（机械制造及其自动化专业论文）gcr15轧辊硬态数控车削技术的研究与应用.pdf

摘要 c - c r l 5 淬火钢广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的轧辊零件，这类零 件通常采用磨削工艺进行精加工。随着制造技术的发展，特别是刀具材料和切削 工艺的发展，采用陶瓷和p c b n 刀具进行硬态数控车削是一种环境效益和经济效益 俱佳的工艺选择。本文以g c r l 5 淬火钢焊接管轧辊为车削对象，采用陶瓷和p c b n 刀具在数控车床上进行了系统实验研究，分析了g c r l 5 轧辊硬态数控车削时对机 床、冷却润滑和工艺系统的要求，探讨了o c r l 5 轧辊硬态数控车削的加工路线、刀 具的合理选用、工装设计、切削参数对轧辊表面质量的影响和加工编程等。研究 结果表明： g c r l s s l 辊硬车削时机床和工艺系统都应具有良好的刚性。高刚度可以使硬车 削更加平稳、加工质量更好以及提高刀具寿命。对轧辊硬态数控车削的另一个重 要标志就是要保证连续加工的稳定性，在断续车削中最好是干车削。 在轧辊孔型数控车削时，p c b n 刀具主要用于精加工，陶瓷刀具可用于租加工， 也可用于用于精加工。背吃刀量是影响颤振的一个重要因素，在粗加工轧辊孔型 时，阶梯状走刀路线对抑制颤振是一个非常好的方法，且显著提高生产率。而在 精加工轧辊孔型时，沿轮廓方向走刀路线虽然生产率低，但基本上不会产生颤振 现象，而且加工表面质量高。进给量对表面粗糙度值的影响最大，切削速度次之， 背吃刀量影响最小。 g c r l 5 $ i , 辊的加工可以采用自动编程，也可以采用手工编程。自动编程方便， 粗车时采用阶梯状走刀路线，精车工时沿轮廓方向走刀，加工时间短，但程序较 长不便于检查。手工编程时粗车、精车一般都采用轮廓方向走刀路线，加工时间 较长，而且数值计算麻烦、易出错，但精加工后表面精度较高，刀具受冲击的次 数少。因此从刀具的寿命和加工精度来看，轧辊硬态数控车削时手工编程较好； 从效率和编程方便来说，自动编程较好。 关键词：硬态数控车削；陶瓷刀具；p c b n 刀具：g c r l 5 淬火钢；轧辊 a b s t r a c t g c r l 5h a r d e n e ds t e e li sw i d e l yu s e dt of a b r i c m ev a r i o u sc o m p o n e n t so fr o l l e ro f 1 l i g hh a r d n e s sa n dh i g hr e s i s t a n c et ow e a rw h i c ha 地u s u a l l yf i r f i s h e dm a c h i n i n gb y g r i n d i n gp r o c e s s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yo fc u t t e r m a t e r i a la n dm a c h i n i n gp r o c e s s , t ou s ec e r a m i co rp c b nc u t t i n gt o o lt on u m e r i c a l c o n t r o lh a r d - c u ti sag o o dp r o c e s so f b o t he n v i r o n m e n t a lb e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f i t 。 i nt h i st e x t ，g c r l 5h a r d e n e ds t e e lw e l d i n gp i p er o l l e rw a ss e l e c t e da st u r n i n go b j e c tt o s y s t e m a t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l ym s e a r c ho nn u m e r i c a lc o n t r o ll a t h eu s i n gc e r a m i co r p c b nc u t t i n gt o o l ，r e q u i r e m e n to fg c r l 5h a r d e n e ds t e e lr o l l e ro nm a c h i n e ，c o o l i n g , l u b r i c a t i n ga n dp r o c e s ss y s t e mw h e nn u m e r i c a lc o n t r o lh a r d - c u tw a sa n a l y z e d , a n d p r o c e s s i n gc o u r s eo fg c r l 5h a r d e n e ds t e e lr o l l e rw h e nn u m e r i c a lc o n t r o lh a r d - c u t r e a s o n a b l ys e l e c t i o no fc u t t e