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淬硬钢精车表面质量和刀具设计解析
2006年2月22日 10:27  
   1 前言 

   为了提高承受高负荷机械零件的耐磨性和接触疲劳强度,提高其表面硬度是最有效的方法之一。通常这样的淬硬钢零件,磨削是最常使用的加工方法。但磨削效率低、成本高、耗能大、使用磨削液对环境污染大。随着工艺水平的提高,尤其是超硬刀具材料聚晶立方氮化硼(PCBN)的使用,硬车削已经成为可能。在一定条件下用车削代替磨削加工,具有一系列优点,显示了诱人的前景。除了克服磨削常见的缺点外,硬车削还具有工艺灵活性大的优点。文中主要介绍硬工件车削后的表面完整性;车削后工件表面粗糙度、残余应力,以及加工参数对它们的影响;精硬车削的刀具设计,特别是刃口倒棱对刀具寿命的影响。

   2 精硬车削加工及表面质量 

   车削条件 

   在大量生产中,对加工齿轮锥形制动凸缘进行了现场试验。工件由渗碳钢27MnCr5制成,该钢的主要化学成分是:0.23%C;1.1%Mn;1%Cr。精车前表面淬硬硬度850HV0.3,硬化层深度约0.6mm,硬度分布见图1。热处理后在深0.3mm 范围内其成分保持不变,含碳量约1%。因此精加工这种钢材,相当于加工淬硬高碳钢100MnCr。表面淬硬后其表面残余应力的分布发生变化,并且诱发了残余压应力,残余应力的分布见图&。因工件已在热处理前进行过车削加工,精硬车削的切削深度ap=0.15mm。这时刀具切削刃所处位置的工件硬度仍然是850HV0.3,内部切向残余应力为-400MPa。车削加工是在刚性好的车床上进行的。车削时的加工用量是:VC=50~250m/min; f=0.05~0.2mm/r;ap=0.15mm。使用PCBN刀具车削。用光学显微镜检查刀具后面磨损VB。 


   在精硬车削中,刀具的耐用度(后面磨损量VB)确定后,工件加工后的表面完整性主要是表面粗糙度、表面残余应力,以及它们与切削用量的关系。 

   车削后的工件表面,通常存在有平行于切削速度方向的长沟痕,这些沟痕是由于刀刃的微几何造成的,是形成工件表面粗糙度的决定因素。像一般切削加工一样,精硬车削后工件的表面粗糙度基本上是由理论粗糙度决定的。加工后工件的理论粗糙度的表达式为: Ra=f2/[18-(3re)½] (1)
式中,re为刀尖圆弧半径,mm;f为进给量,mm/r。模型中忽略刀具磨损的影响,因此在使用时必须规定合适的刀具耐用度VB的值。 

   实验也表明,精车时切削速度对表面粗糙度的影响很小,尤其是在进给量很小的情况下。切削速度VC大于150m/min时,刀具磨损速度加快,不适合切削。因此可以得出结论:精硬车削时,在合适的切削条件下(PCBN刀具,VC=50~150m/min),工件表面粗糙度只受进给量f的影响,其他切削用量的影响可以忽略不计。深入研究可以发现,在很小进给量下精硬切削,加工后工件表面的塑性流动和耕犁现象,也影响着工件表面粗糙度的值。

   加工后工件表面的残余应力 

   除去表面粗糙度外,对工件使用性能和寿命影响很大的另一个因素,则是工件表面残余应力。因此精车后工件表面的残余应力的性质和分布,应当引起重视。实验表明,加工后工件的表面残余应力是切削速度VC、进给量f以及刀具后面磨损VB的函数。使用X-射线衍射仪和化学抛光,可得到车削后工件表面残余应力分布如图3所示。 
众所周知,加工后工件表面的残余应力主要受3个因素影响所形成,即机械、热力效应和金相变化。 
   在硬车削中,这3个因素受刀具的性能、特性(材料、涂层、几何和磨损)、加工参数和刀具-工件材料相互作用的影响,是极其复杂的。工件表面物理性质的变化,部分是由于切削压力、切削温度造成的。为了澄清这些影响,分析硬车削时的切屑形成机理是关键。 

