，磨削是最常使用的加工方法。
但磨削效率低、成本高、耗能大、使用磨削液對(duì)環(huán)境污染大。隨著工藝水平的提高，尤其是超硬刀具材料聚晶立方氮化硼（PCBN）的使用，硬車(chē)削已經(jīng)成為可能。在一定條件下用車(chē)削代替磨削加工，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，顯示了誘人的前景。除了克服磨削常見(jiàn)的缺點(diǎn)外，硬車(chē)削還具有工藝靈活性大的優(yōu)點(diǎn)。文中主要介紹硬工件車(chē)削后的表面完整性；車(chē)削后工件表面粗糙度、殘余應(yīng)力，以及加工參數(shù)對(duì)它們的影響；精硬車(chē)削的刀具設(shè)計(jì)，特別是刃口倒棱對(duì)刀具壽命的影響。
　　
　　2 精硬車(chē)削加工及表面質(zhì)量
　　
　　車(chē)削條件
　　
　　在大量生產(chǎn)中，對(duì)加工齒輪錐形制動(dòng)凸緣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。工件由滲碳鋼27MnCr5制成，該鋼的主要化學(xué)成分是：0.23%C；1.1%Mn；1%Cr。精車(chē)前表面淬硬硬度850HV0.3，硬化層深度約0.6mm，硬度分布見(jiàn)圖1。熱處理后在深0.3mm 范圍內(nèi)其成分保持不變，含碳量約1%。因此精加工這種鋼材，相當(dāng)于加工淬硬高碳鋼100MnCr。表面淬硬后其表面殘余應(yīng)力的分布發(fā)生變化，并且誘發(fā)了殘余壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力的分布見(jiàn)圖&。因工件已在熱處理前進(jìn)行過(guò)車(chē)削加工，精硬車(chē)削的切削深度ap=0.15mm。這時(shí)刀具切削刃所處位置的工件硬度仍然是850HV0.3，內(nèi)部切向殘余應(yīng)力為-400MPa。車(chē)削加工是在剛性好的車(chē)床上進(jìn)行的。車(chē)削時(shí)的加工用量是：VC=50～250m/min； f=0.05～0.2mm/r；ap=0.15mm。使用PCBN刀具車(chē)削。用光學(xué)顯微鏡檢查刀具后面磨損VB。
　　
　　在精硬車(chē)削中，刀具的耐用度（后面磨損量VB）確定后，工件加工后的表面完整性主要是表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力，以及它們與切削用量的關(guān)系。
　　
　　車(chē)削后的工件表面，通常存在有平行于切削速度方向的長(zhǎng)溝痕，這些溝痕是由于刀刃的微幾何造成的，是形成工件表面粗糙度的決定因素。像一般切削加工一樣，精硬車(chē)削后工件的表面粗糙度基本上是由理論粗糙度決定的。加工后工件的理論粗糙度的表達(dá)式為： Ra=f2/[18-（3re）?] （1）
　　
　　式中，re為刀尖圓弧半徑，mm；f為進(jìn)給量，mm/r。模型中忽略刀具磨損的影響，因此在使用時(shí)必須規(guī)定合適的刀具耐用度VB的值。
　　
　　實(shí)驗(yàn)也表明，精車(chē)時(shí)切削速度對(duì)表面粗糙度的影響很小，尤其是在進(jìn)給量很小的情況下。切削速度VC大于150m/min時(shí)，刀具磨損速度加快，不適合切削。因此可以得出結(jié)論：精硬車(chē)削時(shí)，在合適的切削條件下（PCBN刀具，VC=50～150m/min），工件表面粗糙度只受進(jìn)給量f的影響，其他切削用量的影響可以忽略不計(jì)。深入研究可以發(fā)現(xiàn)，在很小進(jìn)給量下精硬切削，加工后工件表面的塑性流動(dòng)和耕犁現(xiàn)象，也影響著工件表面粗糙度的值。
　　
　　加工后工件表面的殘余應(yīng)力
　　