r , t h ed e s i g no ft h et o n g s ，e f f e c to fc u r i n gp a r a m e t e ro n r o l l e rs l l r f a c eq u a l i t ya n d p r o c e s sp r o g r a mw e r e d i s c u s s e d r e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s w h e ng c r l 5h a r d e n e ds t e e lr o l l e rw a sh a r d - c u t , l a t h ea n dp r o c e s ss y s t e ms h o u l d h a v ef a v o r a b l er i g i d i t y h i 曲r i g i d i t yc a nm a k eh a r d - ， u t t i n gm o r es t a b l e , p r o c e s sq u a l i t y b e t t e r , a n dc a ni m p r o v ec u t t e rl i f e a n o t h e ri m p o r t a n ts i g no fr o l l e rn u m e r i c a lc o n t r o l h a r d - c u ti st oe n s u r es e r i e s m a c h i n i n g s t a b l e w h i l e d u r i n g t h ec o u i o f m a k e - a n d - b r e a kc u t t i n g , d r y - c u t t i n gs h o u l db es e l e c t e d w h e nr o l l e rg r o o v ew a sn u m e r i c a lc o n u o lh a r d c u t , p c b nc u t t i n gt o o lw a s m a i n l y u s e dt of i n i s hm a c h i n i n g , c e r a m i ct o o lw a su s e dt ob o t hr o u g hm a c h i n i n ga n df i r f i s h m a c h i n i n g b a c k i n gb i t ei sa ni m p o r t a n tf a c t o rt oa f f e c tb u f f c = t i n g w h e nr o l l e rg r o o v e w a sr o u g h l ym a c h i n e d ，l a d d e rs h a p ef e e dc o u r s ei sa9 0 0 dm e t h o do fr e s t r a i n i n g b u f f e t i n g , a n dc a nn o t a b l yi m p r o v ep r o d u c t i v i t y w h i l er o l l e rg r o o v ew a sf i n i s h e d m a c h i n e d ，f e e dc o u r s ea l o n go u t l i n er e d u c e sp r o d u c t i v i t y , b u td o e s n tp r o d u c eb u f f e t i n g , a n di m p r o v e sm a c h i n i n gs u r f a c eq u a l i t y t h ee f f e c to fa m o u n to ff e e do ns u r f a c e r o u g h n e s si sm o s t ，t h a to f c u t t i n gr a p i d i t yt a k e ss e c o n dp l a c e , a n dt h a to f b a c k i n gb i t ei s l e a s t g c r l 5h a r d e n e ds t e e lr o l l e rc a nb em a c h i n e db ya u t o m a t i cp r o g r a m ，a l s ob y m a n u a lp r o g r a m a u t o m a t i cp r o g r a mi sc o n v e n i e n t w h e nr o u g h l ym a c h i n e d ，l a d d e r s h a p ef e e dc x ) o r g ei su s e d , w h i l ef i n i s h e dm a c h i n e d 。