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淬硬钢精车表面质量和刀具设计解析

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:40:57

1 前言

为了提高承受高负荷机械零件的耐磨性和接触疲劳强度，提高其表面硬度是最有效的方法之一。通常这样的淬硬钢零件，磨削是最常使用的加工方法。但磨削效率低、成本高、耗能大、使用磨削液对环境污染大。随着工艺水平的提高，尤其是超硬刀具材料聚晶立方氮化硼(PCBN)的使用，硬车削已经成为可能。在一定条件下用车削代替磨削加工，具有一系列优点，显示了诱人的前景。除了克服磨削常见的缺点外，硬车削还具有工艺灵活性大的优点。文中主要介绍硬工件车削后的表面完整性；车削后工件表面粗糙度、残余应力，以及加工参数对它们的影响；精硬车削的刀具设计，特别是刃口倒棱对刀具寿命的影响。

2 精硬车削加工及表面质量

车削条件

在大量生产中，对加工齿轮锥形制动凸缘进行了现场试验。工件由渗碳钢27MnCr5制成，该钢的主要化学成分是：0.23%C；1.1%Mn；1%Cr。精车前表面淬硬硬度850HV0.3，硬化层深度约0.6mm，硬度分布见VC=50～250m/min； f=0.05～0.2mm/r；ap=0.15mm。使用PCBN刀具车削。用光学显微镜检查刀具后面磨损VB。

在精硬车削中，刀具的耐用度(后面磨损量VB)确定后，工件加工后的表面完整性主要是表面粗糙度、表面残余应力，以及它们与切削用量的关系。

车削后的工件表面，通常存在有平行于切削速度方向的长沟痕，这些沟痕是由于刀刃的微几何造成的，是形成工件表面粗糙度的决定因素。像一般切削加工一样，精硬车削后工件的表面粗糙度基本上是由理论粗糙度决定的。加工后工件的理论粗糙度的表达式为： Ra=f2/[18-(3re)½] (1)
式中，re为刀尖圆弧半径，mm；f为进给量，mm/r。模型中忽略刀具磨损的影响，因此在使用时必须规定合适的刀具耐用度VB的值。

实验也表明，精车时切削速度对表面粗糙度的影响很小，尤其是在进给量很小的情况下。切削速度VC大于150m/min时，刀具磨损速度加快，不适合切削。因此可以得出结论：精硬车削时，在合适的切削条件下(PCBN刀具，VC=50～150m/min)，工件表面粗糙度只受进给量f的影响，其他切削用量的影响可以忽略不计。深入研究可以发现，在很小进给量下精硬切削，加工后工件表面的塑性流动和耕犁现象，也影响着工件表面粗糙度的值。

加工后工件表面的残余应力

除去表面粗糙度外，对工件使用性能和寿命影响很大的另一个因素，则是工件表面残余应力。因此精车后工件表面的残余应力的性质和分布，应当引起重视。实验表明，加工后工件的表面残余应力是切削速度VC、进给量f以及刀具后面磨损VB的函数。使用X-射线衍射仪和化学抛光，可得到车削后工件表面残余应力分布如60BN；35%TiCN；少量Al、W、Co元素)刀具设计时，根据具体加工情况，使用较小的主、副偏角Kr和K’r；法后角an=7°；刃倾角ls=-6°；法前角gn=-6°。且选用合适的倒棱(倒棱宽0.1mm，倒棱法前角-15°左右)和刀尖圆弧半径(re＝0.03mm，研磨抛光)，在加工中取得很好效果。

刀具刃口倒棱

深入研究可知，在精硬车削中，刀具的刃口倒棱对刀具的磨损和耐用度有着较大的影响，进而也影响加工工件表面的性能和加工的经济性。瑞典学者对此作了深入研究。他们用PCBN刀具在车削中心上(SMT500 CNC)精硬车削轴承钢100Cr6(硬度为60～62HRC)工件，组织为马氏体。形状为管状，外径f140mm，内径f100mm。车削时的加工用量为VC=160m/min，f=0.05mm/r，ap=0.05mm。车刀几何参数如前所述。不同的是保持刃口倒棱宽VL=0.1mm，倒棱角分别为0°、-10°、-15°、-20°、-30°。分别用于加工工件，以便观察倒棱参数(倒棱角)对加工的影响。用测力计(Kistler9212)和数据收集系统(InstruNet100)测出切削力，可以清楚地看到，随着角度绝对值加大，切削力有所增大，但耐用度则变化较大。

刀具涂层

现在的涂层技术，使我们能够涂覆需要性能的各种涂层。在这样超硬刀具材料上，涂覆减摩、隔热涂层，显然是有用的。实验表明，在精硬车削时，即使涂覆TiN涂层也能使刀具耐用度显著增加，加工后的工件表面粗糙度减小，残余应力降低。现在的多涂层技术，纳米涂层技术，应当在精硬车削刀具设计中发挥作用，在这方面的研究需要广泛深入进行。
正确地设计刀具后，在使用中更加严格控制刀具后面磨损极限VB，就能加工出符合要求的表面质量来。

4 小结

在现有的工艺条件下，用精切削代替磨削加工，得到的工件表面质量完全可以满足生产需要。
精硬车削加工能否顺利进行，刀具设计是关键。应该使用PCBN制造刀具，同时合理的设计刀具几何参数，可以满足加工中的要求。

对刀具设计进行深入细致的研究，防止刀刃崩刃破损，提高刀具的耐用度，这方面还应作大量工作。例如根据加工的具体条件，如何正确设计刀具几何角度和倒棱参数。

应当研究适合精硬加工刀具的合适涂层和涂覆方法，我们相信随着新型刀具材料的使用，以及涂层在这种刀具上的应用，精硬车削代替磨削一定会取得更好的效果。

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