用CNC工具磨床进行刀具重磨探讨_机床_中国百科网
用CNC工具磨床进行刀具重磨探讨
    
近年来，随着机械零件和模具的高精度化迅速发展，高速高精度CNC机床日益普及，可高效率地生产高精度零件和模具。从切削刀具方面来看，工具厂家在材质和刃形上作了许多改进，已开发出许多高精度、长寿命的刀具产品，正在被生产企业广为采用。但市场上销售的诸多刀具在磨损之后，往往都是采用传统的工具磨床进行重磨。目前，市场上的通用工具磨床受开发初期设计水平和当时磨削理论的限制，对操作者掌握的技能水平依赖性较大，由于操作者个人技能的差异，刀具重磨过程中出现的许多问题往往难以解决。要使刀具恢复原有性能，操作者必须掌握熟练的重磨技术，这已成为当前企业生产合理化过程中的难点之一。特别是那些带有一定角度的刀具，如锥度立铣刀、球头立铣刀、硬质合金钻头的重磨难度更大。如果采用手工重磨，不易保证刀具精度；如果弃之不用，则将导致刀具成本增加。为了解决这些问题，可使用专门为刀具重磨而开发的CNC工具磨床，不过，多轴CNC工具磨床价格昂贵，购置时应进行慎重的成本核算。本文以硬质合金立铣刀和硬质合金钻头为例，侧重从降低成本的角度，谈谈选用CNC工具磨床进行刀具重磨的相关问题。 &&&& 立铣刀外周刃的重磨时段 &&&&& 通常在判断立铣刀寿命时，是依据切削声响异常、切削锋利度下降、切屑变得细碎等状况，定时进行重磨。当前通行的衡量刀具寿命的方法为测量出外周后刀面磨损宽度，以此作为判断刀具寿命的基准。表1所示为立铣刀的使用目的和需进行重磨时的最大后面磨损宽度，超过表中所列磨损值，则会出现急剧磨损，这将缩短刀具寿命。 &&&&& 表1 立铣刀外周刀刃后面磨损宽度 &&&&& 加工类别－立铣刀直径－后面磨损宽度－被加工材料 &&&& &粗加工－10mm以下－0.1～0.2mm－钢、铸铁 &&&& &粗加工－11～30mm－0.2～0.4mm－钢、铸铁 &&&& &粗加工－30mm以上－0.3～0.5mm－钢、铸铁 &&&& &精加工－10mm以下－0.1～0.15mm－钢、铸铁 &&&&&&精加工－11～30mm－0.15～0.25mm－钢、铸铁 &&&&& 精加工－30mm以上－0.2～0.3mm－钢、铸铁 &&&& &为了充分发挥立铣刀的切削性能，应使切削刃经常保持最佳状态，为此应及时进行重磨，避免刀具出现损伤，使刀具始终保持良好的切削性能，获得较高的使用寿命。? &&&& &重磨成本 &&&& &切削工具重磨有两种，一种是由重磨专业人员进行，另一种是在切削过程中，由用户自行重磨。前者不论日本国内或国外，均由工具厂家进行，或由专门从事重磨业务的中小企业进行，他们均能向用户提供各种良好的重磨服务。表2所示为重磨价格，表中列出了美国一般的专业重磨行业的价格和日本相应的价格。从价格来看，美国似乎更便宜一些，目前日元和美元的汇兑率大约为130～135日元兑换1美元，总的来看，在重磨价格方面，日本和美国并无太大的差异。这些数据是在进行切削加工的企业购置了CNC工具磨床用于刀具重磨的情况下统计出来的。? &&&& &表2 刀具重磨成本(单价)(磨削余量0.1mm) &&&&& &刀具种类－尺寸－单价－重磨部位－重磨时间（所用CNC磨床） &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（日本）－4～10mm－900日元－外周刃后面－约1分30秒(OG-1) &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（日本）－10.1～16mm－1300日元－外周刃后面－约1分30秒(OG-1) &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（日本）－16.1～20mm－1700日元－外周刃后面－约2分10秒(OG-1) &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（日本）－4～10mm－1700日元－外周刃后面，底刃副后面－约4分(CNJ2-30) &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（美国）－9.525mm以下－12美元－外周刃后面，底刃副后面－约4分(CNJ2-30) &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（日本）－10.1～16mm－2100日元－外周刃后面，底刃副后面－约4分30秒(CNJ2-30) &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（美国）－大于9.525mm,小于15.875mm－13.5美元－约4分30秒(CNJ2-30) &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（日本）－16.1～20mm－2700日元－外周刃后面，底刃副后面－约5分30秒(CNJ2-30) &&&&& &硬质合金二齿立铣刀（美国）－大于15.875mm,小于22.225mm－17美元－外周刃后面，底刃副后面－约5分30秒(CNJ2-30) &&&&& &硬质合金钻头（日本）－10.1～12mm－1800日元－钻尖后面倒棱－约3分(CNJ2-30) &&&&& &硬质合金钻头（美国）－小于12.7mm－9.5美元－钻尖后面倒棱－约3分(CNJ2-30) &&&&& &硬质合金钻头（日本）－16.1～20mm－3500日元－钻尖后面倒棱－ &&&& &硬质合金钻头（美国）－大于12.7mm,小于19.05mm－16美元－钻尖后面倒棱－约3分(CNJ2-30) &&&& &两种新型CNC工具磨床 &&&&& &重磨立铣刀时，往往是根据重磨部位来选择所需的设备。