f e e dc o u r s ea l o n go u t l i n ei su s e d , m a c h i n i n gt i m ei ss h o r t ，b u tp r o g r a mi sl o n ga n dn o te a s yt oe x a m i n e w h e nm a n u a l p r o g r a m i su s e d , w h i l er o u g h l ya n df i n i s h i ym a c h i n e d ，f e e dc , o o l g ea l o n go u t l i n ei su s e d , m a c h i n i n gt i m ei sl o n g ，a n dn u m e r i c a lv a l u ec a l c u l a t i o ni sb o t h e r i n ga n de a s yt om a k e m i s t a k e s ，b u t $ 1 h 。f a c ep r e c i s i o na f t e rf i n i s hm a c h i n i n gi sh i g h , a n dc u t t e ri m p a c ti sl i t t l e t h u sa c c o r d i n gt ot h ec u t t e rl i f ea n dm a c h i n i n gp r e c i s i o n , m a n u a lp r o g r a mi sg o o d w h e nr o l l e ri sn u m e r i c a lc o n t r o lh a r d - c u t ；w h i l ea c c o r d i n gt ot h ee f f i c i e n c ya n d c o n v e n i e n c e , a u t o m a t i cp r o g r a mi sg o o d k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lh a r d - c u t ；c e r a m i cc u t t i n gt o o l ；p c b nc u i n gt o o l ； g c r l 5h a r d e n e ds t e e l ；r o l l e r i x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乓立圆睦 日期：2 翌2 ：y 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 做储虢缝导师龆砸翌日期：盟 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 由于现代科学技术的发展，各种高强度、高硬度的工程材料越来越多地被采 用，传统的车削技术难以胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工， 随着硬加工刀具和数控机床的发展，硬态数控车削技术使之成为可能，并在生产 中取得明显效益。然而，目前硬态数控车削加工技术仍然未完全被企业所广泛采 用，其主要原因不仅由于企业对硬态数控车削的基本知识、国内外研究与发展现 状、硬态数控车削的应用技术未完全理解和掌握，同时也因为硬态数控车削工艺 中一些不稳定的因素制约了它的推广应用【。本文通过综合国内外大量文献，对硬 态数控车削的基本知识、国内外研究与发展现状进行了较详细的论述，以c - c r l 5 淬火钢焊接管轧辊为车削对象，采用陶瓷和p c b n 刀具在数控车床上进行了系统实 验研究，分析了g c r l 5 $ , 辊硬态数控车削时对机床、冷却润滑和工艺系统的要求， 探讨了c _ , - c r l 5 车1 , 辊硬态数控车削刀具、加工路线、对刀和工装，以及数控编程和切 削参数对轧辊表面质量的影响等，以期促进硬态数控车削工艺的推广应用，特别 是在g c r l 5 车i , 辊硬态数控车削中的应用。 1 1 硬态数控车削技术的国内外研究现状 通常所说的硬态数控车削是指在数控车床上采用超硬刀具对硬度大于5 0h r c 的淬硬钢进行精密车削的加工工艺，是指把淬硬钢的车削作为最终加工或精加工 的工艺方法。与磨削相比，硬态数控车削具有良好的加工柔性、经济性和环保性 能等。 硬态干式切削的优越性已被世界各国认同，进入2 0 世纪9 0 年代后国外对硬态 干式切削机理与技术的研究进入了一个新的阶段，1 9 9 4 年e c u - m i o n 独立资助，由 阿亨工业大学的w z l 、戴姆拉彭兹、蒲吉沃等组成联合课题，开展硬态切削研究， 计划4 年完成f 1 1 。1 9 9 6 年，“有利于环保的硬态干式加工方法”作为德国政府的国家 级项目，正式制定了1 + 3 年的研究计划【3 1 。日本已开发出适合于硬态干式切削的数 控机床1 3 1 。 山东大学硕士学位论文 1 9 5 7 年，美国通用电气( g e ) 公司在高温高压条件下首先合成了立方氮化硼 ( c b n ) 单晶，由于其具有较高的硬度、高化学惰性及高温下的热稳定性，因此， c b n 砂轮广泛用于磨削加工中。