精密干式硬態(tài)車削淬硬工具鋼時(shí)表面粗糙度的參數(shù)優(yōu)化

唐林虎 黃建龍 高成秀 羅文翠

（①蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校機(jī)械工程系，甘肅蘭州 730050;②蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對干式切削［1］、硬態(tài)切削［2］的定義。筆者將精密干式硬態(tài)切削（簡稱精干硬切削）淬硬鋼定義為用單刃刀具在不使用切削液或最小量潤滑技術(shù)來加工材料硬度在45 HRC以上的工件來達(dá)到較高表面精度的切削過程。

近年來，新型刀具材料（比如:聚晶立方氮化硼，簡稱PCBN）的出現(xiàn)有力推動(dòng)了硬態(tài)切削的發(fā)展。德國Achen大學(xué)的Kolocke教授［2］在2005年CIRP年會(huì)上所做的題為“Capability Profile of Hard Cutting and Grinding Processes”的主題報(bào)告中，詳細(xì)對比了硬態(tài)切削和磨削工件表面性能。研究結(jié)果表明，硬態(tài)切削能得到與磨削相當(dāng)?shù)谋砻娲植诙龋亲罹邞?yīng)用前景的先進(jìn)制造技術(shù)。

目前，陳濤博士與劉獻(xiàn)禮教授等國內(nèi)外學(xué)者對淬硬GCr15軸承鋼以及AISI D2等工具鋼進(jìn)行了硬態(tài)切削研究［3－8］。Dilbag［9］研究了切削用量與刀尖r對硬車削軸承鋼AISI 52100表面粗糙度的影響，并得出結(jié)論:進(jìn)給量是僅次于刀尖半徑與切削速度對工件表面粗糙度有決定性影響的因素。但是沒有學(xué)者對國產(chǎn)淬硬工具鋼Cr12MoV進(jìn)行切削試驗(yàn)。

1 車削試驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)設(shè)備

切削試驗(yàn)在蘭州理工大學(xué)數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的CAK6150Dj數(shù)控車床上進(jìn)行。采用SJ－201C（日本產(chǎn)）數(shù)顯式表面粗糙度儀測量表面粗糙度。圖1為車削過程中的工件。

1．2 試件制備

試件材料采用寶山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的Cr12MoV工具鋼。試件在蘭州甘光工具塑壓分廠熱處理、加工。熱處理工藝為:先在1 040℃的高溫下退火，再油冷，之后以不同的溫度進(jìn)行低溫回火得到55±1 HRC，58±1 HRC，62±1 HRC 等幾種不同淬硬狀態(tài)的試件，最后用磨外圓到直徑48 mm。取試件長度300 mm。化學(xué)成分如表1所示。

表1 工具鋼Cr12MoV的化學(xué)成分 %

1．3 刀具組成、性能以及幾何參數(shù)

表2 刀具幾何參數(shù)

選用北京沃爾德超硬工具有限公司生產(chǎn)的PCBN刀具，型號為SCGN150404，其CBN含量為85%，粘結(jié)劑為鎢鈷鋁，粒度為 2 μm。刀具前角有 －5°，0°，－10°三種，其它幾何參數(shù)如表2所示。

1．4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)［10］，對切削速度v、工件硬度H，刀具前角α（考慮到0°對預(yù)測模型計(jì)算的影響，這里采用cosα表達(dá)）、切削深度ap四個(gè)參數(shù)分別取3種不同水平，即四因素三水平正交表（34），其正交表如表3所示。

表3 變量水平

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

車削過程中，表面粗糙度值采集7次，然后去掉最大值與最小值，之后取其平均值。其表面粗糙度值及其結(jié)果分析如表4所示。

表中:i表示水平（i=1，2，3）;j表示因素（j=A，B，C，D）;Kij=第j列中水平數(shù)i對應(yīng)的試驗(yàn)值之和;kij（第j列）=Kij/（第j列中i的重合次數(shù)）;Rj=第j列的ki中最大減去最小的值。

