PcBN刀具在硬態(tài)切削中的應(yīng)用①

鄧福銘,李釗,劉瑞平

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

1 引言

淬硬鋼是典型的耐磨和難加工材料,這類工件經(jīng)淬火或低溫去應(yīng)力退火后硬度高達(dá)HRC 50～65,廣泛應(yīng)用于制造各種對(duì)硬度和耐磨性要求較高的基礎(chǔ)零部件,如軸承和齒輪等[1]。淬硬零件的精加工工藝通常采用粗磨和精磨,但磨削工序加工效率低、砂輪及磨削液消耗量大、成本高、粉塵和廢液污染程度嚴(yán)重。硬態(tài)切削是指把淬硬鋼的切削加工作為半精加工或精加工的工藝方法。過(guò)去淬硬鋼零件的精加工一直是采用磨削完成,由于聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic Boron Nitride簡(jiǎn)稱PcBN)刀具的出現(xiàn)及數(shù)控機(jī)床等加工設(shè)備精度的提高,以硬態(tài)切削代替磨削來(lái)完成零件的最終加工己成為一種新的精加工途徑。隨著超硬刀具材料的發(fā)展,解決了淬硬零件傳統(tǒng)制造工藝與快速發(fā)展的市場(chǎng)需求之間的矛盾,使得更經(jīng)濟(jì)地切削加工淬硬鋼成為可能。

2 PcBN刀具硬態(tài)切削技術(shù)

由于淬硬鋼硬度高,其切削溫度也就高,而且切削中同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)刀具的塑性變形,采用普通高速鋼和硬質(zhì)合金刀具,將很快導(dǎo)致高速鋼和硬質(zhì)合金刀具的斷裂。因此,選擇硬度高、熱硬性好的刀具材料是切削淬硬鋼的關(guān)鍵因素之一。目前可用于切削淬硬鋼的刀具材料有PcBN、陶瓷、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金及涂層硬質(zhì)合金。

由于PcBN刀具具有很高的硬度和耐磨性,且在800℃時(shí)的硬度仍高于常溫下硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具的硬度,在1200℃時(shí)仍能保持較高的硬度,而且隨著溫度的升高,其導(dǎo)熱系數(shù)也隨之升高,因而PcBN刀具很適合切削淬硬鋼。但由于在加工硬度低于50HRC的工件時(shí),PcBN刀具形成的切屑為長(zhǎng)條形,在刀具表面會(huì)產(chǎn)生月牙洼磨損,從而縮短刀具壽命。因此,PcBN刀具更適合加工硬度高于55-65HRC的材料。

PcBN刀具在硬態(tài)加工方面表現(xiàn)出了優(yōu)良的切削性能,在一定條件下可以得到與磨削相媲美的加工表面質(zhì)量,并且提高了加工柔性,突破了砂輪磨削的限制,通過(guò)改變切削刃及走刀方式可以加工出幾何形狀各異的工件。PcBN刀具應(yīng)用于硬態(tài)切削具有加工效率高、加工時(shí)間短、設(shè)備投資費(fèi)用小、加工成本低、加工能耗小(切除相同體積所消耗的能量?jī)H為磨削的20%)、產(chǎn)生的切削熱較少、加工表面與磨削相比不易引起表面燒傷和微小裂紋、易于保持工件表面性能的完整性的特點(diǎn),而且硬態(tài)切削無(wú)須加冷卻液,避免了磨削加工中產(chǎn)生的廢液和廢棄物對(duì)環(huán)境的污染,因此,相關(guān)應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā),意義重大。

3 PcBN刀具在硬態(tài)切削中的應(yīng)用研究

3.1 PcBN刀具硬態(tài)切削力的特征

切削淬硬鋼時(shí)可以觀察到切削力隨著工件材料硬度的變化而變化。當(dāng)工件材料硬度在50HRC以下時(shí),主切削力的變化規(guī)律基本符合金屬切削理論,切削力會(huì)隨著工件硬度的增加而增加。這主要是由于工件硬度的增加會(huì)使切削接觸面的溫度增加,切削加工過(guò)程中的金屬軟化效應(yīng)占主導(dǎo)地位。然而,工件材料硬度在高于50HRC以后,被加工材料處于高硬度狀態(tài),主切削力增加的比率稍大一些,切削力會(huì)猛然增加。這主要是由于PcBN刀具良好的導(dǎo)熱性,使得切削溫度的變化趨于緩慢,產(chǎn)生的切削熱不斷升高使工件材料屈服應(yīng)力減小,但加工硬化使屈服應(yīng)力迅速增大,總的來(lái)說(shuō)切削加工過(guò)程的加工硬化占主導(dǎo)地位,因而其切屑形態(tài)也從帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀。

