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硬态切削已加工表面完整性分析


第31卷第5期 2009年10月

三峡大学学报(自然科学版)
J of China Three Gorges Univ.(Natural Sciences)

V01.31 No.5 oct.2009

硬态切削已加工表面完整性分析
肖 露1 文东辉2
310014)

>(1.三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌443002;2.浙江工业大学机械工程学院,杭州

摘要:从表面粗糙度、白层、残余应力、侧向塑性流动等方面对精密硬态切削已加工表面完整性的 影响因素进行了分析,结果表明,切削用量和刀具磨损量对已加工表面完整性起着重要作用.
关键词:PCBN刀具; 中图分类号:TG501 硬态切削; 表面完整性 文章编号:1672~948X(2009)05—0057-03

文献标识码:A

Analysis of Integrity for Hard Cutting
Xiao Lul

on

Processed Surface

Wen

Donghui2

(1.College of Mechanical&Material Engineering,China Three Gorges Univ.,Yiehang 443002,China; 2.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Abstract

Influential factors for integrity of precise hard cutting

on

processed surface have been analysed from
SO

the aspects of surface roughness,white layer,residual stress,lateral plastic flow and that the cutting parameter and tool wear condition play Keywords PCBN tool;hard cutting;
an

on.The results show

important role in integrity of processed surface.

surface integrity

硬态切削技术是指把淬硬钢的切削加工直接作 为半精加工或精加工的工艺方法,能代替粗磨和半精 磨工序,从而有效地减少淬硬钢的精磨工序.与磨削 相比,硬态切削具有很好的加工柔性、经济性和环保 性.因此当今的机械加工越来越广泛地应用硬态切削 来替代磨削,在一定条件下,硬态切削已成为替代磨 削的首选工艺.但其加工的稳定性和表面完整性问题 还没有较好地解决.文章在实验基础上对硬态切削所 获得的表面完整性进行了分析. 硬车表面粗糙度取决于切削刃的几何角度和形 状、工件与刀具的相对运动等因素.图1为刀具主偏 角90。时切削用量对粗糙度Ra的影响. 从图1(a)中可以看出,增大进给量会导致Ra也 随之增大,这种现象符合金属切削理论.然而在精密 硬车中,进给量过低并不能产生良好的加工表面粗糙 度,这是由于硬车中只有刀尖在承担切削任务,倘若


2表面粗糙度

实验条件
实验选用BZN8200 PCBN刀具在GICC一8型

进给量小到一定程度,刀尖圆弧就不处于正常的切 削,而是在工件表面“爬行”.图1(b)表明低速切削对 PCBN刀具的使用也是不利的,粗糙度较差.淬硬钢 的切削中提高切削速度能够提高剪切变形区的切削 温度并促使刃前区的温度进一步升高,使被切除材料 受高温作用而得到充分的软化,使淬硬钢由马氏体和 奥氏体转化成奥氏体,此时可获得最低的表面粗糙

数控车床上车削GCrl5轴承钢(HRC62±2),刀片经 过倒棱和钝化处理.实验采用的基准切削用量为:切 削速度120 m/min,单边切削深度0.15 mm,进给量
0.12 mm/r.

收稿日期:2009—07—02

基金项目:i峡大学青年基金资助项目(ZJX200602) 通讯作者:肖露(1977一),女。讲师,硕士,主要研究方向为先进制造技术研究.E—mail:xiaolux@163.corn

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度.由于GCrl5轴承钢奥氏体化温度为840℃,温度 过高时转化速度变化并不大,而温度过高对白层、金 属材料塑性侧向流动和刀具寿命有不利的影响[1].图 1(c)中切削深度对表面粗糙度的作用形式与软态切 削有相似之处,在合理的切削速度条件下,表面粗糙 度随切削深度的增大缓慢增长.同时,刀具倒棱宽度 越大,对金属的挤压越强,材料变形和塑性侧流会导 致粗糙度增大.


征,在紧挨着白层的下方出现一定厚度的超细化层, 用扫描电镜对白层和超细化层进行放大观察,已观察 不出原始组织的存在.白层的厚度和形态随刀具后刀 面磨损量VB的变化而有所差异,VB一0 1.tm时也存 在白层,如图2(a),此时白层比较规则和均匀.而VB
一100/zm状态下的白层厚度有所增加,且白层熔附 在已加工表而上,其分布也不均匀.

i 飞 起



掇 靼




(a)VB20 tim的自层

(b)VB2100/zm的自层

(a)进给量对表面粗糙度的影响


图2光学显微镜下的白层

i 飞 配 {赵

光学显微镜下的自层沿径向分为3个区域:白亮 区、深灰区、浅灰区,即白层、过渡层和基体,在高倍显 微镜下的组织结构如图3所示Llj.从SEM观察到的 白层结构可见,白层的外部是比较松散的,硬度测试
切削速度v/(m?rain。。) (b)切削速度对表面粗糙度的影响
g i

撂 羁
l甚



一般为HV548

612.未磨损时白层的厚度为2~5

/zm,而VB=100/zm时白层的厚度,再加上回火层的 厚度总共可达到30 btm左右,因此在硬车过程中预 测和控制后刀面的磨损对控制生产质量是有直接意
义的.

