淬硬鋼精車的表面質量和刀具設計

1 前言
　　
　　為了提高承受高負荷機械零件的耐磨性和接觸疲勞強度，提高其表面硬度是最有效的方法之一。通常這樣的淬硬鋼零件，磨削是最常使用的加工方法。
但磨削效率低、成本高、耗能大、使用磨削液對環境污染大。隨著工藝水平的提高，尤其是超硬刀具材料聚晶立方氮化硼（PCBN）的使用，硬車削已經成為可能。在一定條件下用車削代替磨削加工，具有一系列優點，顯示了誘人的前景。除了克服磨削常見的缺點外，硬車削還具有工藝靈活性大的優點。文中主要介紹硬工件車削后的表面完整性；車削后工件表面粗糙度、殘余應力，以及加工參數對它們的影響；精硬車削的刀具設計，特別是刃口倒棱對刀具壽命的影響。
　　
　　2 精硬車削加工及表面質量
　　
　　車削條件
　　
　　在大量生產中，對加工齒輪錐形制動凸緣進行了現場試驗。工件由滲碳鋼27MnCr5制成，該鋼的主要化學成分是：0.23%C；1.1%Mn；1%Cr。精車前表面淬硬硬度850HV0.3，硬化層深度約0.6mm，硬度分布見圖1。熱處理后在深0.3mm 范圍內其成分保持不變，含碳量約1%。因此精加工這種鋼材，相當于加工淬硬高碳鋼100MnCr。表面淬硬后其表面殘余應力的分布發生變化，并且誘發了殘余壓應力，殘余應力的分布見圖&。因工件已在熱處理前進行過車削加工，精硬車削的切削深度ap=0.15mm。這時刀具切削刃所處位置的工件硬度仍然是850HV0.3，內部切向殘余應力為-400MPa。車削加工是在剛性好的車床上進行的。車削時的加工用量是：VC=50～250m/min； f=0.05～0.2mm/r；ap=0.15mm。使用PCBN刀具車削。用光學顯微鏡檢查刀具后面磨損VB。
　　
　　在精硬車削中，刀具的耐用度（后面磨損量VB）確定后，工件加工后的表面完整性主要是表面粗糙度、表面殘余應力，以及它們與切削用量的關系。
　　
　　車削后的工件表面，通常存在有平行于切削速度方向的長溝痕，這些溝痕是由于刀刃的微幾何造成的，是形成工件表面粗糙度的決定因素。像一般切削加工一樣，精硬車削后工件的表面粗糙度基本上是由理論粗糙度決定的。加工后工件的理論粗糙度的表達式為： Ra=f2/[18-（3re）?] （1）
　　
　　式中，re為刀尖圓弧半徑，mm；f為進給量，mm/r。模型中忽略刀具磨損的影響，因此在使用時必須規定合適的刀具耐用度VB的值。
　　
　　實驗也表明，精車時切削速度對表面粗糙度的影響很小，尤其是在進給量很小的情況下。切削速度VC大于150m/min時，刀具磨損速度加快，不適合切削。因此可以得出結論：精硬車削時，在合適的切削條件下（PCBN刀具，VC=50～150m/min），工件表面粗糙度只受進給量f的影響，其他切削用量的影響可以忽略不計。深入研究可以發現，在很小進給量下精硬切削，加工后工件表面的塑性流動和耕犁現象，也影響著工件表面粗糙度的值。
　　
　　加工后工件表面的殘余應力
　　
　　除去表面粗糙度外，對工件使用性能和壽命影響很大的另一個因素，則是工件表面殘余應力。因此精車后工件表面的殘余應力的性質和分布，應當引起重視。實驗表明，加工后工件的表面殘余應力是切削速度VC、進給量f以及刀具后面磨損VB的函數。使用X-射線衍射儀和化學拋光，可得到車削后工件表面殘余應力分布如圖3所示。
　　
　　眾所周知，加工后工件表面的殘余應力主要受3個因素影響所形成，即機械、熱力效應和金相變化。
　　
　　在硬車削中，這3個因素受刀具的性能、特性（材料、涂層、幾何和磨損）、加工參數和刀具-工件材料相互作用的影響，是極其復雜的。工件表面物理性質的變化，部分是由于切削壓力、切削溫度造成的。為了澄清這些影響，分析硬車削時的切屑形成機理是關鍵。
在硬車削加工中，刀刃前端的壓力非常大，這樣才能使工件材料塑性化到一定程度，進而形成切屑。這樣大的機械應力作用到工件表面，則會誘發殘余壓應力。熱應力主要是由于刀具磨損刃帶和工件之間的摩擦引起的。