目前,關(guān)于硬態(tài)切削過(guò)程中的切削力,國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量的研究工作,得出了很多重要的結(jié)論。普渡大學(xué)的R.C.Liu和J.Ywang觀察到了硬態(tài)切削力的大小隨刀具磨損量的增大而減小的現(xiàn)象,R.C.L iu認(rèn)為是切削熱導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度下降[2]。劉獻(xiàn)禮[3]通過(guò)對(duì)切削力的各影響因素設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),得出了切削速度、切削深度、進(jìn)給量和工件硬度對(duì)應(yīng)切削力的三維曲面。在試驗(yàn)條件下得出了主切削力的變化規(guī)律基本符合傳統(tǒng)金屬切削理論的結(jié)論。硬態(tài)切削過(guò)程中,PcBN刀具的負(fù)倒棱基本上起著實(shí)際前刀面的作用,刀具負(fù)倒棱的切削機(jī)理有別于一般的金屬切削理論。因此研究硬態(tài)切削力的變化規(guī)律以及大小對(duì)合理使用機(jī)床、刀具和制定切削用量具有十分重要的意義。

3.2 PcBN刀具硬態(tài)切削的切屑形態(tài)

金屬切削過(guò)程的研究重點(diǎn)和核心是與切屑的形成過(guò)程緊密聯(lián)系在一起的。一般可將切屑分成四種類型,如圖1所示[4]。硬態(tài)切削過(guò)程易生成鋸齒形切屑,形成鋸齒形切屑的原因主要是刀刃對(duì)切削層金屬的擠壓所產(chǎn)生的應(yīng)變僅發(fā)生在刀刃附近的局部區(qū)域,工件硬度高而不能將變形延續(xù)到待加工表面,隨著刀具的向前移動(dòng),刀刃的擠壓作用增強(qiáng)而使變形區(qū)域擴(kuò)大,刃前區(qū)的塑性變形向基體內(nèi)擴(kuò)展,產(chǎn)生沿剪切面方向的剪切滑移變形。隨著塑性變形區(qū)域的增大而產(chǎn)生大量的熱,前一鋸齒的滑移面對(duì)產(chǎn)生的變形熱起阻礙作用,使剪切區(qū)域溫度驟升,材料開(kāi)始軟化,此時(shí)一個(gè)新的鋸齒滑移面形成。

圖1 切屑的四種基本類型[4]Fig.1 Fou r basic typesof the ch ip

E lbestaw i[5]研究切削淬硬鋼時(shí)鋸齒形切屑的形成機(jī)理時(shí)認(rèn)為已加工表面不是理想的平滑,而是由一些顯微隆起、斷裂、空隙組成,因此比較粗糙。切削加工表面滲碳硬化鋼時(shí),巨大的壓應(yīng)力使工件下層產(chǎn)生滑移,導(dǎo)致斷裂的原因與工件的脆性有直接關(guān)系,同時(shí)工件表面的不規(guī)則性也對(duì)斷裂的發(fā)生起重要作用。

當(dāng)工件硬度較低時(shí),加工硬化的趨勢(shì)比較明顯,則產(chǎn)生帶狀切屑,隨著工件硬度的提高,切削熱在刃口附近聚集,使得金屬材料的屈服強(qiáng)度明顯降低,熱軟化作用的趨勢(shì)比較明顯,發(fā)生剪切失穩(wěn)而形成鋸齒形切屑。

鋸齒形切屑對(duì)切削過(guò)程有很大的影響,由于鋸齒形切屑帶走的熱量較帶狀切屑多,因此切削溫度相對(duì)要低些,且切屑表面鋸齒的形成使得變形變小。切屑與刀具前刀面的接觸長(zhǎng)度小,使得前刀面的磨損主要集中在距刀刃很近的部分,所產(chǎn)生的月牙洼寬度很小,因此對(duì)刀具強(qiáng)度提出了較高的要求。形成鋸齒形切屑時(shí),材料的硬度高、韌性差,加上刀具與被加工材料間的摩擦系數(shù)小,加工過(guò)程中很難形成積屑瘤,因此只要刀具刃磨質(zhì)量高,就會(huì)得到良好的表面粗糙度;鋸齒狀切屑還可導(dǎo)致切削力高頻率地周期變化波動(dòng),增加了刀具的磨損速度,降低了加工精度和表面質(zhì)量。