其因素與指標(biāo)的關(guān)系圖如圖2所示。通過對試驗(yàn)結(jié)果分析可得:

表4 表面粗糙度試驗(yàn)值及其結(jié)果分析表

（1）4個(gè)因素的主次順序是:ABCD。

（2）各因素變化時(shí)，指標(biāo)的變化規(guī)律是:速度從75m/min提高到226m/min時(shí)，表面粗糙度平均值逐漸減小;試件淬火硬度從55HRC提高到62HRC時(shí)，表面粗糙度平均值先增大后減小;前角從－5°，0°，－10°變化時(shí)，表面粗糙度平均值先增大后減小;切削深度從0.10mm增大到0.20mm時(shí)，表面粗糙度平均值有小幅增大。

（3）試驗(yàn)中最優(yōu)車削條件是A3B1C3D2。

對于55±1HRC試件，最優(yōu)車削條件是A3B1C3D2，其表面粗糙度可達(dá)到0.50 μm;

對于58±1HRC試件，最優(yōu)車削條件是A3B2C1D3，其表面粗糙度可達(dá)到0.72 μm;

對于62±1HRC試件，最優(yōu)車削條件是A3B3C2D1，其表面粗糙度可達(dá)到0.56 μm。

3 結(jié)語

通過PCBN刀具精密干式硬態(tài)車削淬硬工具鋼Cr12MoV的試驗(yàn)研究，得到了不同淬硬狀態(tài)工具鋼的最優(yōu)車削參數(shù)。對于55±1HRC試件，最優(yōu)車削參數(shù)是:v=226m/min，α = －10°，ap=0.15mm;對于58 ±1HRC試件，最優(yōu)車削參數(shù)是:v=226m/min，α=－5°，ap=0.10mm;對于 62±1HRC試件，最優(yōu)車削參數(shù)是:v=226m/min，α =0°，ap=0.10mm。

［1］苗志毅，馮克明．綠色切削與PCBN刀具切削技術(shù)［J］．金剛石與磨料磨具工程，2004（5）:73－76．

［2］KLOCKE F，BRINKSMEIER E，Weinert K．Capability profile of hard cutting and grinding processes［J］．Annals of the CIRP，2005，54（2）:552－580．

［3］李玉甫，嚴(yán)復(fù)鋼，王宇，等．PCBN刀具切削淬硬GCr15軸承鋼的切削力研究［J］．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，10（2）:136 －138．

［4］文東輝．PCBN刀具硬態(tài)切削機(jī)理及技術(shù)［D］．大連:大連理工大學(xué)，2002．

［5］El－Wardany TI，Kishawy HA，Elbestawi MA．Surface Integrity of Die Material in High Speed Hard Machining，Part 1:Micrographical Analysis［J］．J Manuf Sci Eng．，2000，122:620 －631．

［6］Ng EG，Aspinwall DK．The Effect of Workpiece Hardness and Cutting Speed on the Machinability of AISI H13 Hot Work Die Steel When Using PCBN Tooling［J］．J Manuf Sci Eng．，2002，124:588 －594．

［7］陳濤，劉獻(xiàn)禮，羅國濤．PCBN刀具切削淬硬鋼時(shí)倒棱參數(shù)對切削過程的影響［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（11）:169－175．

［8］陳濤，劉獻(xiàn)禮．PCBN刀具硬態(tài)車削淬硬軸承GCr15表面粗糙度試驗(yàn)與預(yù)測［J］．中國機(jī)械工程，2007，18（24）:2973 －2975．

［9］DILBAG S，RAO PV．A surface roughness prediction modelfor hard turning process［J］．Int J Adv Manuf Technol．，2007，32:1115 －1124．

［10］中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所數(shù)理統(tǒng)計(jì)組編．正交實(shí)驗(yàn)法［M］．北京:人民教育出版社，1975．