飞 《

趟 犍 囊 旧 僻

切削深度口/mm (c)切削深度对表面粗糙度的影响 图1切削用量对表面粗糙度的影响







(a)光学显微镜F的自层 网3

(b)SEM F的自层

白层在高倍SEM的组织形态

白层是硬态切削的一种特有现象,它存在于已加 工表面或亚表面下、经金相试剂浸蚀后在光学显微镜 下无特征形貌并呈白色的硬层.白层具有两个特征: (1)比基体硬度高;(2)无特征组织形貌.白层一般很 硬、很脆并且很薄(一般几ptm至几十/.tm),大多数情 况是非连续性的,因而在表面时易形成剥落、增加磨 损,在亚表面内部的自层还可能有裂纹并易形成裂纹 源,使零件断裂失效,而且纹孔开裂往往也与白层有 关,大大降低结构件的疲劳极限.国内研究表明,白层 的形成主要与刀具材料热特性、切削用量和刀具磨损 量直接相关,其中最主要的因素是刀具磨损量,一般 认为,白层的厚度随刀具的磨损呈线性增加心].切削 用量中切削深度和切削速度对白层的影响较大. 如图2所示,白层位于试样最表层且具有光亮特

白层对后续的磨损行为有两方面的作用:其一是 白层的高硬度可提高抗磨能力;其二是由于其脆性很 大易形成裂纹,可以导致材料大块剥落或成为疲劳 源.一般来说在磨粒磨损过程中,较薄的白层表面尖 峰易被磨掉,使表面更易划伤;相反较厚的白层在几 百米的跑合距离内表现出较好的抗磨能力,表面划伤 也少,且白层厚度越大抗磨能力越好.白层的利与弊 需要综合考虑诸多因素,对后续的磨损行为的作用还 有待进一步深入研究.



残余应力
已加工表面残余应力状态直接影响表面的使用

性能.实验表明,硬态切削在零件表面层以下会产生

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残余应力.加工后的工件表面残余应力与切削速度、 进给量以及刀具后刀面磨损量密切相关.切削用量对 残余应力的影响如图4所示.可以看出,切削速度v 对残余应力的影响非常大,这不难理解,因为切削用 量中切削速度口对切削温度和刀具磨损影响最大.进 给量对残余应力也有一定的影响.
(a)t,=60 m/mEn (b)口=180 m/mEn

图5切削速度对侧性塑流的影响


山 =

长 翅




(a)VB=50“m

(b)VB2150牡m

进给;臣f/(mm。r“)

图4切削用量对于残余应力的影响

从已有的研究看,硬态切削加工表面应力状态都 为残余压应力,最大压应力一般位于工件表面以下 20~50肚m处【2].残余压应力有助于提高表面的抗疲 劳性能.其产生的原因还有待进一步研究.
(c)VB=200 pm (d)VB一320 pm

图6

刀具磨损对侧性塑流的影响

5侧向塑性流动
影响硬态切削加工表面粗糙度的一个重要因素 是刀具刃口附近的金属材料在高温高压下经受挤压 变形,其金属层会发生一定的侧向塑性流动(简称侧 性塑流).通常认为金属材料的这种侧性塑流是经受 副切削刃的挤压造成的,受刀具几何参数、切削用量、 工件材料特性、刀具磨损等各种因素的影响.实验表
明,侧性塑流随刀尖圆弧半径和倒棱宽度的增加而增







对PCBN刀具车削GCrl5轴承钢时表面完整性 的影响因素进行了分析,得出如下结论. (1)切削用量对表面粗糙度、表面残余应力和侧 性塑流有较大的影响,其中切削速度的影响最为明
显;

(2)后刀面磨损对白层和侧性塑流的产生起重要 的作用,后刀具磨损量增加时,白层的厚度随之增大, 而材料的侧性塑流也会越来越严重; (3)硬态切削在工件表层以下会产生残余压应 力,最大压应力一般位于工件表面以下20~50肛m
友E.

大,因为刀尖圆弧半径大时,与工件材料的接触面积 大,高温下与材料的粘结作用强;而刀具倒棱宽度越 大,负前角切削时对材料的挤压作用强,耕犁作用强, 因此侧向塑流严重.切削速度对侧性塑流的影响如图
5所示,u=60 m/min时已加T表面的侧性塑流要远 远超过口=180 m/min,这与低速下获得的表面粗糙

参考文献:

度不如高速的结论一致.值得注意的是由于刀具后刀 面的磨损,很容易导致已加工表面完整性变差,如图 6【“.由于硬态切削温度过高,刀具磨损使工件与后刀 面接触区的温度迅速上升,硬度逐渐下降,因此材料 的侧性塑流受刀具后刀面磨损程度的影响更明显.从 图中可看出,当刀具后刀面磨损量VB一50弘m时, 已加工表面塑性流动现象很不明显.当刀具后刀面磨
损量VB达到200弘m和320 pm时,已加工表面材 Eli文东辉.PCBN刀具硬态切削机理及技术[D].大连:大
连理工大学,2002.

[2]岳彩旭.刘献礼,王字等.硬态切削与磨削工艺的表面 完整性[J].工具技术,2008,42(7):13-18. [3]文东辉,郑 力,刘献礼等.精密硬态切削过程金属软化

效应与表面塑性侧流的研究EJ].金刚石与磨料磨具工 程,2003,136(4):9-12.

料的侧向坦流十分严重,残留物固连在已加工表面 I-.严重影响已加工表面的粗糙度和机械性能.

[责任编辑张莉]

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