淬硬45鋼車削加工的研究

羅永新 程 利 張來希 羅德賢

(湖南工業職業技術學院,湖南長沙 410208)

“以車代磨”加工淬火鋼等高硬度材料,有如下優勢:車削切削效率是磨削的3～5倍,大幅提高了加工效率;能耗低,車削能耗大約為磨削的25%左右;加工質量比磨削更可靠,在加工表面粗糙度值不小于0.4 μm的要求下,車削條件比較容易達到,且沒有磨削燒傷;由于車削溫度相對較低,大部分切削熱被切屑帶走,只要刀具材料紅硬性允許,硬車削無需冷卻液,可省去與冷卻液有關的機床裝置,降低生產成本,簡化生產系統,形成的切屑干凈清潔,比磨削容易回收處理,消除了使用冷卻液引起的破壞環境問題,是一種“綠色”加工方法。經過近50年的發展,目前車削的硬度極限可達到68 HRC[1],在發達國家硬車技術已被普遍應用,當表面粗糙度Ra≥0.1 μm的加工要求時,已成為發達國家硬材料切削加工的經濟加工工藝。但是,由于車削硬材料對刀具和機床性能的要求高,高硬材料車削加工中容易出現刀具破損現象,切削用量相對嚴格,多數情況下,國內仍然盡可能回避硬車削的應用,以避免因切削參數等工藝不當造成的加工“風險”。因此,國內硬車削的普遍應用,還需要一個切削工藝參數普遍認知并強力推廣的過程。當前,隨著數控機床技術的進步,切削設備已滿足了硬車削要求,進一步認識硬車削工藝規律,研究降低刀具成本,就成了硬車削普及應用的關鍵。PCBN刀具材料車削加工硬度大于55 HRC的工件,已基本得到了認同。但PCNB刀具價格太貴,又比較脆,容易破損,對車削50 HRC以下的淬硬鋼工件,并不理想。實驗表明,加工硬度為40～50 HRC的淬硬鋼工件,使用硬質合金涂層刀具是一種比較理想的選擇。新型硬質合金涂層刀具材料的抗彎強度和沖擊韌性比PCBN和陶瓷材料要高,價格又低,當切削用量使用合理,刀具幾何參數設計得當,可以實現“以車代磨”。

1 硬車削實驗條件

(1)機床條件:沈陽第一機床廠生產的車床,配備華中世紀星數控系統,機床總功率15 kW,最高轉速3500 r/min,最大進給速度3000 mm/min,脈沖當量0.001 mm,主軸回轉精度低于0.02 mm。

(2)工件條件:工件用熱扎棒料,粗車后尺寸為φ40 mm×100 mm,100件工件在一次淬火中淬硬,硬度達45～47 HRC。

(3)裝卡:工件用三爪卡盤夾住一頭,夾持長度30 mm,干式切削。

2 刀具材料對硬車削性能的影響

為研究涂層硬質合金刀具材料車削淬硬材料切削性能,選用了一組刀具材料作對比實驗。實驗刀具材料為硬質合金YT15、粉末涂層材料FTC2、氧化鋁-碳化鈦復合涂層材料YB01和陶瓷材料LT55;為了簡化分析過程,所有刀具的幾何角度設定為Kr=75°,γ0=-5°,α0=8°,λs=-5°,β0=90°,εr=90°;干式切削。

設定切削用量為vc=125 m/min,ap=0.15 mm,f=0.1 mm/r,定時分段測量刀具后刀面磨損情況,實驗結果如圖1。由圖可見,普通硬質合金刀具材料后刀面磨損迅速,刀具耐用度在5～10 min左右,切削時間太短,不適合淬火45鋼的切削加工;涂層刀具FTC2、YB01和陶瓷LT55的刀具耐用度基本相當,刀具耐用度都達75 min以上,YB01耐磨性稍好,切削時間超過90 min。當切削時間超過75 min后,FTC2材料磨損量突然急劇上升,但YB01材料切削時間要超過90 min后才有類似情況出現。這表明在一定切削速度條件下,YB01切削性能要優于FTC2,說明陶瓷粉末涂層硬質合金刀具材料既具有涂層刀具的優越性,又比表面涂層刀具有更好的切削性能。刀具出現磨損量突然加劇,是因為刀具涂層完全磨損后,硬質合金基體材料不耐磨所致。實驗表明,粉末涂層刀具在高速切削速度條件下切削淬火材料,切削平穩輕快,一般不會出現崩刃現象,其主要失效形式為磨損,但速度不能太高,切削速度太高會加速刀具磨損,甚至出現破損。

3 刀具幾何參數對硬車削的影響

淬硬鋼的強度、硬度比非淬硬時高出了很多,因而切削力非常大,刀具刃口強度要求高,選擇合適的刃口幾何參數,保護刀尖及刃口免受崩刃損壞,是硬車削能否順利實現的關鍵問題。實驗表明,硬車削刀具采用較小的后角和負前角(包括負倒棱)是提高刀具耐用度的合理幾何形狀。根據文獻[2]設定刀具Kr=75°、λs=-5°、β0=90°、εr=90°,切削用量為 vc=125 m/min,f=0.1 mm/r,ap=0.15 mm,重點研究刀具前角和后角對刀具耐用度的影響。