重磨部位中最基本也最重要的是外周刃后面的磨削，其中，主要问题是如何减小第一后面的偏心。在进行此类重磨作业时，可选用3轴CNC控制的OG-1型工具磨床，该磨床的主要参数如表3所示。? &&&&& &表3 OG-1型工具磨床的主要参数 &&&&& &CNC控制轴数：3轴 &&&&& &砂轮轴输出功率：最大为1.5kW &&&&& &砂轮轴转速:r/min &&&&& &最大砂轮直径:150mm &&&&& &占用空间:1950mm×1000mm &&&&& &机床重量:1500kg &&&&& &OG-1型工具磨床配有接触式传感器，磨削前可在磨床上自动测量立铣刀的螺旋角。如果要刃磨立铣刀底刃或钻头的钻尖角等部位，则应选用由5～7轴控制的CNJ2-30型CNC工具磨床，该磨床的主要参数如表4所示。 &&&&& &表4 CNJ2-30型工具磨床的主要参数 &&&&& &〖WTBZ〗〖STBZ〗〖HT6SS〗 &&&&& &CNC控制轴数：5～7轴 &&&&& &砂轮轴输出功率：最大为7.5kW &&&&& &砂轮轴转速(无级变速)：r/min &&&&& &最大砂轮直径：150mm &&&&& &占用空间：2500mm×2100mm &&&&& &机床重量：2500kg &&&&& &(1)采用OG-1型工具磨床 &&&&& &刃磨一把立铣刀的外周刃后刀面，需时2.5分钟，立铣刀的装卸时间3分钟，合计需时5.5分钟。姑且把刃磨准备时间分为上午和下午各一次，每次需时30分钟，则(实际工作时间8小时―30分钟×2次)×60分钟÷5.5分钟=76，即每天可刃磨76把立铣刀。按表2所列价格，每刃磨一把立铣刀需900日元，则共需费用900×76=68400日元。以每月20个工作日计算，姑且把工作效率定为80%，则一个月共需刃磨费用为6.8=1094400日元。 &&&& &(2)采用CNJ2-30工具磨床? &&&& &假设上午(AM8:00～12:00)加工钻头，下午(PM1:00～5:00)加工立铣刀。刃磨一支钻头的时间为3.5分钟，钻头装卸时间3分钟，合计需时6.5分钟，刃磨准备时间30分钟，则可加工件数为3.5小时×60分钟÷6.5分钟=32，即半天时间可刃磨32支钻头。按表2所列刃磨价格，加工一支钻头的平均价格为1800日元，则32支共需费用为00日元。刃磨一把立铣刀的平均时间为6分钟，装卸工件时间3分钟，合计需时9分钟，设刃磨准备时间与钻头一样，需要30分钟，则半日可加工件数为3.5小时×60分钟÷9分钟=23，即半日可刃磨23把立铣刀。同样按表2所列刃磨价格计算，刃磨一把立铣刀需1700日元，则共需刃磨费用为00日元。因此，全天合计，钻头和立铣刀刃磨费用为96700日元，每月以20个工作日计算，工作效率仍定为80%，则一个月共需刃磨费用为9.8=1547200日元。? &&&& 设备运转成本 &&&& 人工费 &&&& OG-1型工具磨床和CNJ2-30型工具磨床均只需1名专职操作人员，每月工资40万日元。? &&&& 设备购置费 &&&& &(1)OG-1型工具磨床：购置费为800万日元，如规定在7年内付清购置款(按原价127%偿付)，则每月需交纳12.1万日元。? &&&& (2)CNJ2-30型工具磨床：购置费为2000万日元，如规定在7年内付清购置款(按原价127%偿付)，则每月需交纳30.3万日元。? &&& 砂轮费用和精密修整费用 &&&& (1)OG-1型工具磨床：重磨立铣刀外周刃后面所用砂轮单价约6万日元。在使用过程中，可进行4次精修。如果每月精修1次，则1只砂轮可使用4个月。每月的精修费用为4000日元/1只，则每个月砂轮的购置费用和精修费用为(60000÷4)+(4000×1只×1次)=19000日元。? &&&& (2)CNJ2-30型工具磨床：重磨立铣刀的砂轮组(3只砂轮)购置费为18万日元，重磨钻头的砂轮组(2只砂轮)购置费为8万日元。假设在与OG-1型工具磨床完全相同的条件下使用，则每月砂轮费用和精修费用为(00)÷4个月+4000×5只砂轮×1次=85000日元。 &&&&& 磨削液费用 &&&&& OG-1型工具磨床和CNJ2-30型工具磨床均按同样标准计算。? &&&&& (1)使用油性磨削液200升，假定1年更换4次，每升单价350日元，全年所需费用为350×200×4=28000日元，则每月的磨削液费用为2.4万日元。? &&&&& (2)磨削液的废液处理费用每升约为30日元，每年共需耗费30×200×4=24000日元，则每月的废液处理费用为2000日元。? &&&& &电力费用 &&&&& (1)OG-1型工具磨床：经实际测量，加工过程中消耗电力3kwh，准备过程消耗电力1kwh，电力费用每1kWh为17日元(因时段、地区、条件等差别而各有不同)，按此计算：? &&&&& 加工时间：7小时/日×3kWh×17日元×20日=7140日元? &&&&& 准备时间：1小时/日×1kWh×17日元×20日=340日元? &&&&& 每月共需电费：0日元? &&&& &(2)CNJ2-30工具磨床：经实际测量，加工过程中消耗电力5kWh，准备过程消耗电力1.6kWh，电力费用计算方式与OG-1G型磨床相同。? &&&&& 加工时间：7小时/日×5kWh×17日元×20日=11900日元? &&&&& 准备时间：1小时/日×1.6kWh×17日元×20日=544日元? &&&& 每月共需电费：444日元? &&&& 成本比较 &&&& 将上述数据加以整理，其结果见表5。