淬硬钢精车的表面质量和刀具设计

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850HV_0.3，硬化层深度约0.6mm，硬度分布见图1。热处理后在深0.3mm 范围内其成分保持不变，含碳量约1%。因此精加工这种钢材，相当于加工淬硬高碳钢100MnCr。表面淬硬后其表面残余应力的分布发生变化，并且诱发了残余压应力，残余应力的分布见图&。因工件已在热处理前进行过车削加工，精硬车削的切削深度a_p=0.15mm。这时刀具切削刃所处位置的工件硬度仍然是850HV_0.3，内部切向残余应力为-400MPa。车削加工是在刚性好的车床上进行的。车削时的加工用量是：V_C=50～250m/min； f=0.05～0.2mm/r；a_p=0.15mm。使用PCBN刀具车削。用光学显微镜检查刀具后面磨损V_B。

图1 淬硬后待加工表面特征

2.加工后表面质量及影响因素

硬工件加工后的表面质量，决定着其使用性能和寿命。

在精硬车削中，刀具的耐用度(后面磨损量V_B)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-(3r_e)^½] (1)式中，r_e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V_B的值。

图2中给出了车削时理论粗糙度和实际测量出的粗糙度的值。正如式(1)所给出的那样，工件的粗糙度主要是由进给量f决定的。从图中也可看出，在切削速度V_C=50～150的范围内，实际粗糙度几乎完全等于理论粗糙度。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V_C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，V_C=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。

图2 切削参数对表面粗糙度的影响

图3 切削条件对残余应力的影响

3.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V_C、进给量f以及刀具后面磨损V_B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图3所示。

众所周知，加工后工件表面的残余应力主要受3个因素影响所形成，即机械、热力效应和金相变化。

在硬车削中，这3个因素受刀具的性能、特性(材料、涂层、几何和磨损)、加工参数和刀具-工件材料相互作用的影响，是极其复杂的。工件表面物理性质的变化，部分是由于切削压力、切削温度造成的。为了澄清这些影响，分析硬车削时的切屑形成机理是关键。

在硬车削加工中，刀刃前端的压力非常大，这样才能使工件材料塑性化到一定程度，进而形成切屑。这样大的机械应力作用到工件表面，则会诱发残余压应力。热应力主要是由于刀具磨损刃带和工件之间的摩擦引起的。在相同摩擦系数下，大的正应力必然引起大的摩擦力，在刀具与工件间的相对运动下，消耗大量摩擦能，进而转变为热。工件表面不均匀的热胀冷缩变化，同样诱发了残余应力。切削温度越高，残余应力越大。用CBN车刀车削(V_C=184m/min；a_p=2mm；f=0.1mm/r) 工件( 硬度为62HRC)时测量切削温度，后刀面处可高达800～1000℃。在这样的高温影响下，不仅诱发大的热应力，也会使工件表面产生金相变化，产生新的残余应力。我们知道，这一温度超过g-a转变温度，并且也会使工件表面发生马氏体-奥氏体转变，转变时的体积变化，引起新的残余应力。马氏体转变引起残余拉应力，它将和工件因机械效应引起的压应力叠加一起，使工件表面的应力极为复杂。

在所有情况下，工件表面轴向和周向残余应力的分布具有相同的情况，图3中给出的是周向残余应力的分布情况。从图中我们可以看到，用新刀在切削速度V_C=100m/min车削时，最大残余应力约为-250MPa。在表面层以下约0.07mm处，减小到-800MPa，随后则增到内部的-400MPa。应当注意，残余压应力有利于提高工件的寿命。

深入分析图3，可看出工件表面残余应力随V_C及f的变化情况。从中清楚地看到，V_C对残余应力的影响是非常大的，这也是不难理解的，因为加工用量中V_C对切削温度、刀具磨损有最大的影响。不管f如何变化，V_C由50m/min增加到150m/min时，残余应力增大(V_C超过200m/min时刀具磨损很快，且工件亚表面出现白层，不宜采用)。而且从分析f的影响中可以发现，f由0.05到0.1mm/r增加时，表面残余应力向压应力变化；由0.1mm/r增加到0.2mm/r时，则向拉应力变化。因此若考虑残余应力性质，也应限制硬车削时的进给量(本例中f=0.1mm/r较好)。

总之，只要根据具体情况控制好切削参数，精硬车削后工件表面质量完全可以满足使用要求。

3 刀具设计

精硬车削是否能够正常进行，合理设计刀具是关键。

刀具材料
刀具要满足要求，首先要正确选择刀具材料。众所周知，一般情况下刀具材料与工件材料的硬度差越大，刀具的切削性能越好。因此精硬车削时，超硬刀具材料是首选。但考虑到金刚石刀具材料强度低、脆性大，且在一定温度时与铁族元素亲和力大，不宜加工黑色金属，因此精硬车削钢材时，使用PCBN是最合适的选择。PCBN具有仅次于金刚石的硬度和耐磨性，硬度高达8000～9000HV，耐热性也很高，可以承受1400～1500℃的高温，大大高于金刚石材料，它的化学稳定性好，在1200～1300℃也不会与铁族起化学反应，抗黏结能力强，因此这种刀具材料目前受到广泛重视。在精硬车削钢时，基本上都应选择这种刀具材料。
刀具几何参数
加工淬硬钢时，刀具刃口切削力大，又加上PCBN的强度低，因此选择合适的刃口几何参数，保护刀尖及刃口免受崩刃损坏，是必须认真考虑的问题。有人在PCBN(重量组成：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K_r和K_r；法后角a_n=7°；刃倾角l_s=-6°；法前角g_n=-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(r_e＝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V_C=160m/min，f=0.05mm/r，a_p=0.05mm。车刀几何参数如前所述。不同的是保持刃口倒棱宽V_L=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。用光学显微镜观察刀具的后面及月牙洼(没测量)磨损，与加工性能关系密切的后面磨损情况如图4所示。

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从图4中可以看出，当规定一定的加工时间后(10min)，测量后面最大磨损(V_Bmax)，倒棱角-15°时最小。当规定后面磨损(V_B=0.2mm)时，刀具耐用度在倒棱角-15°时最长。经有限元(FEM)分析，倒棱角-15°时最大主应力最小。实践和理论分析均表明，倒棱参数应仔细分析，才能设计出合适(本例中W_L=0.1mm、倒棱角-15°)的刀具来。
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V_B，就能加工出符合要求的表面质量来。

4 小结