PcBN刀具在硬態切削中的應用①

鄧福銘,李釗,劉瑞平

(中國礦業大學(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,這類工件經淬火或低溫去應力退火后硬度高達HRC 50～65,廣泛應用于制造各種對硬度和耐磨性要求較高的基礎零部件,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重。硬態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簡稱PcBN)刀具的出現及數控機床等加工設備精度的提高,以硬態切削代替磨削來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展,解決了淬硬零件傳統制造工藝與快速發展的市場需求之間的矛盾,使得更經濟地切削加工淬硬鋼成為可能。

2 PcBN刀具硬態切削技術

由于淬硬鋼硬度高,其切削溫度也就高,而且切削中同時還會出現刀具的塑性變形,采用普通高速鋼和硬質合金刀具,將很快導致高速鋼和硬質合金刀具的斷裂。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、超細晶粒硬質合金及涂層硬質合金。

由于PcBN刀具具有很高的硬度和耐磨性,且在800℃時的硬度仍高于常溫下硬質合金刀具和陶瓷刀具的硬度,在1200℃時仍能保持較高的硬度,而且隨著溫度的升高,其導熱系數也隨之升高,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,PcBN刀具形成的切屑為長條形,在刀具表面會產生月牙洼磨損,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刀具在硬態加工方面表現出了優良的切削性能,在一定條件下可以得到與磨削相媲美的加工表面質量,并且提高了加工柔性,突破了砂輪磨削的限制,通過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刀具應用于硬態切削具有加工效率高、加工時間短、設備投資費用小、加工成本低、加工能耗小(切除相同體積所消耗的能量僅為磨削的20%)、產生的切削熱較少、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,而且硬態切削無須加冷卻液,避免了磨削加工中產生的廢液和廢棄物對環境的污染,因此,相關應用技術開發,意義重大。

3 PcBN刀具在硬態切削中的應用研究

3.1 PcBN刀具硬態切削力的特征

切削淬硬鋼時可以觀察到切削力隨著工件材料硬度的變化而變化。當工件材料硬度在50HRC以下時,主切削力的變化規律基本符合金屬切削理論,切削力會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使切削接觸面的溫度增加,切削加工過程中的金屬軟化效應占主導地位。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,主切削力增加的比率稍大一些,切削力會猛然增加。這主要是由于PcBN刀具良好的導熱性,使得切削溫度的變化趨于緩慢,產生的切削熱不斷升高使工件材料屈服應力減小,但加工硬化使屈服應力迅速增大,總的來說切削加工過程的加工硬化占主導地位,因而其切屑形態也從帶狀轉變為鋸齒狀。

目前,關于硬態切削過程中的切削力,國內外學者作了大量的研究工作,得出了很多重要的結論。普渡大學的R.C.Liu和J.Ywang觀察到了硬態切削力的大小隨刀具磨損量的增大而減小的現象,R.C.L iu認為是切削熱導致材料的屈服強度下降[2]。劉獻禮[3]通過對切削力的各影響因素設計正交實驗,得出了切削速度、切削深度、進給量和工件硬度對應切削力的三維曲面。在試驗條件下得出了主切削力的變化規律基本符合傳統金屬切削理論的結論。硬態切削過程中,PcBN刀具的負倒棱基本上起著實際前刀面的作用,刀具負倒棱的切削機理有別于一般的金屬切削理論。因此研究硬態切削力的變化規律以及大小對合理使用機床、刀具和制定切削用量具有十分重要的意義。

3.2 PcBN刀具硬態切削的切屑形態

金屬切削過程的研究重點和核心是與切屑的形成過程緊密聯系在一起的。一般可將切屑分成四種類型,如圖1所示[4]。硬態切削過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切削層金屬的擠壓所產生的應變僅發生在刀刃附近的局部區域,工件硬度高而不能將變形延續到待加工表面,隨著刀具的向前移動,刀刃的擠壓作用增強而使變形區域擴大,刃前區的塑性變形向基體內擴展,產生沿剪切面方向的剪切滑移變形。隨著塑性變形區域的增大而產生大量的熱,前一鋸齒的滑移面對產生的變形熱起阻礙作用,使剪切區域溫度驟升,材料開始軟化,此時一個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]研究切削淬硬鋼時鋸齒形切屑的形成機理時認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,巨大的壓應力使工件下層產生滑移,導致斷裂的原因與工件的脆性有直接關系,同時工件表面的不規則性也對斷裂的發生起重要作用。

當工件硬度較低時,加工硬化的趨勢比較明顯,則產生帶狀切屑,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度明顯降低,熱軟化作用的趨勢比較明顯,發生剪切失穩而形成鋸齒形切屑。

鋸齒形切屑對切削過程有很大的影響,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,所產生的月牙洼寬度很小,因此對刀具強度提出了較高的要求。形成鋸齒形切屑時,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小,加工過程中很難形成積屑瘤,因此只要刀具刃磨質量高,就會得到良好的表面粗糙度;鋸齒狀切屑還可導致切削力高頻率地周期變化波動,增加了刀具的磨損速度,降低了加工精度和表面質量。