由表可知，采用合理的重磨工艺，可望取得良好的降低成本的效果。本文所举重磨对象的计算，是在设定的条件下进行的，实际生产过程中，要比本文所介绍的例证复杂得多。目前，各企业大都采取多品种小批量的生产模式，尤其是作为重磨加工的专职企业，随着近年节省资源趋势的日益发展，更加重视重磨项目的多品种化。因此，无论从设备的调整和砂轮的选用等方面来看，应用CNC工具磨床的先进工艺技术， &&&&& 对提高生产效率有着极大的影响。 &&&&& 表5 重磨拟耗费用和设备运转成本比较(1个月) &&&&& OG-1型工具磨床:重磨作业拟耗费用1094400日元；可望降低成本效益： 520920日元 &&&&& CNJ2-30型工具磨床：重磨作业拟耗费用1547200日元；可望降低成本效益：720756日元 &&&&&& 刀具重磨作业CNC化的效果 &&&&& 如前所述，采用CNC工具磨床在降低重磨成本方面可取得良好的效果。在采用普通工具磨床进行刀具重磨时，如果也能实现CNC化加工，则可望取得如下效果：? &&&&& (1)普通工具磨床难以进行的锥度立铣刀或S形球头立铣刀等刀具的重磨行业，实现CNC化后，将会变得易于进行；? &&&&& (2)可重磨阶梯式刀具等带有极差的特殊形状刀具；? &&&&& (3)刀具重磨的精度大为提高，因此，在模具加工过程中，可减少研磨工序；? &&&&& (4)非熟练操作人员也可进行此项作业；? &&&&&& (5)可减少由于刀具重磨人员素质形成的质量差异，能够比较准确地预测刀具寿命；? &&&&& 6)便于掌握刀具重磨的加工时间，可进行适时刀具重磨作业。? &&&&& 刀具重磨技术的发展动向 &&&&& 随着高速切削技术的日益普及，超高压烧结体刀具(PCD、CBN)的需求日益增长，这类刀具价格昂贵，众多用户都希望重磨后继续使用。然而，这类刀具一旦受到损伤，重磨起来，往往有较大的加工余量；如系木工刀具，则往往为成形结构，只能用金刚石砂轮进行修形，因此，PCD、CBN刀具的重磨难度比一般刀具大得多。为解决这一难题，今后应开发出具有电加工性能的新型CNC工具磨床。另外，在新世纪里，重视环境保护(保持优良生态)和强调经济效益(节省能源)已成为机械工业的主流趋势，因此，不使用磨削液的冷风磨削技术必将受到更大关注。 &
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核心提示：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
加工后表面质量及影响因素
加工后工件表面的残余应力
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ap=0.15mm。这时刀具切削刃所处位置的工件硬度仍然是850HV0.3，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：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。
图1 淬硬后待加工表面特征
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]
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。 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VC=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。
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
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(VC=184m/min；ap=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VC=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VC及f的变化情况。从中清楚地看到，VC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VC对切削温度、刀具磨损有最大的影响。不管f如何变化，VC由50m/min增加到150m/min时，残余应力增大(VC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。
刀具几何参数
刀具刃口倒棱
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HV，耐热性也很高，可以承受℃的高温，大大高于金刚石材料，它的化学稳定性好，在℃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。
