許吉榮 唐林虎 黃建龍

(①武山縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，甘肅 天水741300;②蘭州工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050;③蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

精密干式硬態(tài)切削(FDHC)［1-2］能得到與磨削相當(dāng)?shù)谋砻娲植诙?，是最具?yīng)用前景的先進(jìn)制造技術(shù)［3］。FDHC 過程中的切削溫度高達(dá)約800 ～1 000℃［4-6］，這將嚴(yán)重影響切削力、切屑形態(tài)、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(xiàn)大力推動了硬態(tài)切削技術(shù)的發(fā)展。劉獻(xiàn)禮教授對切削淬硬軸承鋼GCr15 進(jìn)行了一系列的試驗研究:文獻(xiàn)［7］中研究了切削淬硬狀態(tài)為60 ～64 HRC 的軸承鋼GCr15 時，切削力、切屑形態(tài)、表面質(zhì)量的變化規(guī)律。文獻(xiàn)［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(guī)律。Ng 等學(xué)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(guī)律，并認(rèn)為剪切應(yīng)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(xué)行為及特征。Bouacha［11］等學(xué)者認(rèn)為切削力對工件硬度異常敏感。

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

1 車削試驗

1.1 試驗設(shè)備

使用CAK6150Dj 數(shù)控車床進(jìn)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(xiàn)場

1.2 工件材料

試件材料采用工具鋼Cr12MoV，化學(xué)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(jīng)1 040 ℃熱處理，并經(jīng)低溫回火后［13］，得到不同淬硬狀態(tài)(51、55、58、62、65 ± 1 HRC)的試件。

1.3 刀具組成、性能以及幾何參數(shù)

選用北京沃爾德超硬工具有限公司生產(chǎn)的PCBN復(fù)合刀具，型號為SCGN150404。根據(jù)文獻(xiàn)［14］關(guān)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(fù)合刀具裝夾在刀體后的有效幾何參數(shù)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(shù)

1.4 切削參數(shù)的選擇

切削參數(shù)如表3 所示。

表3 試驗切削參數(shù)

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(jù)人工熱電偶絲直徑的大小。在刀具表面指定點處鉆一孔，當(dāng)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(xiàn)場如圖2。

圖2 測量PCBN 刀具溫度的方案

2 試驗結(jié)果與分析

分析計算中，取穩(wěn)態(tài)車削階段的三向切削力的平均值。文中，F(xiàn)X為進(jìn)給力，F(xiàn)Y為徑向力，F(xiàn)Z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(tài)變化的規(guī)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(jìn)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(dāng)硬度車削淬硬狀態(tài)為58 ±1 ～62 ±1 HRC 的工具鋼時，其主切削力與徑向力達(dá)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(chǎn)生這一現(xiàn)象的根源有兩點:其一，工件硬度達(dá)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(dāng)工件硬度達(dá)到62 ±1 HRC 時，由于切削溫度的升高而導(dǎo)致切屑與刀具前刀面產(chǎn)生粘結(jié)效應(yīng)，從而引起切削力。而當(dāng)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(jié)效應(yīng)，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(guī)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(jīng)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(tài)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(fā)生了轉(zhuǎn)移，顯然，刀-屑間發(fā)生了粘結(jié)效應(yīng)。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(guī)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(shù)不變，故而可預(yù)見工件淬硬狀態(tài)引起的切削溫度對刀-屑的粘結(jié)效應(yīng)起了重要作用，從而影響了切削力的變化規(guī)律。

圖4 工件硬度為65± 1 HRC 時切屑底面轉(zhuǎn)移元素分析

圖5 切屑底面元素變化圖

3 結(jié)語

通過使用PCBN 刀具干式車削不同淬硬狀態(tài)工具鋼Cr12MoV 的試驗研究，分析了淬硬狀態(tài)對三向切削力的影響規(guī)律及內(nèi)在機理，其結(jié)論如下:

(1)工件的淬硬狀態(tài)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(jìn)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(jìn)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(dá)到65 ±1 HRC 時，由于工件的脆性而減小切削力;而當(dāng)工件淬火達(dá)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(chǎn)生粘結(jié)效應(yīng)，從而引起切削力增大。

(3)當(dāng)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(jié)效應(yīng)，從而減小了切削力。

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