　　除去表面粗糙度外，對(duì)工件使用性能和壽命影響很大的另一個(gè)因素，則是工件表面殘余應(yīng)力。因此精車(chē)后工件表面的殘余應(yīng)力的性質(zhì)和分布，應(yīng)當(dāng)引起重視。實(shí)驗(yàn)表明，加工后工件的表面殘余應(yīng)力是切削速度VC、進(jìn)給量f以及刀具后面磨損VB的函數(shù)。使用X-射線衍射儀和化學(xué)拋光，可得到車(chē)削后工件表面殘余應(yīng)力分布如圖3所示。
　　
　　眾所周知，加工后工件表面的殘余應(yīng)力主要受3個(gè)因素影響所形成，即機(jī)械、熱力效應(yīng)和金相變化。
　　
　　在硬車(chē)削中，這3個(gè)因素受刀具的性能、特性（材料、涂層、幾何和磨損）、加工參數(shù)和刀具-工件材料相互作用的影響，是極其復(fù)雜的。工件表面物理性質(zhì)的變化，部分是由于切削壓力、切削溫度造成的。為了澄清這些影響，分析硬車(chē)削時(shí)的切屑形成機(jī)理是關(guān)鍵。
在硬車(chē)削加工中，刀刃前端的壓力非常大，這樣才能使工件材料塑性化到一定程度，進(jìn)而形成切屑。這樣大的機(jī)械應(yīng)力作用到工件表面，則會(huì)誘發(fā)殘余壓應(yīng)力。熱應(yīng)力主要是由于刀具磨損刃帶和工件之間的摩擦引起的。
在相同摩擦系數(shù)下，大的正應(yīng)力必然引起大的摩擦力，在刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下，消耗大量摩擦能，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷９ぜ�表面不均勻的熱脹冷縮變化，同樣誘發(fā)了殘余應(yīng)力。切削溫度越高， 殘余應(yīng)力越大。用CBN車(chē)刀車(chē)削（VC=184m/min；ap=2mm；f=0.1mm/r） 工件（ 硬度為62HRC）時(shí)測(cè)量切削溫度，后刀面處可高達(dá)800～1000℃。在這樣的高溫影響下，不僅誘發(fā)大的熱應(yīng)力，也會(huì)使工件表面產(chǎn)生金相變化，產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。我們知道，這一溫度超過(guò)g-a轉(zhuǎn)變溫度，并且也會(huì)使工件表面發(fā)生馬氏體-奧氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化，引起新的殘余應(yīng)力。馬氏體轉(zhuǎn)變引起殘余拉應(yīng)力，它將和工件因機(jī)械效應(yīng)引起的壓應(yīng)力疊加一起，使工件表面的應(yīng)力極為復(fù)雜。
　　
　　在所有情況下，工件表面軸向和周向殘余應(yīng)力的分布具有相同的情況，圖3中給出的是周向殘余應(yīng)力的分布情況。從圖中我們可以看到，用新刀在切削速度VC=100m/min車(chē)削時(shí)，最大殘余應(yīng)力約為-250MPa。在表面層以下約0.07mm處， 減小到-800MPa，隨后則增到內(nèi)部的-400MPa。應(yīng)當(dāng)注意，殘余壓應(yīng)力有利于提高工件的壽命。
　　
　　3 刀具設(shè)計(jì)
　　
　　精硬車(chē)削是否能夠正常進(jìn)行，合理設(shè)計(jì)刀具是關(guān)鍵。
　　
　　刀具材料
　　
　　刀具要滿足要求，首先要正確選擇刀具材料。眾所周知，一般情況下刀具材料與工件材料的硬度差越大，刀具的切削性能越好。因此精硬車(chē)削時(shí)，超硬刀具材料是首選。但考慮到金剛石刀具材料強(qiáng)度低、脆性大，且在一定溫度時(shí)與鐵族元素親和力大，不宜加工黑色金屬，因此精硬車(chē)削鋼材時(shí)，使用PCBN是最合適的選擇。PCBN具有僅次于金剛石的硬度和耐磨性，硬度高達(dá)8000～9000HV，耐熱性也很高，可以承受1400～1500℃的高溫，大大高于金剛石材料，它的化學(xué)穩(wěn)定性好，在1200～1300℃也不會(huì)與鐵族起化學(xué)反應(yīng)，抗黏結(jié)能力強(qiáng)，因此這種刀具材料目前受到廣泛重視。在精硬車(chē)削鋼時(shí)，基本上都應(yīng)選擇這種刀具材料。