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。
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。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。
图4 倒棱对PCBN刀具后刀面磨损与耐用度的影响
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(VBmax)，倒棱角-15&时最小。当规定后面磨损(VB=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WL=0.1mm、倒棱角-15&)的刀具来。
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。
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。工件刀具应力-淬硬钢精车的表面质量和刀具设计
摘要：机床静压工件-精密机床通用操作规程湖南浆液烟气-×300MW机组烟气脱硫工程湿式球磨机系统招标土豆农机大连市-大连土豆收获机械化试验获成功格尔木市单位青海省-尿素装置高压往复泵招标公告工业技术中原-2005中原工业自动化暨控制技术、仪器仪表、无损检测展机组风力电机-&兆瓦级变速恒频风电机组&成功并网发电需求行业企业-拉动内需政策有望提振有色行业发展 卡特发动机公路-卡特彼勒注重拓展公路用发电机组计划东莞市广东省设备-普通机床设备采购公告放大器可编程传感器-ADI推出适于工业应用的传感器放大器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工件,刀具,应力,表面,残余,加工,磨损,粗糙,刃口,涂层,
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
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%26。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ap=0.15mm。这时刀具切削刃所处位置的工件硬度仍然是850HV0.3，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：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。
图1 淬硬后待加工表面特征
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)%26frac12;]
(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。
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VC=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。
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
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(VC=184m/min；ap=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VC=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VC及f的变化情况。从中清楚地看到，VC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VC对切削温度、刀具磨损有最大的影响。不管f如何变化，VC由50m/min增加到150m/min时，残余应力增大(VC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HV，耐热性也很高，可以承受℃的高温，大大高于金刚石材料，它的化学稳定性好，在℃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。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。
图4 倒棱对PCBN刀具后刀面磨损与耐用度的影响
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(VBmax)，倒棱角-15°时最小。当规定后面磨损(VB=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WL=0.1mm、倒棱角-15°)的刀具来。
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。 本文作者:南阳理工学院 吴喜让 蔡广宇 李坤
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