刀具耐用度與前角的關系如圖2所示。實驗表明,刀具負前角比正前角耐用度高很多,這與多數研究成果是吻合的。從實驗可以看出,當刀具前角為-10°～-5°時耐用度最高;前角小于-10°,刀具耐用度變小;前角大于-5°時,隨著前角的增大,刀具耐度逐漸變差。這是工件材料硬,切屑短,前角為負時,切屑流與刀具前面摩擦力變小,刀具耐用度提高;但是當負前角過大時(超過-10°),由于切削變形很大,切屑流對前面摩擦力很大,抵消了切屑接觸減小帶來的有利因素,刀具的耐用度反而降低。當前角增大時,切削變形雖然變小,但切屑與前刀面接觸增大,摩擦力變大,刀具耐用度逐漸降低。實驗還發現,當刀具前角大于15°后,陶瓷材料LT55耐用度突然急劇下降,刀具經常出現崩刃現象,其他兩種涂層刀片出現這種現象的前角要大得多。這說明硬質合金涂層刀片的強度比陶瓷刀具材料要高得多,在車削硬度相對較低的45鋼淬硬材料時,刀具幾何角度要求要相對簡單。

刀具耐用度與后角的關系如圖3所示。實驗表明,FTC2、YB01和LT55刀具耐用度基本相當,變化規律基本一致,當后角在9°～11°左右,刀具的耐用度最高,當后角大于或小于這個范圍,刀具耐用度都變低。這與多數刀具材料的切削耐用度一致,說明在較小進給速度和很小吃刀深度時,切削硬材料對后角沒有特別的要求,遵循一般材料切削刀具后角設計要求。從圖3中注意到陶瓷刀具材料LT55的后角大于15°后,刀具耐用度急劇下降,說明陶瓷刀具材料對大后角也比較敏感,這與陶瓷材料脆性大的特點相符,即后角大到一定程度后,由于刀具切削刃強度變得很低,致使刀具容易破損,刀具耐用度大幅下降。

4 車削用量的選擇

硬車削應用推廣的關鍵是找準切削用量,一旦硬切削的切削用量變成了常識,硬切削刀就成為了常規工藝。我們分段研究了FTC2、YB01兩種涂層刀具材料在刀具耐用度允許的范圍內切削速度、進給量、吃刀深度對切削質量的影響。

圖4是在切削深度ap=0.15 mm時,切削速度、進給量對切削質量的影響。實驗表明,當切削速度高于100 m/min時,切削速度對車削質量影響不大,只與進給量有關,進給速度越大,表面粗糙度值越大;當切削速度較低時,如實驗中切削速度vc=75 m/min時,表面粗糙度值明顯大于切削速度高于100 m/min時的車削質量。這是因為切削速度較低時,切削變形較大,切削溫度過低,使切削力變大,相對地,切削過程中平穩性變差,所以切削速度較低時,表面粗糙度值較大。可見,在合適的切削速度條件下,工件表面粗糙度只受進給量f的影響,切削速度影響不大。當切削速度高于100 m/min,進給量小于0.1 mm/r,表面粗糙度值達Ra≈0.3～0.6 μm,這是一般加工工藝方案中磨削加工才能達到的精度要求,這個結果表明實現了以車代磨的加工效果。以后隨進給量的增大,表面粗糙度值迅速增大。

有研究發現,刀具幾何角度對車削表面質量也存在影響,在很小進給量下硬切削,加工后工件表面的塑性流動和耕犁現象,也影響工件表面粗糙度的值[3]。

當進給量f=0.1 mm/r,切削速度、吃刀深度對切削質量的影響如圖5。圖5直觀地表明,車削質量與切削速度關系不大。切削速度在100～300 m/min范圍內變化,表面質量幾乎沒有影響。吃刀深度對表面質量影響比較大:當ap≤0.1 mm時,吃刀量很小,Ra≤0.5 μm;當ap＞0.1 mm時,Ra呈較大跳躍增大。 硬車削對較大ap敏感,是由于切削力增大很快,機床、刀具的剛性不足,使切削過程中振動增大所致。

5 結論

(1)使用涂層硬質合金刀具材料,在吃刀量ap≤0.2 mm、進給量f較小、vc≥100 m/min的條件下車削淬火45鋼,刀具耐用度可達75 min以上,與切削非淬火45鋼材料的耐用度相當。

(2)在現有的工藝條件下,當吃刀深度ap≤0.1 mm、進給量 f≤0.10 mm、vc≥100 m/min時,用車削代替磨削加工,可以得到的工件表面質量Ra≈0.2～0.5 μm,實現代替磨削加工。

(3)刀具的幾何參數是硬車削加工能否順利進行的關鍵,γ0=-10°～ -5°、α0=9°～11°、Kr=75°、λs=-5°、β0=90°、εr=90°是涂層硬質合金刀具車削淬火 45鋼比較合理的刀具幾何參數。

[1]陳元春,黃傳真,等.粉末表面涂層陶瓷的硬質合金刀具材料[J].無機材料學報,2000(5):873-878.

[2]龍震海,王西彬,等.高速切削條件下難加工材料表面粗糙度影響因素析因研究[J].工具技術,2005,39(1):26-29.

[3]吳喜讓,蔡廣宇.淬硬鋼精車的表面質量和刀具設計[J].汽車工藝與材料,2004(1):40-43.

[4]魏莎莎.單涂層與復合涂層硬質合金刀具性能對比[J].機械工程與自動化,2005(6):66-67,70.

[5]鄧建新,艾興,等.陶瓷刀具切削加工時的磨損和潤滑及其與加工對象的匹配研究[J].機械工程學報,2002,38(4):40-45.