PCBN刀具切削GCr15淬硬轴承钢的研究

    摘要：通过切削实验，研究了PCBN刀具精密切削淬硬GCr15轴承钢时切削力的特征、锯齿形切屑的形态和刀具磨损特征，又从表面粗糙度、硬化层深度、亚表层的白层现象和残余应力的分布方面深入研究了PCBN刀具精密切削淬硬轴承钢的适应性，实验结果表明，PCBN刀具应用于GCr15轴承钢的精密切削是可行的。
    关键词：PCBN 刀具  精密硬态切削  淬硬轴承钢  已加工表面完整性
    中图分类号：T27  文献标识码：A  文章编号：1000-4998（2002）-07-0017-03
    1  实验条件
    实验是在带有无级变速的CA6140车床上进行，切削力的测量采用应变式车削测力仪，切削温度采用自然热电偶法测量，工件材料选用GCr15轴承钢，通过热处理工艺得到30HRC、40HRC、50HRC、60HRC和64HRC共计5种硬度的试件。试验使用的PCBN外圆车刀是用日本住友电气株式会社的BN500复合片自制而成，其几何参数如附表所示
    附表  试验用刀具几何参数

    2  切削力和切屑形式
    由于PCBN刀具材料的脆性，使用前一般都要进行大钝圆（约200-400μm）和倒棱处理，在切削过程中，由于切削深度和进给量都十分小，钝圆和负倒棱的部位是主要参与切削的部分。受切削区形状的影响，PCBN刀具在切削淬硬GCr15轴承钢时，发现径向力F_y通常紧大，其次是主切削力F_z和轴向力F_x。切削力实验结果分析中还发现切削力与工件硬度呈非线性关系，即存在一个硬态切削的临界硬度概念，在临界硬度附近切削力最小，对于GCr15淬硬轴承钢，这个临界硬度大致为50HRC。当初削速度增大时，切削力稍微下降，这主要是因为在提高切削速度的同时切削温度有所升高并使工件的塑性增强，但这种性质的变化了称之为金属软化效应，它使得刀具和工件之间的硬度差增大，能有效地降低刀具的磨损。
    硬态切削过程易生成锯齿形切屑，在对不同硬度的轴承钢切削加工时发现，工件硬度对锯齿形切屑的影响最大，当硬度低于50HRC时，即使是大进给和高速切削也只能生成连续切屑，当硬度超过50HRC后，可明显观察到切屑形态由连续切屑向锯齿形切屑过渡。形成锯齿形切屑的原因主要是刀具向前切削使受极大压力的切屑材料发生突然的断裂而导致的。
    3  磨损特征
    PCBN刀具切削淬硬轴承钢时，前刀面的磨损形式主要是月牙洼磨损。由PCBN刀具耐高温、硬度高，只有达到一定的温度和压力后，才能使其产生磨损，因此月牙洼磨损只产生在距离刀刃很近的部位，而且宽度很窄，这一点有别于硬质合金刀具，同时这也反映了PCBN刀具的刃口保持能力强，有利于实现淬硬钢的精密切削。PCBN刀具切削淬硬轴承钢GCr15时的后刀面磨损形貌。
    4  已加工表面完整性
    硬态切削中PCBN刀具所承受的冲击力是切削软态工件的3倍之多，尤其当进给量和切削深度很小时，径向力往往大于主切削力和切向力，切削精密不易控制。用硬态切削取代磨削加工，其主要问题集中体现在如何保证获得理想的加工表面粗糙度、形状精度和加工表面状态。
    实验时发现工件硬度超过50HRC时，工件硬度越高其表面粗糙度越小，这是因为当工件硬度大于50HRC时，切削力和切削热都有所下降，使得切削过程中工件的热膨胀作用减少，有利于提高加工精度，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，即进给量越小磨损量越大，表面硬度较高。此外，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，硬化层深度越深。通过对试件的基体组织和表层组织的扫描电镜照片对比分析，硬态切削过程中已加工表面硬度虽有所提高，产生一定的硬化深度，但对表层的金相组织无破坏作用。
    采用PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢时发现，工件表层和亚表层的组织状态有所变化，其微观组织是由白色的未回火层和黑色的过回火层组成，而且白层厚度小于2μm。工件表层以下20-40μm处工件硬度最高可达900HV。实验结果显示硬态切削后工件表面不一定全部为残余夺应力，如果切削条件的选择不合理，也会出现残余拉应力，硬态切削后的应力分布布有一定的梯度，因此有利于提高轴承钢材料的工作寿命，而磨削后工件的最大压应力主要集中在工件表面。
    5  结论
    1、PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢时径向力F_y最大，其次是主切削力F_z和轴向力F_x，粗加工中切削力大致为精加工的6-9倍。
    2、硬态切削过程易形成锯齿形切屑，其作用机理为工件材料在巨大的压应力作用下的宏观和微观断裂，生成锯齿形切屑的临界硬度为50HRC。
    3、PCBN刀具的前刀面和后刀面磨损形式显示出刀具保持刃口的能力很强，有利于PCBN刀具实现淬硬钢的以车代磨。
    4、硬态切削后已加工表面为残余压应力，残余应力的分布形式可大大提高工件的寿命，硬态切削表面粗糙度可达到粗磨的精度，其表层加工硬化对组织无明显作用，硬态切削零件的滚动疲劳测试结果表明其零件寿命较高，采用超硬材料PCBN刀具对淬硬轴承钢的精度切削加工是可行的。