硬态干式切削GCr15时的临界硬度

倚天

0 前言
淬硬零件的最终加工通常由磨削加工方法来完成，而磨别加工使用的切削液给环境带来了污染，并对操作者的健康有所损害，因此，硬态干式切削技术已成为目前切削技术新的研究热点，并可避免环境污染，符合绿色制造、清洁生产模式。国外学者的研究结果表明：硬态条件下的车削加工表面比磨削加工表面更具有完整性，其表面形成的白层可提高使用性能，同时车削加工方法还具有加工效率高。能耗小、无污染等优点。作者的研究表明：高硬度与低硬度条件下的切削机理及切屑的形成机理是不同的，而且在硬态(高硬度)条件下，其切削机理不符合一般的切削理论，因此，就应该存在一个区分普通切削与硬态切削的临界硬度，本文通过试验研究的方法的确定了PCBN刀具硬态于切轴承钢GCr15时的临界硬度。
表2 切削用量取值
. }7 V) ?$ I$ D) @; i% `, x5 x切削用量
! x1 c4 j- j9 l1 j' _切削速度v
m/min
进给量f
mm/r
背吃刀量ap
) {# X+ z' f. |. nmm
1 q2 G# c& `3 `: m取值
: C! R4 ^8 J5 _. q# S% @8 |75
110
160
200
* U, q& f/ V1 u. Q$ K0.08
0.15
0.24
3 z) s+ {& t2 ]1 @! W2 A, h* u0.10
0.25
8 i; L- u) ?6 Y2 s8 G7 f- `3 t0.50
$ N: D2 h0 q& o5 j# r% K8 b0.80
1 切削试验
试验方法及条件
* M( c( ]8 E+ ^) Q9 _/ ]- `) p$ t在干式切削条件下，通过系统改变切削用量(切削速度、进给量和背吃刀量)和被加工材料硬度，进行切削力、切削温度、已加工表面硬度和已加工表面表层硬化层深度等试验研究，找出被加工材料硬度对上述各量的影响规律。
试验条件：机床为CA6140，配有变频调速装置，用转述表进行切削速度的检测。工件材料为GCr15轴承钢。通过热处理得到30、40、50、60、64HRC等5种硬度的试验用料。刀具为BN500材质的PCBN外圆车刀，其几何参数如表1所示。试验选用的切削用量取值如表2所示。
( z$ g8 d2 |! g* r$ `# g2 V
f=0.24mm/r ap=0.5mm
图1 v-HRC变化时的切削力曲面

+ W% s7 B; e9 W- k* ^0 ?v=110m/min ap=0.5mm
图2 f-HRC变化时的切削力曲面
" I" H- f4 h1 I+ ]7 [0 G1 v  F
5 C  D- [1 \3 U! Yv=110m/min f=0.24mm/r
) c  k0 z! e$ z2 q图3 ap-HRC变化时的切削力由面
  F- H% ^$ u( W9 z% l* `) k  F: C+ J
图4 为不同硬度下的表面粗糙度对比
: ~7 m3 j2 o/ v) ?: L  p2 N' t
. |! c4 f' S6 O; l+ L" t图5为不同硬度下的硬化深度对比

7 r) |# b, Y' R- J" Q& p切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm 40HRC
图6 带状切屑照片 ×120
- t3 s4 |3 m4 T, l" y
切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm 60HRC
图7 锯齿状切屑照片 ×120
2 {) K6 ^8 p2 n! ^& x( ?工件硬度与切屑硬度及变形的关系
切屑硬度的变化也是以50HRC为界限的，切削不同硬度GCr15时工件材料硬度与相应的切屑硬度对比如图8所示。由图8可以看出，低于50HRC硬度的工件材料其相应的切屑都提高了硬度，即切削热将切屑淬硬；高于50HRC硬度的工件材料其相应的切屑都降低了硬度，即切削热将切屑回火。有时切削热会使切屑呈熔融状态。
在较高的切削热作用下，被切削层金属软化，硬度降低，使切削加工更加易于进行，而刀具也保证了具有较高的寿命，切削淬硬材料的这一特性被称作金属软化效应。PCBN刀具切削硬质材料的作用机理就是使被切削金属层软化的机理。
切削不同硬度材料时的变形系数如图9所示。由图9可以看出随着被加工材料硬度的提高，变形系数是减小的，而且，当工件硬度高于50HRC之后；变形系数开始小于1。切屑变形小，产生的热量就少，这也是工件高硬度时，切削温度降低的原因之一。

图8 工件材料硬度与相应切属的硬度对比

切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm
图9 各种硬度下的变形系数
/ F9 o7 m' }1 ]" G. a
切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm
6 Q4 z/ R9 ^" @6 }) @" t9 s- W图10 不同硬度下后刀面磨损
. f, G. e7 u% a' W$ N/ j
切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm
图11 不同硬度下月牙洼宽度