3.3 金屬軟化效應(yīng)的研究

金屬軟化效應(yīng)是PcBN刀具硬態(tài)切削的重要特征之一,它通過(guò)高溫軟化工件,使刀具和工件的硬度差加大,從而提高切削效率。從切削熱的角度出發(fā),淬硬鋼的硬態(tài)干式切削機(jī)理就是被切削金屬層的軟化作用機(jī)理,切削溫度對(duì)金屬軟化效應(yīng)起決定性作用,即工件硬度隨切削溫度的升高而降低,并進(jìn)一步影響已加工表面的形成及其質(zhì)量。另外,硬態(tài)切削存在一個(gè)臨界硬度概念,即在臨界硬度兩側(cè)切削原理顯著的不同。劉獻(xiàn)禮[6]指出,當(dāng)工件硬度低于HRC50時(shí),在任一切削條件下,隨著工件材料硬度的增加,切削溫度是增加的;當(dāng)工件硬度高于HRC50時(shí),隨著工件材料硬度的增加,切削溫度卻有所下降,由此斷定是切削機(jī)理產(chǎn)生變化的臨界點(diǎn),即工件材料硬度低于HRC50時(shí),切削機(jī)理符合一般的切削理論,當(dāng)工件料硬度高于HRC 50時(shí),切削機(jī)理因金屬軟化效應(yīng)而發(fā)生變化,切削溫度的變化規(guī)律便不符合現(xiàn)有的切削理論。

“紅月牙”切削技術(shù)是切削熱快速聚集在前刀面上,其溫度達(dá)到600℃～700℃,可明顯觀察到紅色圓弧現(xiàn)象并因此而得名的。美國(guó)M ak ino公司生產(chǎn)工程部經(jīng)理G rey H yatt在干式切削灰鑄鐵時(shí)曾指出高速銑削過(guò)程中“紅月牙”切削技術(shù)的重要性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高速進(jìn)給(40m/m in)和高速主軸旋轉(zhuǎn)(14000rPm)可使徑向力降低75%～90%[7]。溫度升高使材料的屈服強(qiáng)度降低,極大地提高了材料的切削加工性。

目前,在硬態(tài)切削中對(duì)金屬軟化效應(yīng)的研究主要從切削溫度、切削力和刀具磨損等方面入手,還不能清楚地說(shuō)明產(chǎn)生軟化效應(yīng)的內(nèi)在本質(zhì)及其原因。

3.4 加工表面殘余應(yīng)力及表面質(zhì)量

PcBN刀具不僅具有優(yōu)良的切削性能,而且能獲得其它種類刀具很難獲得的加工表面質(zhì)量。用PcBN刀具加工不同材料都能獲得較低的表面粗糙度,PcBN刀具加工表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金刀具,而且隨著切削速度的提高,越來(lái)越接近粗糙度的理論值。由于PcBN刀具一般要進(jìn)行倒棱處理以保護(hù)刃口,倒棱與切削區(qū)的高溫金屬擠壓使得工件材料發(fā)生塑性流動(dòng),這就使得工件表面變得不夠平整,然而在對(duì)表面粗糙度要求不是十分高的情況下,它有利于零件在工作條件下儲(chǔ)存一些潤(rùn)滑油,反而有利于提高零件的工作壽命。另外,由于PcBN刀具硬度高、耐磨性好,能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)獲得較一致的表面粗糙度。磨削加工得到的加工表面通常產(chǎn)生拉應(yīng)力,用PcBN刀具加工淬硬鋼時(shí),工件表層組織通常有殘余壓應(yīng)力,殘余壓應(yīng)力可提高零件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。