在相同摩擦系數下，大的正應力必然引起大的摩擦力，在刀具與工件間的相對運動下，消耗大量摩擦能，進而轉變為熱。工件表面不均勻的熱脹冷縮變化，同樣誘發了殘余應力。切削溫度越高， 殘余應力越大。用CBN車刀車削（VC=184m/min；ap=2mm；f=0.1mm/r） 工件（ 硬度為62HRC）時測量切削溫度，后刀面處可高達800～1000℃。在這樣的高溫影響下，不僅誘發大的熱應力，也會使工件表面產生金相變化，產生新的殘余應力。我們知道，這一溫度超過g-a轉變溫度，并且也會使工件表面發生馬氏體-奧氏體轉變，轉變時的體積變化，引起新的殘余應力。馬氏體轉變引起殘余拉應力，它將和工件因機械效應引起的壓應力疊加一起，使工件表面的應力極為復雜。
　　
　　在所有情況下，工件表面軸向和周向殘余應力的分布具有相同的情況，圖3中給出的是周向殘余應力的分布情況。從圖中我們可以看到，用新刀在切削速度VC=100m/min車削時，最大殘余應力約為-250MPa。在表面層以下約0.07mm處， 減小到-800MPa，隨后則增到內部的-400MPa。應當注意，殘余壓應力有利于提高工件的壽命。
　　
　　3 刀具設計
　　
　　精硬車削是否能夠正常進行，合理設計刀具是關鍵。
　　
　　刀具材料
　　
　　刀具要滿足要求，首先要正確選擇刀具材料。眾所周知，一般情況下刀具材料與工件材料的硬度差越大，刀具的切削性能越好。因此精硬車削時，超硬刀具材料是首選。但考慮到金剛石刀具材料強度低、脆性大，且在一定溫度時與鐵族元素親和力大，不宜加工黑色金屬，因此精硬車削鋼材時，使用PCBN是最合適的選擇。PCBN具有僅次于金剛石的硬度和耐磨性，硬度高達8000～9000HV，耐熱性也很高，可以承受1400～1500℃的高溫，大大高于金剛石材料，它的化學穩定性好，在1200～1300℃也不會與鐵族起化學反應，抗黏結能力強，因此這種刀具材料目前受到廣泛重視。在精硬車削鋼時，基本上都應選擇這種刀具材料。
　　
　　刀具幾何參數
　　
　　加工淬硬鋼時，刀具刃口切削力大，又加上PCBN的強度低，因此選擇合適的刃口幾何參數，保護刀尖及刃口免受崩刃損壞，是必須認真考慮的問題。有人在PCBN（重量組成：60BN；35%TiCN；少量Al、W、Co元素）刀具設計時，根據具體加工情況，使用較小的主、副偏角Kr和K’r；法后角an=7°；刃傾角ls=-6°；法前角gn=-6°。且選用合適的倒棱（倒棱寬0.1mm，倒棱法前角-15°左右）和刀尖圓弧半徑（re＝0.03mm，研磨拋光），在加工中取得很好效果。
　　
　　刀具刃口倒棱
　　
　　深入研究可知，在精硬車削中，刀具的刃口倒棱對刀具的磨損和耐用度有著較大的影響，進而也影響加工工件表面的性能和加工的經濟性。瑞典學者對此作了深入研究。他們用PCBN刀具在車削中心上（SMT500 CNC）精硬車削軸承鋼100Cr6（硬度為60～62HRC）工件，組織為馬氏體。形狀為管狀，外徑f140mm，內徑f100mm。車削時的加工用量為VC=160m/min，f=0.05mm/r，ap=0.05mm。車刀幾何參數如前所述。不同的是保持刃口倒棱寬VL=0.1mm，倒棱角分別為0°、-10°、-15°、-20°、-30°。分別用于加工工件，以便觀察倒棱參數（倒棱角）對加工的影響。用測力計（Kistler9212）和數據收集系統（InstruNet100）測出切削力，可以清楚地看到，隨著角度絕對值加大，切削力有所增大，但耐用度則變化較大。

刀具涂層
　　
　　現在的涂層技術，使我們能夠涂覆需要性能的各種涂層。在這樣超硬刀具材料上，涂覆減摩、隔熱涂層，顯然是有用的。實驗表明，在精硬車削時，即使涂覆TiN涂層也能使刀具耐用度顯著增加，加工后的工件表面粗糙度減小，殘余應力降低。
現在的多涂層技術，納米涂層技術，應當在精硬車削刀具設計中發揮作用，在這方面的研究需要廣泛深入進行。
　　
　　正確地設計刀具后，在使用中更加嚴格控制刀具后面磨損極限VB，就能加工出符合要求的表面質量來。
　　
　　4 小結
　　
　　在現有的工藝條件下，用精切削代替磨削加工，得到的工件表面質量完全可以滿足生產需要。
　　
　　精硬車削加工能否順利進行，刀具設計是關鍵。應該使用PCBN制造刀具，同時合理的設計刀具幾何參數，可以滿足加工中的要求。
　　
　　對刀具設計進行深入細致的研究，防止刀刃崩刃破損，提高刀具的耐用度，這方面還應作大量工作。例如根據加工的具體條件，如何正確設計刀具幾何角度和倒棱參數。
　　
　　應當研究適合精硬加工刀具的合適涂層和涂覆方法，我們相信隨著新型刀具材料的使用，以及涂層在這種刀具上的應用，精硬車削代替磨削一定會取得更好的效果。