尤其具有上述优于其它刀具材料的特性，因此人 们一开始就试图将其应用于切削加工，但单晶c b n 的颗粒较小，很难制成刀具， 且c b n 烧结性很差，难于制成较大的c b n 烧结体，因此直n 7 0 年代才由前苏联、 中国、美国、英国等国家相继研制成功作为切削刀具的p c b n 烧结体及c b n 硬质 合金复合聚晶的p c b n 复合片。从此，p c b n 以它优越的切削性能应用于切削加工 的各个领域，尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加- r 中更是独树一帜。经过 二十多年的开发应用，已出现了加工不同材料的p c b n 刀具材质。 我国对硬态干式切削技术的研究工作进展顺利，清华大学、山东大学、成都 工具研究所等单位对一些先进刀具材料如陶瓷、p c b 嘲疰行了研究，并取得了大量 的成果，这些都为硬态干式切削技术的研究与应用提供了技术基础。 硬态干式切削与高速、精密数控加工的结合使其在2 1 世纪的生产工程领域里 将占一席之地，随着环境保护的意识越来越深入人心，以及产品的高精度和柔性 化。硬态数控车削技术必将在未来将逐步受到法律的保护，传统的金属切削加工 将受到一些法律法规的制约f 4 l 。而且由于硬质合金刀具不能满足现代高硬度工件材 料和超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相继出现。2 0 世纪中期出现了氧化 铝及氧化铝基复合陶瓷，稍后又出现了氮化硅及氮化硅基复合陶瓷。2 0 世纪中后 期，人类又制造出人造立方氮化硼和人造金刚石两种超硬刀具材料，它们的硬度 大幅度地高于硬质合金与陶瓷。但由于其韧性和可加工性的不足，以及价格等原 因，陶瓷、氮化硼及金刚石等刀具材料的应用尚未得到更大范围的应用【3 1 。 中国在陶瓷刀具的研究与开发具有优势，早在2 0 世纪5 0 年代就已在生产中 使用，至今中国从事陶瓷刀具的科研和生产企业已有3 0 多家，能够生产2 0 多个 品种的氧化铝基陶瓷( 占总量的2 3 ) ，1 0 多个品种的氮化硅基陶瓷( 占1 3 ) ，带孔和 不带孔刀片的生产能力也很强。其中，清华紫光方大陶瓷，山东工业大学、北京 天龙、重庆渝伦、重庆利特高等高技术陶瓷有限公司及湖南长沙工程陶瓷公司生 产的刀片，其性能已与国外同类产品相当，有些甚至更优，而且有些品种是国外 没有的，如陶瓷与硬质合金的复合刀片、梯度功能陶瓷刀片、纳米金属陶瓷刀片 2 山东大学硕士学位论文 等【2 l 。目前，陶瓷刀具已在中国的机械、冶金、矿山、汽车、拖拉机、轴承、水泵、 精密仪器、航空航天等2 0 多个行业的几百家工厂推广应用，取得了显着的经济效 益。例如一汽、二汽和石家庄水泵厂等单位都用陶瓷刀具切削难加工材料，对提 高工效和保证产品质量起着重要作用。 到目前为止，用作陶瓷刀具的材料已形成氧化铝陶瓷、氧化铝一金属系陶瓷、 氧化铝碳化物陶瓷、氧化铝碳化物金属陶瓷、氧化铝氮化物金属陶瓷及最 新研究成功的氮化硼陶瓷刀具。就世界范围来讲，德国陶瓷刀具已不仅用于普通 机床，且已将其作为一种高效、稳定可靠的刀具用于数控机床加工及自动化生产 线；日本陶瓷刀具在产品种类、产量及质量上均具国际先进水平；美国在氧化物 碳化物氮化物陶瓷刀具研制开发方面一直占世界领先地位。中国陶瓷刀具开 发应用也取得许多重大成果。可以预料，随着高速切削、干式切削和硬切削应用 的增多，今后必将促进陶瓷刀具的发展与使用。 1 2 硬态数控车削所用刀具的种类及特点 涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比，虽然在强度、硬度和耐磨性方面均 有了很大的提高。对于硬度在4 5 5 5h r c 之间的工件的车削，低成本的涂层硬质 合金可实现高速车削。但是对于硬度在5 5 6 5h r c 淬火g c r l 5 轧辊主要应用陶 瓷刀具和p c b n 刀具。 1 2 1 陶瓷刀具 陶瓷是近2 0 年来发展速度快，应用日趋广泛的刀具材料之一。随着其组成结 构和压制工艺的不断改进，特别是纳米技术使得陶瓷刀具的增韧成为可能，在不 久的将来，陶瓷可能继高速钢、硬质合金以后引起切削加工的第三次革命f 2 8 】。陶 瓷刀具具有高硬度( 9 1 9 5h r a ) 、高强度( 抗弯强度为7 5 0 1 0 0 0m p a ) 【3 1 1 、耐磨性 好、化学稳定性好、良好的抗粘结性能、摩擦系数低且价格低廉等优点。不仅如 此，陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1 2 0 0o c 时硬度达到8 0i - i r a 。使用正常时， 陶瓷刀具耐用度极高，车速可比硬质合金提高2 5 倍，特别适合高硬度材料加工、 精加工以及高速加工，加工硬度可达6 5h r c 的各类淬硬钢和硬化铸铁等。常用的 有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。氧化铝基陶瓷刀具 山东大学硕士学位论文 比硬质合金有更高的红硬性，高速切削状态下切削刃一般不会产生塑性变形，但 它的强度和韧性很底，为改善其韧性，提高耐冲击性能，通常一方面可加入氧化 锆或t i c 和t i n 的混合物，另一种方法是加入结晶纹理或碳化硅晶须。氮化硅基 陶瓷除红硬性高以外，还具有良好的韧性，与氧化铝基陶瓷相比，它的缺点是在 加工钢时易产生高温扩散，加剧刀具磨损，氮化硅基陶瓷主要应用于断续车削灰 铸铁及铣削灰铸铁。