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淬硬鋼精車的表面質量和刀具設計

時間:2008-08-13瀏覽:250次收藏

 1 前言 
   
  為了提高承受高負荷機械零件的耐磨性和接觸疲勞強度,提高其表面硬度是最有效的方法之一。通常這樣的淬硬鋼零件,磨削是最常使用的加工方法。  
但磨削效率低、成本高、耗能大、使用磨削液對環境污染大。隨著工藝水平的提高,尤其是超硬刀具材料聚晶立方氮化硼(PCBN)的使用,硬車削已經成為可能。在一定條件下用車削代替磨削加工,具有一系列優點,顯示了誘人的前景。除了克服磨削常見的缺點外,硬車削還具有工藝靈活性大的優點。文中主要介紹硬工件車削后的表面完整性;車削后工件表面粗糙度、殘余應力,以及加工參數對它們的影響;精硬車削的刀具設計,特別是刃口倒棱對刀具壽命的影響。 
   
  2 精硬車削加工及表面質量 
   
  車削條件 
   
  在大量生產中,對加工齒輪錐形制動凸緣進行了現場試驗。工件由滲碳鋼27MnCr5制成,該鋼的主要化學成分是:0.23%C;1.1%Mn;1%Cr。精車前表面淬硬硬度850HV0.3,硬化層深度約0.6mm,硬度分布見圖1。熱處理后在深0.3mm 范圍內其成分保持不變,含碳量約1%。因此精加工這種鋼材,相當于加工淬硬高碳鋼100MnCr。表面淬硬后其表面殘余應力的分布發生變化,并且誘發了殘余壓應力,殘余應力的分布見圖&。因工件已在熱處理前進行過車削加工,精硬車削的切削深度ap=0.15mm。這時刀具切削刃所處位置的工件硬度仍然是850HV0.3,內部切向殘余應力為-400MPa。車削加工是在剛性好的車床上進行的。車削時的加工用量是:VC=50~250m/min; f=0.05~0.2mm/r;ap=0.15mm。使用PCBN刀具車削。用光學顯微鏡檢查刀具后面磨損VB。 
   
  在精硬車削中,刀具的耐用度(后面磨損量VB)確定后,工件加工后的表面完整性主要是表面粗糙度、表面殘余應力,以及它們與切削用量的關系。 
   
  車削后的工件表面,通常存在有平行于切削速度方向的長溝痕,這些溝痕是由于刀刃的微幾何造成的,是形成工件表面粗糙度的決定因素。像一般切削加工一樣,精硬車削后工件的表面粗糙度基本上是由理論粗糙度決定的。加工后工件的理論粗糙度的表達式為: Ra=f2/[18-(3re)?] (1) 
   
  式中,re為刀尖圓弧半徑,mm;f為進給量,mm/r。模型中忽略刀具磨損的影響,因此在使用時必須規定合適的刀具耐用度VB的值。 
   
  實驗也表明,精車時切削速度對表面粗糙度的影響很小,尤其是在進給量很小的情況下。切削速度VC大于150m/min時,刀具磨損速度加快,不適合切削。因此可以得出結論:精硬車削時,在合適的切削條件下(PCBN刀具,VC=50~150m/min),工件表面粗糙度只受進給量f的影響,其他切削用量的影響可以忽略不計。深入研究可以發現,在很小進給量下精硬切削,加工后工件表面的塑性流動和耕犁現象,也影響著工件表面粗糙度的值。 
   
  加工后工件表面的殘余應力 
   
  除去表面粗糙度外,對工件使用性能和壽命影響很大的另一個因素,則是工件表面殘余應力。因此精車后工件表面的殘余應力的性質和分布,應當引起重視。實驗表明,加工后工件的表面殘余應力是切削速度VC、進給量f以及刀具后面磨損VB的函數。使用X-射線衍射儀和化學拋光,可得到車削后工件表面殘余應力分布如圖3所示。 
   
  眾所周知,加工后工件表面的殘余應力主要受3個因素影響所形成,即機械、熱力效應和金相變化。 
   
  在硬車削中,這3個因素受刀具的性能、特性(材料、涂層、幾何和磨損)、加工參數和刀具-工件材料相互作用的影響,是極其復雜的。工件表面物理性質的變化,部分是由于切削壓力、切削溫度造成的。為了澄清這些影響,分析硬車削時的切屑形成機理是關鍵。 
    在硬車削加工中,刀刃前端的壓力非常大,這樣才能使工件材料塑性化到一定程度,進而形成切屑。這樣大的機械應力作用到工件表面,則會誘發殘余壓應力。熱應力主要是由于刀具磨損刃帶和工件之間的摩擦引起的。  
在相同摩擦系數下,大的正應力必然引起大的摩擦力,在刀具與工件間的相對運動下,消耗大量摩擦能,進而轉變為熱。工件表面不均勻的熱脹冷縮變化,同樣誘發了殘余應力。切削溫度越高, 殘余應力越大。用CBN車刀車削(VC=184m/min;ap=2mm;f=0.1mm/r) 工件( 硬度為62HRC)時測量切削溫度,后刀面處可高達800~1000℃。在這樣的高溫影響下,不僅誘發大的熱應力,也會使工件表面產生金相變化,產生新的<

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