　　
　　刀具幾何參數(shù)
　　
　　加工淬硬鋼時(shí)，刀具刃口切削力大，又加上PCBN的強(qiáng)度低，因此選擇合適的刃口幾何參數(shù)，保護(hù)刀尖及刃口免受崩刃損壞，是必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題。有人在PCBN（重量組成：60BN；35%TiCN；少量Al、W、Co元素）刀具設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體加工情況，使用較小的主、副偏角Kr和K’r；法后角an=7°；刃傾角ls=-6°；法前角gn=-6°。且選用合適的倒棱（倒棱寬0.1mm，倒棱法前角-15°左右）和刀尖圓弧半徑（re＝0.03mm，研磨拋光），在加工中取得很好效果。
　　
　　刀具刃口倒棱
　　
　　深入研究可知，在精硬車(chē)削中，刀具的刃口倒棱對(duì)刀具的磨損和耐用度有著較大的影響，進(jìn)而也影響加工工件表面的性能和加工的經(jīng)濟(jì)性。瑞典學(xué)者對(duì)此作了深入研究。他們用PCBN刀具在車(chē)削中心上（SMT500 CNC）精硬車(chē)削軸承鋼100Cr6（硬度為60～62HRC）工件，組織為馬氏體。形狀為管狀，外徑f140mm，內(nèi)徑f100mm。車(chē)削時(shí)的加工用量為VC=160m/min，f=0.05mm/r，ap=0.05mm。車(chē)刀幾何參數(shù)如前所述。不同的是保持刃口倒棱寬VL=0.1mm，倒棱角分別為0°、-10°、-15°、-20°、-30°。分別用于加工工件，以便觀察倒棱參數(shù)（倒棱角）對(duì)加工的影響。用測(cè)力計(jì)（Kistler9212）和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（InstruNet100）測(cè)出切削力，可以清楚地看到，隨著角度絕對(duì)值加大，切削力有所增大，但耐用度則變化較大。

刀具涂層
　　
　　現(xiàn)在的涂層技術(shù)，使我們能夠涂覆需要性能的各種涂層。在這樣超硬刀具材料上，涂覆減摩、隔熱涂層，顯然是有用的。實(shí)驗(yàn)表明，在精硬車(chē)削時(shí)，即使涂覆TiN涂層也能使刀具耐用度顯著增加，加工后的工件表面粗糙度減小，殘余應(yīng)力降低。
現(xiàn)在的多涂層技術(shù)，納米涂層技術(shù)，應(yīng)當(dāng)在精硬車(chē)削刀具設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用，在這方面的研究需要廣泛深入進(jìn)行。
　　
　　正確地設(shè)計(jì)刀具后，在使用中更加嚴(yán)格控制刀具后面磨損極限VB，就能加工出符合要求的表面質(zhì)量來(lái)。
　　
　　4 小結(jié)
　　
　　在現(xiàn)有的工藝條件下，用精切削代替磨削加工，得到的工件表面質(zhì)量完全可以滿足生產(chǎn)需要。
　　
　　精硬車(chē)削加工能否順利進(jìn)行，刀具設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。應(yīng)該使用PCBN制造刀具，同時(shí)合理的設(shè)計(jì)刀具幾何參數(shù)，可以滿足加工中的要求。
　　
　　對(duì)刀具設(shè)計(jì)進(jìn)行深入細(xì)致的研究，防止刀刃崩刃破損，提高刀具的耐用度，這方面還應(yīng)作大量工作。例如根據(jù)加工的具體條件，如何正確設(shè)計(jì)刀具幾何角度和倒棱參數(shù)。
　　
　　應(yīng)當(dāng)研究適合精硬加工刀具的合適涂層和涂覆方法，我們相信隨著新型刀具材料的使用，以及涂層在這種刀具上的應(yīng)用，精硬車(chē)削代替磨削一定會(huì)取得更好的效果。