金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料，其中t i c 为主要的硬 质相( o 5 2 呻1 ) ，它们通过c o 或t i 粘结剂结合起来，是一种与硬质合金相似 的刀具，但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性。它比常规硬质 合金能承受更高的切削温度，但缺乏硬质合金的耐冲击性、重型加工时的韧性以 及低速大进给时的强度。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶 瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金 属陶瓷n x 2 5 2 5 及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品c t 系列和涂层金属 陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1p a n 以下，抗弯强度和耐磨性均远高于 普通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。具体特点如下： ( 1 ) 高硬度该种刀片的室温硬度值已超过了最好的硬质合金刀片硬度而达 到9 2 5 9 4h r a ，我们用它来加工硬度高达6 5h r c 的各类淬硬钢和无限冷硬铸铁 轧辊，免除了退火所消耗的电力，减少了换刀次数。因磨损极小，从而保证了径 向尺寸的一致性。 ( 2 ) 高强度该刀片的抗弯强度目前已达到了7 5 0 10 0 0 m p a ，其抗压强度 大于高速钢，而与普通硬质合金相当。 ( 3 ) 高的抗高温氧化性刀片的耐热性和抗高温氧化性特别好，在l1 0 0 i 2 5 0 。c 切削时，仍能保持一定的硬度和强度进行长时间切削，故可实现高速切削加 工，切削速度可比硬质合金提高3 8 倍【2 8 】。 ( 4 ) 良好的断裂韧性断袭韧性值是评价陶瓷刀具抗破坏能力的重要指标之 一。它与材料的组成、结构、工艺等因素有关。陶瓷刀片的断裂韧性值接近某些 牌号的硬质合金刀片，因而具有良好的抗冲击能力。尤其在进行铣、刨、镗削及 其它断续切削时，更能显示其优越性。 ( 5 ) 高抗热震性陶瓷材料的抗热震性是指其在承受急剧温度变化时，评价 4 山东大学硕士学位论文 其抗破损能力的重要指标。陶瓷刀片的抗热震性能指标t ，由于其强度高、较低 热膨胀系数而高达6 0 0 8 0 0 ，因而在高强度断续零件的毛胚加工方面，显示出 独特的优越性能。 1 2 2p c b n 刀具 c b n 的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷刀具相比， 其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬 钢( 5 0h r c 以上) 、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质 合金刀具相比，其切削速度可提高一个数量级。c b n 含量高的p c b n 刀具硬度高， 耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适 用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合p c b n 刀具中c b n 颗粒含 量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化 学惰性低的特点，适用淬硬钢的切削加工 p c b n 刀具的制造分为p c b n 复合片( p c b n 硬质合金) 制造( 高温高压烧结 体) 和把复合片进行切割、焊接、刃磨制成各种刀具。p c b n 刀具由于能耐( 12 0 0 o c 13 0 0 。c ) 的高温，而且在12 0 0 。c 以上也不与铁系金属产生化学反应，因 此，目前p c b n 刀具多用于淬硬钢、冷硬铸铁及表面热喷涂材料的切削加工，丽 加工中等硬度的材料往往体现不出较好的切削性能，如加工中、低硬度的工件时， p c b n 刀具寿命还没有硬质合金刀具寿命高。在加工5 0h r c 以上硬度工件时，刀 具才发挥出其超硬性能，如加工6 0h r c 左右硬度的工件，其寿命要高于硬质合金 刀具寿命1 0 倍以上。因此，p c b n 刀具用于加工高硬度材料才能发挥出其优越的 性能。 淬硬钢的干式切削加工时，a 1 2 0 3 陶瓷的成本低于p c b n 材料，陶瓷刀具具有 良好的热化学稳定性，但却不及p c b n 刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于6 0 h r c 以下和小进给量情况下的工件，陶瓷刀具是较好的选择。p c b n 刀具适合于工件硬 度高于6 0h r c 情况，尤其是对于自动化加工和高精度加工时更为重要。除此之外， 在相同后刀面磨损情况下，p c b n 刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相 对稳定，如图1 。1 所示【3 5 1 。 