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
( k  F0 j% R: w1 v' }9 \, ]3 @切削用量
6 z) y% T4 \1 w: e& y  h; ~% D切削速度v
m/min
进给量f
mm/r
背吃刀量ap
mm
取值
* {! {- _% f7 n5 j" W75
- T6 R2 I! s$ Y1 ~6 P3 f110
160
200
: K- d3 u; S; ?% h/ c7 L& S4 X0.08
0.15
7 m7 ]  m' {+ F! J4 T0.24
0.10
0.25
# u% I) E+ _+ k  L2 J+ K0.50
0.80
% t- L6 b: }9 W7 _. n1 切削试验
试验方法及条件
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。

" E5 n9 ?9 e! Y* I- Y! Of=0.24mm/r ap=0.5mm
图1 v-HRC变化时的切削力曲面
+ N; {9 d6 b% i5 R! j0 h
v=110m/min ap=0.5mm
' d6 p+ X, v. d. k6 H0 p8 _图2 f-HRC变化时的切削力曲面
9 \$ l% }! N$ h: u8 C
. i9 Y2 a" n9 a( kv=110m/min f=0.24mm/r
6 y( b! Q- H' T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

图5为不同硬度下的硬化深度对比

) x9 m# E  N; Q; O* t+ }$ e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
; q! Z( g( c( \图7 锯齿状切屑照片 ×120
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。
' |6 f( o- c8 W7 \, ^3 c. k* x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。
& j* h" r6 w. Q, w3 x
图8 工件材料硬度与相应切属的硬度对比
' w/ p" Z8 ?: J& ~9 w+ Z: \- K
2 ]0 q' H) p# ]* k0 F; B  |切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm
' K2 m  B5 m, o/ @# a; n图9 各种硬度下的变形系数
2 l2 o# k' Q+ o) A+ Z5 ~6 T( j0 @
切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm
4 |2 [5 z0 Y# ?图10 不同硬度下后刀面磨损
2 J) j. ]/ T. e; h% j9 i
切削条件：v=200m/min f=0.15mm/r ap=0.5mm
( S8 E5 l& o: @, J) ?图11 不同硬度下月牙洼宽度