硬态干式切削GCr15时的临界硬度

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0 前言

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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。
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* d1 Z4 Y/ H8 }. P( t ^. Q6 D5 U4 n+ m/ S( t0 X+ P+ o9 J/ G$ r7 @* k7 E/ B0 r: U% R9 {7 B. a6 o; m, ~. X; W) L3 z3 A0 u 表1 试验用刀具几何参数   前角go (°) 1 k; d7 _: \$ ?: x, e 后角ao (°) 2 a9 s8 j5 R# y6 Q: Z% ] 刃倾角ls (°) 6 K- `# A1 t; B 主偏角Kr (°) 刀尖圆弧re (mm) 倒棱宽度bgl (mm) 倒棱前角gbgl (°) 1 ~7 o3 _6 Y8 i. z* a/ ~/ H! c6 a 取值 d2 u" I; ]& t 0 8 N, ^. J" G% B 8 & t7 I# I, o8 \: O1 c 0 17 0.4 " Y/ t- F9 n# ]9 q7 ~1 N 0.1 -25

/ N2 l+ e( L! Y- }- z9 _1 n( L- V+ G1 }% r& |( H. @( f R# F3 _1 j3 B2 i F; Q 表2 切削用量取值 切削用量 切削速度v m/min ' u. X8 w3 G3 X k* b8 ] 进给量f mm/r ( f. F/ ^- o' ?' ^6 u7 n 背吃刀量ap mm , [% A) Y0 @* s$ {) p) | 取值 - I( K) d k: L( r) _4 J) B. m7 M1 z 75 110 160 $ }0 r; F: q5 v+ i5 _: q 200 4 O7 X8 x: V$ Z4 ?7 t' b5 _8 k/ @ 0.08 0.15 ( ^* ]$ h$ R# p9 m5 ^# Y3 N 0.24 0.10 - q3 ] {/ B/ `& K' x 0.25 ( M- `; M2 c9 h+ P/ |% F, u, e 0.50 9 S7 t# M+ B. D/ W: b 0.80

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1 切削试验

1. 试验方法及条件 9 B& s. V% b. o$ A) c- ?
   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。 ) M3 p/ [3 W) B
   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。
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   f=0.24mm/r ap=0.5mm 图1 v-HRC变化时的切削力曲面 w v6 c# ~9 O. Y9 o' X	v=110m/min ap=0.5mm 图2 f-HRC变化时的切削力曲面 ; u2 q! o& g! n ^# A7 G
   v=110m/min f=0.24mm/r 图3 ap-HRC变化时的切削力由面	图4 为不同硬度下的表面粗糙度对比

   
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   图5为不同硬度下的硬化深度对比

2. 切削力试验
   不同切削条件下主切削力的变化规律如图1、2和3所示。由图1～3可以看出，在试验切削用量范围内，主切削力的变化规律基本符合金属切削理论，仅是在工件硬度高于50HRC以后，被加工材料处于高硬度状态；主切削力增加的比率稍大一些。
3. 切削温度试验 / l4 I! @$ r# n \0 f
   切削速度、进给量及背吃刀量与工件材料硬度变化时的切削温度变化白面都呈现出以工件材料硬度为50HRC分界的特点，即切削温度随着工件材料硬度的增加而增加。当工件硬度高于50HRC之后切削温度随着工件材料的硬度增高而呈下降趋势即硬度为50HRC的工件材料切削温度最高。当工件硬度低于50HRC时，切削温度的变化规律符合一般的金属切削理论，而当工件硬度高于50HRC时，切削温度的变化规律不符合一般的金属切削理论，这就是硬态切削的特殊切削规律。
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4. 已加工表面质量试验
   图4为不同硬度下的表面粗糙度对比，囹5为不同硬度下的硬化层深度对比。由图4可以看出，工件材料硬度在50HRC左右时表面粗糙度最差，当工件硬度大于50HRC以后，随着硬度的增加，表面粗糙度数值呈下降趋势；由图5可以看出，已加工表面硬化层深度随着工件材料硬度的增加而增加，当工件硬度达到50HRC之后，已加工表面硬化层深度达到最大，之后随着工件硬度的增加，硬化层深度基本不变。

2试验结果分析及讨论

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1. 被加工材料硬度与切屑形态的关系
   当工件硬度变化时，切屑的形态也是变化的，当工件硬度低于50HRC时，产生带状切屑，当工件达到50HRC之后；切屑形态便转变为锯齿形切削。图6所示为切削40HRC时产生的带状切屑，图7所示为切屑60HRC时产生的锯齿状切屑。
   锯齿性切屑形成时，由于分割锯齿的剪断面具有隔热作用，造成大量热量被切屑带走，而使切削温度降低。因此，工件硬度高于50HRC以后；切削温度呈下降趋势。
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   切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm 40HRC 图6 带状切屑照片 ×120

   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. 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。 6 p8 f" E( H# M. w9 a2 O8 i
   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。

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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
切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm 图10 不同硬度下后刀面磨损	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

3 不同工件硬度时的刀具磨损速度

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为查明工件硬度对刀具磨损的影响规律，进行了5种硬度下的刀具后刀面磨损及前刀面月牙洼宽度的磨损试验。各种硬度下的后刀面磨损量的对比如图10所示，月牙洼宽度的对比如图11所示。由图10、11可以看出：无论是后刀面磨损还是月牙洼磨损，都是当工件硬度在40HRC、50HRC情况下最大，而在较高或较低硬度下，刀具的相对磨损都较小。此规律说明，在切削温度较高的50HRC上下工件硬度范围内，其刀具磨损也最大。因此，得出PCBN刀具不太适合加工中等硬度材料，加工高硬度材料时更能发挥其优良的切削性能。 ) Q. S: t8 d4 b }" i& S& S

4 结论

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1. 在不同切削用量下工件硬度变化时，切削力变化规律符合一般的金属切削理论，即随着切削用量和工件材料硬度的增加呈增加规律，但在工件硬度50HRC前后的变化程度不同；切削温度的变化规律不符合一般的金属切削理论，即随着工件材料硬度的增加在50HRC硬度时达到最高值，之后随着工件硬度增加，切削温度呈下降趋势。 ; C h$ {( ]* z+ v5 b6 ~3 K) D
2. 切屑形态、已加工表面粗糙度和硬化层深度等的变化都是以50HRC为分界点的，在约50HRC处以上各量有质的变化。 . x+ e# T f" a# A) ^2 A% K2 h6 F
3. 由以上2点可以得出，切削不同硬度材料时存在一个区分以普通切削与硬态切削的临界硬度值，轴承钢GCr15的临界硬度为50HRC。
4. 在临界硬度附近时，刀具磨损严重。因此，PCBN刀具不适于加工中等硬度的材料。