磨削加工獲得的工件表層硬度有所下降,而PcBN刀具加工獲得的加工表層硬度略有上升,并產(chǎn)生一定的硬化深度,但對(duì)加工表面表層的金相組織并無(wú)破壞,而且切削用量的變化對(duì)已加工表面表層的金相組織沒(méi)有損傷。另外,PcBN刀具切削硬材料時(shí),由于刀具導(dǎo)熱性好所產(chǎn)生的切削熱被切屑帶走較多,工件加工表面表層纖維組織無(wú)顯著變化,而磨削加工若切削用量選擇不當(dāng)反而容易產(chǎn)生表面燒傷。Tonshoff[8]的研究結(jié)果表明,已加工表面顯微硬度受進(jìn)給量和后刀面磨損量的影響較大,進(jìn)給量越小磨損量越大,表面硬度越高。

已加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)也是衡量加工表面完整性的一個(gè)重要指標(biāo),它與材料的成分、組織和缺陷一樣,對(duì)工件的機(jī)械性能有很大影響,多數(shù)情況下必須控制殘余應(yīng)力的大小并掌握其分布規(guī)律。PcBN刀具的硬態(tài)切削加工一般在零件表面層以下產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。壓應(yīng)力有助于提高表面的抗疲勞性能,這也是PcBN刀具一個(gè)很好的性能。Tonshoff[8]在使用PcBN刀具切削GC r15軸承鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)PcBN刀具的加工表面的應(yīng)力狀態(tài)不全都是壓應(yīng)力,條件選擇的不適當(dāng)也可能造成殘余拉應(yīng)力狀態(tài)。因此,在使用PcBN刀具時(shí),應(yīng)注意加工條件的選擇,其中切削用量對(duì)殘余應(yīng)力的分布情況影響較小,而刀具結(jié)構(gòu)對(duì)殘余應(yīng)力的分布影響很大,尤其是倒棱的幾何參數(shù)需要精心選擇。

一般硬態(tài)車削僅消耗常規(guī)磨削加工20%的能量,切削變形區(qū)產(chǎn)生的熱量較磨削要小得多,不會(huì)引起工件表面產(chǎn)生熱損傷。因此,一般來(lái)說(shuō),硬態(tài)車削比常規(guī)磨削更能保持工件已加工表面性能的完整性。

3.5 PcBN刀具硬態(tài)切削的磨損機(jī)制

PcBN刀具切削淬硬鋼的研究是現(xiàn)代切削加工技術(shù)中的硬態(tài)切削的重要組成部分。由于PcBN刀具良好的切削性能,PcBN刀具在切削淬硬鋼時(shí)顯示出了相對(duì)于其它刀具的巨大優(yōu)勢(shì)。

自PcBN刀具問(wèn)世以來(lái),其切削淬硬鋼的研究一直深受重視,但是目前對(duì)于PcBN刀具切削淬硬鋼的磨損機(jī)理仍然沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。英國(guó)的Bossom[9]等人研究發(fā)現(xiàn)低cBN含量(<70%)的PcBN刀具在切削淬硬軸承鋼時(shí)的壽命好于高cBN含量(>90%)的刀具。其他一些歐美國(guó)家的研究人員也通過(guò)試驗(yàn)得到了類似的研究成果。進(jìn)一步的研究表明,當(dāng)cBN的含量降至55%時(shí),PcBN刀具的前刀面和后刀面的磨損速度都有所減慢[10]。Hopper[11]等人把PcBN刀具的磨損歸因于立方氮化硼顆粒的剝落和刀具材料沿顆粒晶界的破裂,但Boggio[12]等人研究認(rèn)為cBN顆粒發(fā)生化學(xué)磨損是刀具磨損的主要原因,而粘結(jié)劑在切削過(guò)程中的耐磨性能要好于cBN顆粒。他們的研究結(jié)果直接被GE公司生產(chǎn)的BZN 8100牌號(hào)PcBN刀坯所應(yīng)用并獲得了巨大成功。而Em erson[13]等人則認(rèn)為PcBN刀具的磨損主要是由粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損造成的。

4 結(jié)束語(yǔ)

PcBN刀具應(yīng)用于硬態(tài)切削,采用以車代磨等先進(jìn)切削加工工藝,既可節(jié)省設(shè)備投資、提高生產(chǎn)率,又可大大增加加工過(guò)程的柔性。另外,由于21世紀(jì)人員費(fèi)用增大及環(huán)境保護(hù)方面的要求,大力推廣使用PcBN刀具,充分發(fā)揮其潛在效能具有重要意義。通過(guò)對(duì)PcBN刀具硬態(tài)切削過(guò)程及機(jī)理的不斷深入研究,PcBN刀具必將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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