p c b n 刀具具体特点如下： 5 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 具有较高的硬度和耐磨性p c b n 的硬度虽略低于金刚石，但却远远高 于其它高硬度材料，并具有很高的耐磨性，适合于加工高硬度材料。 ( 2 ) 具有很高的热稳定性p c b n 在8 0 0 时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的 常温硬度，因i i 扫c b n 刀具可用比硬质合金刀具高3 5 倍的速度来高速切削高温合 金和淬硬钢，并保持高硬度。 ( 3 ) 具有优良的化学稳定性c b n 的化学惰性特别大，在1 2 0 0 1 3 0 0 时也 不与铁系材料发生反应，与碳在2 0 0 0 时才发生反应；在中性、还原性的气体中， 对酸碱都是稳定的；其对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多，因i 9 2 c b n 刀具特别适合加工钢铁材料。 ( 4 ) 具有较好的导热性c b n 的导热性仅次于金刚石，导热系数为1 3 0 0w ( m ) ，是紫铜的3 2 倍，是硬质合金的2 0 倍，立方氮化硼与陶瓷的导热系数的 比率为3 7 ：1 ，且随着温度的升高p c b n 导热系数是增加的，而氧化铝的导热系数是 减少的，因i i 七_ 2 c b n 刀具适合精加工。 ( 5 ) 具有较低的摩擦系数c b n 与不同材料间的摩擦系数为0 1 o 3 ，随着 切削速度的提高，摩擦系数是减小的，因此p c b n 刀具非常适合高速切削加工。 ( 6 ) p c b n 刀具切削淬硬钢时的金属软化效应p c b n 刀具的重要用途之一是 加工硬质材料，由于它的高温硬度和热稳定性，因此可以进行高速切削，切削热 使被切削层金属软化、硬度降低而易于切削加工，刀具仍然保持高硬度。p c b n 刀 具的这一特性被称为金属软化效应。产生金属软化效应的决定性因素是切削温度。 6 茁 苫 、 b - r 毯 颔 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 - 2 0 0 4 0 0 ，、 ! ln m i l 、j 。b = 2d 0 p丑 l 一, 0 l t t i c 1 il lll l、 矿彳。弘p 、 涎 矿 il l 二 、 - ：，一 iil 0o 1d zo 3 0 40 50 6q 7q 80 9 背吃刀量a , j n z m 图1 - 1 陶瓷和p c b n 刀具切削淬硬钢的残余应力【3 5 】 山东大学硕士学位论文 1 3 硬态切削机理研究的现状与发展 1 3 1 硬态切削力特征 影响硬态切削力的因素主要包括切削速度、进给量、切削深度、后刀面磨损 量和工件硬度等。国内外学者的研究表明，在不同精度等级的机床上实施硬态切 削时，切削力并不发生变化【2 l - 2 3 。巴西a b r a om e n d e s 博士【2 6 1 分别选用陶瓷刀具、 低c b n 含量和高c b n 含量的p c b n 刀具切削a i s l 5 2 1 0 0 轴承钢( 硬度6 2 腿c ) 时发现：径向切削力最大，其次是主切削力和轴向切削力；粗加工时切削力约为 精加工时的6 9 倍；切削力与进给量、切削深度和后刀面磨损量成近似线性关系； 当切削速度增大时，切削力稍有下降。德国阿亨工业大学w k 教授 2 4 1 通过用陶瓷 刀具和p c b n 刀具切削1 0 0 c r 6 淬硬轴承钢的切削力对比实验，研究了切削速度、 切削深度和进给量对切削力的影响趋势。研究表明：主切削力和轴向力的变化与 背吃刀量呈线性增长趋势，而径向力增长缓慢；不同的进给量对切削力的变化影 响趋势一致，轴向力的增长速率稍低于主切削力和径向力，而当进给量很小时， 会出现径向力大于主切削力的现象。日本中山一雄教授瞵】认为，提高切剀速度使 切削力有所下降的主要原因是切削温度升高使工件塑性增强( 即金属的硬度因切削 温度的作用而降低) 。不过这种性质的变化仅限于一定的切削速度范围，当切削速 度超过2 0 0m m i n 时，切削力并不沿下降通道变化。这与w k 教授的研究结果一 致。中山一雄教授认为，尽管淬硬材料的硬度较高，但切削力较小，其原因一是 由于断裂的产生使塑性变形十分小，二是因为刀一屑接触面积小，使摩擦力减小。 哈尔滨理工大学刘献礼教授【4 2 j 采用正交试验对切削力的各影响因素进行设计，得 出了切削速度、切削深度、进给量和工件硬度对应切削力的三维曲面，在试验条 件下得出了主切削力变化规律基本符合传统金属切削理论的结论。英国伯明翰大 学e g n g 博士【2 2 】对p c b n 刀具切削a i s ih 1 3 淬硬钢时的切削温度和切削力进行 了有限仿真求解，其最大误差达2 5 ，精度分散性大，同时有限元计算量也很大。 张弘教授【2 8 】运用挤压和轧制理论，根据能量原理对倒棱刀具的切削机理进行了深 入阐述，提出了倒棱刀具的三区模型( 第一变形区、金属死区、第二变形区) ，并能 对剪切角和切削力进行预报和仿真；根据金相分析和快速落刀装置，发现金属死 7 山东大学硕士学位论文 区的存在并不依赖于切削速度、前角和倒棱角度：在同样的切削条件下，倒棱刀 具的剪切角小于单尖刀具剪切角约2 0 3 0 。