3.3 金屬軟化效應的研究

金屬軟化效應是PcBN刀具硬態切削的重要特征之一,它通過高溫軟化工件,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,淬硬鋼的硬態干式切削機理就是被切削金屬層的軟化作用機理,切削溫度對金屬軟化效應起決定性作用,即工件硬度隨切削溫度的升高而降低,并進一步影響已加工表面的形成及其質量。另外,硬態切削存在一個臨界硬度概念,即在臨界硬度兩側切削原理顯著的不同。劉獻禮[6]指出,當工件硬度低于HRC50時,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;當工件硬度高于HRC50時,隨著工件材料硬度的增加,切削溫度卻有所下降,由此斷定是切削機理產生變化的臨界點,即工件材料硬度低于HRC50時,切削機理符合一般的切削理論,當工件料硬度高于HRC 50時,切削機理因金屬軟化效應而發生變化,切削溫度的變化規律便不符合現有的切削理論。

“紅月牙”切削技術是切削熱快速聚集在前刀面上,其溫度達到600℃～700℃,可明顯觀察到紅色圓弧現象并因此而得名的。美國M ak ino公司生產工程部經理G rey H yatt在干式切削灰鑄鐵時曾指出高速銑削過程中“紅月牙”切削技術的重要性。實驗結果表明高速進給(40m/m in)和高速主軸旋轉(14000rPm)可使徑向力降低75%～90%[7]。溫度升高使材料的屈服強度降低,極大地提高了材料的切削加工性。

目前,在硬態切削中對金屬軟化效應的研究主要從切削溫度、切削力和刀具磨損等方面入手,還不能清楚地說明產生軟化效應的內在本質及其原因。

3.4 加工表面殘余應力及表面質量

PcBN刀具不僅具有優良的切削性能,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遠好于硬質合金刀具,而且隨著切削速度的提高,越來越接近粗糙度的理論值。由于PcBN刀具一般要進行倒棱處理以保護刃口,倒棱與切削區的高溫金屬擠壓使得工件材料發生塑性流動,這就使得工件表面變得不夠平整,然而在對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存一些潤滑油,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,能在較長時間內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生拉應力,用PcBN刀具加工淬硬鋼時,工件表層組織通常有殘余壓應力,殘余壓應力可提高零件的疲勞強度和耐磨性。

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,并產生一定的硬化深度,但對加工表面表層的金相組織并無破壞,而且切削用量的變化對已加工表面表層的金相組織沒有損傷。另外,PcBN刀具切削硬材料時,由于刀具導熱性好所產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顯著變化,而磨削加工若切削用量選擇不當反而容易產生表面燒傷。Tonshoff[8]的研究結果表明,已加工表面顯微硬度受進給量和后刀面磨損量的影響較大,進給量越小磨損量越大,表面硬度越高。

已加工表面的殘余應力狀態也是衡量加工表面完整性的一個重要指標,它與材料的成分、組織和缺陷一樣,對工件的機械性能有很大影響,多數情況下必須控制殘余應力的大小并掌握其分布規律。PcBN刀具的硬態切削加工一般在零件表面層以下產生殘余壓應力。壓應力有助于提高表面的抗疲勞性能,這也是PcBN刀具一個很好的性能。Tonshoff[8]在使用PcBN刀具切削GC r15軸承鋼時發現PcBN刀具的加工表面的應力狀態不全都是壓應力,條件選擇的不適當也可能造成殘余拉應力狀態。因此,在使用PcBN刀具時,應注意加工條件的選擇,其中切削用量對殘余應力的分布情況影響較小,而刀具結構對殘余應力的分布影響很大,尤其是倒棱的幾何參數需要精心選擇。

一般硬態車削僅消耗常規磨削加工20%的能量,切削變形區產生的熱量較磨削要小得多,不會引起工件表面產生熱損傷。因此,一般來說,硬態車削比常規磨削更能保持工件已加工表面性能的完整性。

3.5 PcBN刀具硬態切削的磨損機制

PcBN刀具切削淬硬鋼的研究是現代切削加工技術中的硬態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顯示出了相對于其它刀具的巨大優勢。

自PcBN刀具問世以來,其切削淬硬鋼的研究一直深受重視,但是目前對于PcBN刀具切削淬硬鋼的磨損機理仍然沒有形成統一的認識。英國的Bossom[9]等人研究發現低cBN含量(<70%)的PcBN刀具在切削淬硬軸承鋼時的壽命好于高cBN含量(>90%)的刀具。其他一些歐美國家的研究人員也通過試驗得到了類似的研究成果。進一步的研究表明,當cBN的含量降至55%時,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]等人研究認為cBN顆粒發生化學磨損是刀具磨損的主要原因,而粘結劑在切削過程中的耐磨性能要好于cBN顆粒。他們的研究結果直接被GE公司生產的BZN 8100牌號PcBN刀坯所應用并獲得了巨大成功。而Em erson[13]等人則認為PcBN刀具的磨損主要是由粘結磨損和擴散磨損造成的。

4 結束語

PcBN刀具應用于硬態切削,采用以車代磨等先進切削加工工藝,既可節省設備投資、提高生產率,又可大大增加加工過程的柔性。另外,由于21世紀人員費用增大及環境保護方面的要求,大力推廣使用PcBN刀具,充分發揮其潛在效能具有重要意義。通過對PcBN刀具硬態切削過程及機理的不斷深入研究,PcBN刀具必將發揮越來越重要的作用。

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