切削速度對(duì)硬態(tài)切削過(guò)程的影響分析

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(chǎng)合都可以實(shí)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(duì)硬態(tài)切削技術(shù)進(jìn)行過(guò)研究[3],得到了一些有一定參考價(jià)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(méi)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(méi)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(guò)程的一個(gè)難點(diǎn),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(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究成果,通過(guò)實(shí)驗(yàn),分析了PCBN刀具切削GCr15淬硬軸承鋼時(shí)切削速度對(duì)切削過(guò)程的影響作用.

1 切削速度對(duì)切屑形態(tài)的影響

不同切削速度對(duì)切屑形態(tài)的影響不同.試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于H RC30的工件,即便是切削速度達(dá)到250 m/min時(shí),切屑表面雖然由原來(lái)的帶狀切屑變化為切屑表面有所波動(dòng),但其基本特征還是帶狀切屑,如圖 1(b).而對(duì)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(shí)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(shí),鋸齒形切屑相鄰鋸齒之間幾乎快要斷開(kāi),如圖1(d)所示.當(dāng)繼續(xù)將切削速度提高到300m/min時(shí),切屑之間完全斷開(kāi),切屑呈小顆粒,很難收集到[6].

圖1 切削速度對(duì)切屑形態(tài)的影響

2 切削速度對(duì)切削溫度的影響

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

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),切削速度對(duì)切削溫度的影響與工件的硬度有關(guān),如圖2所示,對(duì)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(shí),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(shí),切削速度對(duì)切削溫度的影響以切削速度為分界線會(huì)出現(xiàn)兩種不同的變化規(guī)律:當(dāng)切削速度小于200m/min時(shí),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(shí),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(guò)GCr15軸承鋼的AC1,此時(shí)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(huì)使這種轉(zhuǎn)變過(guò)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(duì)切削溫度的上升作用不明顯,再加上增大切削速度會(huì)使鋸齒形切屑有斷裂的趨勢(shì),使刀具體散熱更快,因此切削溫度下降[6].

圖2 切削速度對(duì)切削溫度的影響

3 切削速度對(duì)切削力的影響

切削力試驗(yàn)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(huì)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(shì)對(duì)應(yīng)一定的切削速度范圍,當(dāng)切削速度超過(guò)209 m/min時(shí)切削力隨切削速度的提高而增大,這是因?yàn)楫?dāng)切削速度達(dá)到一定值時(shí),切削溫度逐步升高并接近工件材料的熔點(diǎn),再提高切削速度切削溫度升高緩慢,因此超過(guò)這個(gè)切削速度的臨界值時(shí)切削力會(huì)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(shí)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(shì)進(jìn)行高速切削,對(duì)于提高切削效率和刀具壽命是有益的[7].

圖3 切削速度對(duì)切削力的影響

4 結(jié) 論

PCBN刀具切削GCr15軸承鋼時(shí),HRC50為區(qū)分普通切削和硬態(tài)切削的一個(gè)工件硬度.在工件硬度小于HRC50時(shí),切削速度對(duì)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(shí),切削速度小于300 m/min可以得到鋸齒狀切屑.切削速度對(duì)切削溫度和切削力的影響有一個(gè)臨界值,當(dāng)切削速度低于209 m/min左右時(shí),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(shí),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(shí)驗(yàn)建模與控制的研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2002.