台湾学者k f u h l 2 9 】利用最小能量原理7 修正了臼井英治的切削模型，依据切削面积和考虑后刀面作用力，对切削力进行 仿真，其综合精度较高。由于引入的经验系数较多，对于不同的刀具和工件材料 这些系数往往是变化的，因此其实用性受到一定限制。 1 3 2 硬态切削的切屑形态 金属切削过程研究的重点和核心是切屑的形成过程。硬态切削过程一般产生 锯齿形切屑。kf k o c h 和p f a l l b o e h m e r 博士【2 1 】认为，硬态切削的切屑形态受切屑 厚度的影响最大，当切屑厚度小于2 0t u n 时易产生带状切屑，否则生成锯齿形切屑。 形成锯齿形切屑的原因主要是刀具前刀面附近的工件材料受到挤压而堆积在前刀 面上，刀具继续向前切削致使切屑材料发生突然断裂。关于锯齿形切屑形成机理 有很多著名的论断。1 9 6 4 年r e c h t 3 1 提出了切削加工时突变剪切失稳的经典模型， 当名义应力一真实应变曲线斜率为零时，即温度变化的局部速率对强度的负面影 响等于或大于强度所产生的应变硬化的正面影响时，材料内部的塑性变形区便产 生突变剪断。美国俄克拉荷马州立大学的h o uz h e n - b i n 等【3 6 】提出了锯齿形切屑形成 过程中的热力学模型，他们的实验表明，切削速度和进给量在剪切发生失稳中起 着重要作用。s a m i a t i n 和r a b 发现当正常的流动软化率对应变速率敏感值之比等于 或大于5 时，金属切削过程的非均匀流动立刻发生。热塑过程的不稳定性( 应变硬化 与热软化) 导致剪断区产生，即使没有热软化效应，其它机理也可使剪切带抗剪强 度明显减小。例如当剪切带产生微裂纹时，使承受应力的实际面积减小，w a l k e r 和s h a w 认为这是机加工中切屑断裂的一种可能机理。最近s t m w 和v ) 髑【3 7 】对较低切 速下加工a i s i4 3 4 0 钢和低速加工钛合金产生节状切屑的研究更清楚地证实了上述 概念。由于此时的切削速度很低，剪切面产生的热可向任意侧面扩散，热软化相 当困难，因此可解释为由于微裂纹的存在使实际剪断强度降低。剪断失稳的其它 机理包括材料组织转变，如在某些钢中马氏体向奥氏体的逆转变。中山一雄对淬 硬钢硬态车削时锯齿形切屑形成机理的观点是：切屑形成起源于自由表面上剪应变 值最大处，邻近自由表面的变形假设为纯剪切作用的结果，剪切断裂与自由表面 夹角为4 5 。s i l l 用解析法获得应变能密度”因子s ，并在平面应变条件下模拟了锯 8 山东大学硕士学位论文 齿形切屑的生成机理，提出硬态切削淬硬钢时锯齿形切屑形成的新模型，给出了 负载角矿与断裂角e o 之间的关系式大连理工大学王敏杰、胡荣生教授1 3 8 】的研究 表明，锯齿形切屑主要是因为高速切削产生的热塑剪切失稳所致。热塑剪切失稳 是广泛存在于许多动态塑性变形过程中的一种材料破坏现象，其先决条件是变形 材料的局部温升引起的热软化效应足以抵消材料的变形强化效应。金属切削过程 中的热塑剪切失稳是指发生在第一变形区的强烈局部剪切集中，其结果导致不对 称的锯齿形切屑，它与普通金属材料在低速下形成的挤裂切屑不同，特征是切屑 的各锯齿之间以变形很大的热塑剪切带相隔。采用金属陶瓷刀片 s n m g l 2 0 4 1 2 n 2 u g ( 牌号z k 0 1 ) 切肖, g c r l 5 轴承钢的试验结果表明：当背吃刀量为 0 5 4m n 、进给量为0 0 7 o 4 3m m r 、切削速度为1 3 0 1 6 0n g m i n 时，开始产生 热塑剪切失稳。 1 3 3 硬态切削的已加工表面完整性 切削加工过程中切削熟的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工 表面造成一定程度的破坏。用硬态切削取代磨削加工的关键是如何获得理想的加 工表面粗糙度、形状精度和加工表面状态，而提高硬态切削的加工精度和硬态切 削工件的性能是一个需要长期深入研究的课题。硬态切削已加工表面的完整性主 要包括以下内容：表层组织形态及其硬度、表面粗糙度、尺寸精度、残余应力的分 布和白层的产生。美国普渡大学c r l i u 教授口8 】早在1 9 7 6 年便发表了切屑形成过程 对已加工表面亚表层力学状态的论文，主要分析了尖刃刀具和磨损刀具对残余应 力的影响。最近c & “u 还通过实验论证了超精密硬态切削淬硬轴承钢的可行性和 切削条件，并在超精密硬态切削加工表面的残余应力模型、模拟和优化研究方面 做了大量工作口德国p i , e s k o v a r 【3 1 】的研究工作表明：已加工表面微观硬度受进给 量和后刀面磨损量的影响较大，进给量越小，磨损量越大，表面硬度越高。刘献 礼教授3 7 1 的正交硬态切削试验结果表明：切削速度、进给量和切削深度对表面硬 度的影响都具有单一变化规律，即已加工表面硬度随切削速度的提高而增加，随 进给量和切深的增大而降低，而且已加工表面硬度越高，硬化层深度越大。通过 对试件的基体组织和表层组织的扫描电镜照片进行对比分析，认为硬态切削过程 9 山东大学硕士学位论文 中已加工表面硬度虽有所提高，产生一定的硬化深度，但对表面表层的金相组织 并无破坏。伯明翰大学d ka s p i n w s l l 教授p 9 】在高刚性数控车床上采用陶瓷和 p c b n 刀具切削淬硬a i s i e 5 2 1 0 0 轴承钢时发现：工件表层和亚表层的组织状态发生 变化，其微观组织由白色的未回火层和黑色的过回火层组成。