干式車削不同淬硬狀態工具鋼三向切削力的試驗研究*

許吉榮 唐林虎 黃建龍

(①武山縣職業中等專業學校，甘肅 天水741300;②蘭州工業學院機電工程學院，甘肅 蘭州730050;③蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州730050)

精密干式硬態切削(FDHC)［1-2］能得到與磨削相當的表面粗糙度，是最具應用前景的先進制造技術［3］。FDHC 過程中的切削溫度高達約800 ～1 000℃［4-6］，這將嚴重影響切削力、切屑形態、已加工表面完整性等方面的特征。

近年來，PCBN 新型刀具材料的出現大力推動了硬態切削技術的發展。劉獻禮教授對切削淬硬軸承鋼GCr15 進行了一系列的試驗研究:文獻［7］中研究了切削淬硬狀態為60 ～64 HRC 的軸承鋼GCr15 時，切削力、切屑形態、表面質量的變化規律。文獻［8］研究了切削硬度為30 ～64 HRC 的工件時，工件硬度對其切削溫度與刀具磨損特征的影響規律。Ng 等學者［9］研究了切削速度和工件硬度對熱作模具鋼AISI H13(28～49 HRC)切削性能的影響規律，并認為剪切應力隨工件硬度的提高而減小。李濤［10］以淬硬鋼H13 為研究對象，建立了H13 鋼的正交切削模型，研究了切削過程中的力學行為及特征。Bouacha［11］等學者認為切削力對工件硬度異常敏感。

大量文獻表明:當以不同的切削參數切削同一種淬硬狀態工件時，切削力的變化規律與傳統切削時不同;不同淬硬狀態工件在同一切削參數下其切削力有特殊的變化規律。目前，對于干式車削不同淬硬狀態工具鋼時切削力的變化規律及機理還不明確。本文就PCBN 刀具干式車削不同淬硬狀態工具鋼Cr12MoV時，淬硬狀態對三向切削力的影響規律及機理進行試驗研究。

1 車削試驗

1.1 試驗設備

使用CAK6150Dj 數控車床進行車削試驗。三向切削力采用YDC-Ⅲ89 三向壓電車削測力儀，如圖1所示。

圖1 試驗現場

1.2 工件材料

試件材料采用工具鋼Cr12MoV，化學成分依次為:C:1.55;Cr:11.25;Mo:0.45;Si:0.35;Mn:0.35;S:0.025;P:0.025;V:0.20。試件直徑為48 mm，長度為300 mm。經1 040 ℃熱處理，并經低溫回火后［13］，得到不同淬硬狀態(51、55、58、62、65 ± 1 HRC)的試件。

1.3 刀具組成、性能以及幾何參數

選用北京沃爾德超硬工具有限公司生產的PCBN復合刀具，型號為SCGN150404。根據文獻［14］關于CBN 含量的選用原則，本課題選用CBN 含量為50%的PCBN 刀具，(其中CBN 刀頭的組成和性能見表1)。訂購的PCBN 復合刀具裝夾在刀體后的有效幾何參數如表2 所示。

表1 CBN 刀頭的組成和性能

表2 PCBN 刀具的有效參數

1.4 切削參數的選擇

切削參數如表3 所示。

表3 試驗切削參數

試驗中，通過人工熱電偶間接測量刀具上距離刀尖2.5 mm 處點的溫度，為采集刀具溫度，根據人工熱電偶絲直徑的大小。在刀具表面指定點處鉆一孔，當車削停止時，紅外線儀顯示器上所顯示的熱電偶溫度即為所測刀具的溫度。測量方案與測量現場如圖2。

圖2 測量PCBN 刀具溫度的方案

2 試驗結果與分析

分析計算中，取穩態車削階段的三向切削力的平均值。文中，FX為進給力，FY為徑向力，FZ為主切削力，合力FR的計算式為［8］

圖3 描述了三向切削分力與切削合力以及刀具溫度隨工件淬硬狀態變化的規律。由圖3(a)可知，隨工件硬度的提高，主切削力FZ與徑向力FY先逐步增大，后急劇減小，而進給力FX呈波浪形變化趨勢，且變化幅度很小。很有意思的是，當硬度車削淬硬狀態為58 ±1 ～62 ±1 HRC 的工具鋼時，其主切削力與徑向力達到峰值，而后又急劇減小。由圖3(b)可知，切削合力也先逐步增大，后急劇減小。產生這一現象的根源有兩點:其一，工件硬度達到65 ±1 HRC 時，會因工件表面材料的脆性而減小切削力;其二，當工件硬度達到62 ±1 HRC 時，由于切削溫度的升高而導致切屑與刀具前刀面產生粘結效應，從而引起切削力。而當硬度車削硬度為65 ±1 HRC 的工件時，刀具溫度明顯降低，這間接反映了切削溫度的降低，從而減輕了刀-屑間的粘結效應，減小了切削力。

圖3 切削力與刀具溫度隨工件硬度的變化規律

圖4 為車削淬火硬度為65 ±1 HRC 工件時得到的鋸齒形切屑，經EDS 對其切屑底面分析，得到如圖5所示的切屑底面O、B、N 元素含量隨工件淬硬狀態的變化趨勢。由于切屑底面含有B、N 元素，這說明刀具的材料向切屑底面發生了轉移，顯然，刀-屑間發生了粘結效應。另外，由圖5 可知，這3 種元素的含量隨工件硬度的增高先增多后減少，其中，車削硬度為62 ±1 HRC 工件時所測切屑底面的元素含量最高。這與圖3中工件硬度對車削合力的影響規律吻合;也與測得的刀具溫度的變化曲線吻合［如圖3 所示］。由于試驗中保持切削速度等切削參數不變，故而可預見工件淬硬狀態引起的切削溫度對刀-屑的粘結效應起了重要作用，從而影響了切削力的變化規律。

圖4 工件硬度為65± 1 HRC 時切屑底面轉移元素分析

圖5 切屑底面元素變化圖

3 結語

通過使用PCBN 刀具干式車削不同淬硬狀態工具鋼Cr12MoV 的試驗研究，分析了淬硬狀態對三向切削力的影響規律及內在機理，其結論如下:

(1)工件的淬硬狀態對徑向力的影響效果顯著，對主切削力影響比較顯著，而對進給力的影響微乎其微。隨工件硬度的增高，主切削力FZ與徑向力FY先逐步增大，后急劇減小，而進給力FX呈波浪形變化趨勢，且變化幅度很小。

(2)工件硬度淬火達到65 ±1 HRC 時，由于工件的脆性而減小切削力;而當工件淬火達到62 ±1 HRC時，由于切削溫度的升高而使切屑與刀具前刀面產生粘結效應，從而引起切削力增大。

(3)當車削硬度為65 ±1 HRC 的工件時，刀具的溫度明顯降低，這減輕了刀-屑的粘結效應，從而減小了切削力。

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