   在硬车削加工中,刀刃前端的压力非常大,这样才能使工件材料塑性化到一定程度,进而形成切屑。这样大的机械应力作用到工件表面,则会诱发残余压应力。热应力主要是由于刀具磨损刃带和工件之间的摩擦引起的。在相同摩擦系数下,大的正应力必然引起大的摩擦力,在刀具与工件间的相对运动下,消耗大量摩擦能,进而转变为热。工件表面不均匀的热胀冷缩变化,同样诱发了残余应力。切削温度越高, 残余应力越大。用CBN车刀车削(VC=184m/min;ap=2mm;f=0.1mm/r) 工件( 硬度为62HRC)时测量切削温度,后刀面处可高达800~1000℃。在这样的高温影响下,不仅诱发大的热应力,也会使工件表面产生金相变化,产生新的残余应力。我们知道,这一温度超过g-a转变温度,并且也会使工件表面发生马氏体-奥氏体转变,转变时的体积变化,引起新的残余应力。马氏体转变引起残余拉应力,它将和工件因机械效应引起的压应力叠加一起,使工件表面的应力极为复杂。 
在所有情况下,工件表面轴向和周向残余应力的分布具有相同的情况,图3中给出的是周向残余应力的分布情况。从图中我们可以看到,用新刀在切削速度VC=100m/min车削时,最大残余应力约为-250MPa。在表面层以下约0.07mm处, 减小到-800MPa,随后则增到内部的-400MPa。应当注意,残余压应力有利于提高工件的寿命。  

   3 刀具设计 

   精硬车削是否能够正常进行,合理设计刀具是关键。 

   刀具材料 

   刀具要满足要求,首先要正确选择刀具材料。众所周知,一般情况下刀具材料与工件材料的硬度差越大,刀具的切削性能越好。因此精硬车削时,超硬刀具材料是首选。但考虑到金刚石刀具材料强度低、脆性大,且在一定温度时与铁族元素亲和力大,不宜加工黑色金属,因此精硬车削钢材时,使用PCBN是最合适的选择。PCBN具有仅次于金刚石的硬度和耐磨性,硬度高达8000~9000HV,耐热性也很高,可以承受1400~1500℃的高温,大大高于金刚石材料,它的化学稳定性好,在1200~1300℃也不会与铁族起化学反应,抗黏结能力强,因此这种刀具材料目前受到广泛重视。在精硬车削钢时,基本上都应选择这种刀具材料。

   刀具几何参数 

   加工淬硬钢时,刀具刃口切削力大,又加上PCBN的强度低,因此选择合适的刃口几何参数,保护刀尖及刃口免受崩刃损坏,是必须认真考虑的问题。有人在PCBN(重量组成:60BN;35%TiCN;少量Al、W、Co元素)刀具设计时,根据具体加工情况,使用较小的主、副偏角Kr和K’r;法后角an=7°;刃倾角ls=-6°;法前角gn=-6°。且选用合适的倒棱(倒棱宽0.1mm,倒棱法前角-15°左右)和刀尖圆弧半径(re=0.03mm,研磨抛光),在加工中取得很好效果。

   刀具刃口倒棱 

   深入研究可知,在精硬车削中,刀具的刃口倒棱对刀具的磨损和耐用度有着较大的影响,进而也影响加工工件表面的性能和加工的经济性。瑞典学者对此作了深入研究。他们用PCBN刀具在车削中心上(SMT500 CNC)精硬车削轴承钢100Cr6(硬度为60~62HRC)工件,组织为马氏体。形状为管状,外径f140mm,内径f100mm。车削时的加工用量为VC=160m/min,f=0.05mm/r,ap=0.05mm。车刀几何参数如前所述。不同的是保持刃口倒棱宽VL=0.1mm,倒棱角分别为0°、-10°、-15°、-20°、-30°。分别用于加工工件,以便观察倒棱参数(倒棱角)对加工的影响。用测力计(Kistler9212)和数据收集系统(InstruNet100)测出切削力,可以清楚地看到,随着角度绝对值加大,切削力有所增大,但耐用度则变化较大。


   刀具涂层 

   现在的涂层技术,使我们能够涂覆需要性能的各种涂层。在这样超硬刀具材料上,涂覆减摩、隔热涂层,显然是有用的。实验表明,在精硬车削时,即使涂覆TiN涂层也能使刀具耐用度显著增加,加工后的工件表面粗糙度减小,残余应力降低。现在的多涂层技术,纳米涂层技术,应当在精硬车削刀具设计中发挥作用,在这方面的研究需要广泛深入进行。 
正确地设计刀具后,在使用中更加严格控制刀具后面磨损极限VB,就能加工出符合要求的表面质量来。

   4 小结 

   在现有的工艺条件下,用精切削代替磨削加工,得到的工件表面质量完全可以满足生产需要。 
精硬车削加工能否顺利进行,刀具设计是关键。应该使用PCBN制造刀具,同时合理的设计刀具几何参数,可以满足加工中的要求。 

   对刀具设计进行深入细致的研究,防止刀刃崩刃破损,提高刀具的耐用度,这方面还应作大量工作。例如根据加工的具体条件,如何正确设计刀具几何角度和倒棱参数。 

   应当研究适合精硬加工刀具的合适涂层和涂覆方法,我们相信随着新型刀具材料的使用,以及涂层在这种刀具上的应用,精硬车削代替磨削一定会取得更好的效果。 

 
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