实验结果显示硬态 切削后工件表面均为残余压应力，而磨削后工件的最大压应力主要集中在工件表 面。残余应力与材料的成分、组织和缺陷一样，对工件的机械性能有很大影响， 多数情况下必须控制残余应力的大小及其分布规律。硬态切削过程中残余应力的 产生被认为与切削热的形成及热源的移动速度、切削刃的几何形状、工件材料以 及刀具磨损等关系密切。国外不少学者试图通过仿真切削热的生成与移动来计算 残余应力，但切削热形成的复杂性和残余应力测量误差等原因导致仿真误差较大 最近，加拿大k u r tj a e o b u s 运用平面应变粘弹塑性理论、美国普渡大学s m i t t a l e 3 研 运用多项式拟合原理预测切削参数对残余应力分布的影响，其不足之处是都需要 进行大量的标定实验来估计系数。j d t h i e l e 等研究了精密硬态切削过程中切削刃 几何形状和工件硬度对工件表面残余应力的影响，实验中分别选用尖刃、倒棱， 钝圆三种刃部的p c b n 刀具。测试结果显示：刀具钝圆半径越大，残余压应力值越 大；工件硬度越高，残余压应力值越大。y m a t s u m o - t o 和d w w u 2 6 也认为工件 硬度对工件表面完整性的影响极大，工件硬度值越大，越有利于残余压应力的形 成。y m a t s u m o t o 还认为，刀具几何形状也影响残余应力的形成，双倒棱和大钝圆 刀具所形成的残余压应力远远优于单一倒棱和尖刃刀具，但切削参数( 切深和进给 量) 对残余应力没有显著影响。影响硬态切削已加工表面质量的另一个重要因素是 白层的形成。白层是伴随着硬态切削过程所形成的一种组织形态，它具有独特的 磨损特性：一方面硬度高，耐蚀性好；另一方面又表现出较高脆性，易引起早期剥 落失效。白层尺寸较薄，难于准确分析其组织特征，它的形成机理至今仍有争议。 一种观点认为白层是相变的结果，是由材料在切削过程中被快速加热和骤然冷却 而形成的晶粒细小的细晶马氏体组成。另一种观点认为白层的形成仅属于变形机一 制，只是由塑性变形而得到的非常规型马氏体。目前将白层视为马氏体组织的观 点得到一致认可，主要争议在于白层的精细结构。y k c h o u 和c j e v a n s 2 1 l 认为 硬态切削过程中自层的形成与切削热有关，后刀面磨损量的增加将导致白层深度 1 0 山东大学硕士学位论文 加大，在v b 达到0 1 3m m 时白层深度高达1 0 岬。b j g r i f - f i t h s 3 1 l 认为切削过程中 产生白层现象的原因是高速滑动磨损，白层的组织形态是超细晶粒结构的奥氏体 和马氏体的混合组织，并与刀具磨损密切相关。因此，需要进一步深入研究白层 的形成机理及其对零件寿命的影响。 1 4g c r l 5 轧辊硬态数控车削的临界硬度 在干式切削条件下，通过系统改变切削用量( 切削速度、进给量和背吃刀量) 和被加工材料硬度，进行切削力、切削温度、已加工表面硬度和已加工表面表层 硬化层深度等试验研究，找出被加工材料硬度对上述各量的影响规律。刘献礼等 3 s 】 通过试验研究的方法确定p c b n 刀具干式硬态切削g c r l 5 时的临界硬度。在试验切 削用量范围内，见表1 1 。主切削力的变化规律基本符合金属切削理论，仅是在工 件硬度高于5 0h r c 以后，被加工材料处于高硬度状态；主切削力增加的比率稍大i 一些。切削速度、进给量及背吃刀量与工件材料硬度变化时的切削温度变化白面 都呈现出以工件材料硬度为5 0h r c 分界的特点，即切削温度随着工件材料硬度的 增加而增加。当工件硬度高于5 0h r c 之后切削温度随着工件材料的硬度增高而呈 下降趋势即硬度为5 0h r c 的工件材料切削温度最高。当工件硬度低于5 0h r c 时， 切削温度的变化规律符合一般的金属切削理论，而当工件硬度高于5 0h r c 时，切 削温度的变化规律不符合一般的金属切削理论，这就是硬态切削的特殊切削规律。 工件材料硬度在5 0h r c 左右时表面粗糙度最差，当工件硬度大于5 0h r c 以后，随 着硬度的增加，表面粗糙度数值呈下降趋势；由可以看出，已加工表面硬化层深 度随着工件材料硬度的增加而增加，当工件硬度达到5 0h r c 之后，已加工表面硬 化层深度达到最大，之后随着工件硬度的增加，硬化层深度基本不变。 表1 1 切削用量取值【3 8 1 切削速度” 进给量， g 吃t j t a ， 切削用量 m m l n i r u l l ，r n l m 取值 7 5l l o1 6 02 0 00 0 8o 1 5o 2 4o 1 00 2 5o 5 00 8 0 被加工材料硬度与切屑形态的关系：当工件硬度变化时，切屑的形态也是变 山东大学硕士学位论文 化的，当工件硬度低于5 0h r c 时，产生带状切屑，当工件达到5 0 瑚5 坨之后；切 屑形态便转变为锯齿形切削。锯齿性切屑形成时，由于分割锯齿的剪断面具有隔 热作用，造成大量热量被切屑带走，而使切削温度降低。因此，工件硬度高于5 0 屺 以后，切削温度呈下降趋势。 切屑硬度的变化也是以5 0h r c 为界限的，切削不同硬度g c r l 5 时工件材料 硬度与相应的切屑硬度对比如图l - 2 所示【3 s l 。由图l - 2 可以看出，低于5 0h r c 硬 度的工件材料其相应的切屑都提高了硬度，即切削热将切屑淬硬；高于5 0 卸5 屺硬 度