技術(shù)動(dòng)態(tài)：關(guān)于硬態(tài)切削技術(shù)的研究

    1.引言

    淬硬鋼是一類較難加工的材料，硬度高達(dá)50～65HRC，主要包括普通淬火鋼、淬火態(tài)模具鋼、軸承鋼、軋輥鋼及高速鋼等。由于其典型的耐磨結(jié)構(gòu)，淬硬鋼被廣泛用于制造各種要求高硬度和高耐磨性的基礎(chǔ)零部件。隨著超硬刀具材料——陶瓷和PCBN性能的提高和價(jià)格的調(diào)整，解決了淬硬零件傳統(tǒng)制造工藝與快速發(fā)展的市場(chǎng)需求之間的矛盾，使得更經(jīng)濟(jì)地切削加工淬硬鋼成為可能。

    硬態(tài)切削是指采用超硬刀具對(duì)硬度大于50HRC的淬硬鋼進(jìn)行精密切削的加工工藝。與磨削相比，硬態(tài)切削具有良好的加工柔性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能，在精磨工序中采用硬態(tài)切削是加工淬硬鋼的*佳選擇。然而，目前硬態(tài)切削加工技術(shù)仍然未完全被企業(yè)所廣泛采用，其主要原因不僅由于企業(yè)對(duì)硬態(tài)切削加工機(jī)理及刀具的使用技術(shù)未完全理解和掌握，同時(shí)也因?yàn)橛矐B(tài)切削工藝中一些不穩(wěn)定的因素制約了它的推廣應(yīng)用。本文通過(guò)綜合國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)，對(duì)硬態(tài)切削過(guò)程中切削力的特征、切屑的形成機(jī)理、硬態(tài)切削力與金屬軟化效應(yīng)的作用、冷卻潤(rùn)滑技術(shù)和已加工表面質(zhì)量等進(jìn)行了討論，以期促進(jìn)硬態(tài)切削工藝的推廣應(yīng)用。

    2.硬態(tài)切削力特征

    影響硬態(tài)切削力的因素主要包括切削速度、進(jìn)給量、切削深度、后刀面磨損量和工件硬度等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，在不同精度等級(jí)的機(jī)床上實(shí)施硬態(tài)切削時(shí)，切削力并不發(fā)生變化。

    巴西AbraoMendes博士分別選用陶瓷刀具、低CBN含量和高CBN含量的PCBN刀具切削AISI52100軸承鋼(硬度62HRC)時(shí)發(fā)現(xiàn)：徑向切削力*大，其次是主切削力和軸向切削力；粗加工時(shí)切削力約為精加工時(shí)的6～9倍；切削力與進(jìn)給量、切削深度和后刀面磨損量成近似線性關(guān)系；當(dāng)切削速度增大時(shí)，切削力稍有下降。德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)w．Konig教授通過(guò)用陶瓷刀具和PCBN刀具切削100Cr6淬硬軸承鋼的切削力對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了切削速度、切削深度和進(jìn)給量對(duì)切削力的影響趨勢(shì)。研究表明：主切削力和軸向力的變化與切深呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而徑向力增長(zhǎng)緩慢；不同的進(jìn)給量對(duì)切削力的變化影響趨勢(shì)一致，軸向力的增長(zhǎng)速率稍低于主切削力和徑向力，而當(dāng)進(jìn)給量很小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)徑向力大于主切削力的現(xiàn)象。日本中山一雄教授認(rèn)為，提高切削速度使切削力有所下降的主要原因是切削溫度升高使工件塑性增強(qiáng)(即金屬的硬度因切削溫度的作用而降低)。不過(guò)這種性質(zhì)的變化僅限于一定的切削速度范圍，當(dāng)切削速度超過(guò)20Om/min時(shí)，切削力并不沿下降通道變化。這與W.Konig教授的研究結(jié)果一致。中山一雄教授認(rèn)為，盡管淬硬材料的硬度較高，但切削力較小，其原因一是由于斷裂的產(chǎn)生使塑性變形十分小，二是因?yàn)榈兑恍冀佑|面積小，使摩擦力減小。哈爾濱理工大學(xué)劉獻(xiàn)禮教授采用正交試驗(yàn)對(duì)切削力的各影響因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出了切削速度、切削深度、進(jìn)給量和工件硬度對(duì)應(yīng)切削力的三維曲面，在試驗(yàn)條件下得出了主切削力變化規(guī)律基本符合傳統(tǒng)金屬切削理論的結(jié)論。

    英國(guó)伯明翰大學(xué)E.G.Ng博士對(duì)PCBN刀具切削AISIHI3淬硬鋼時(shí)的切削溫度和切削力進(jìn)行了有限元仿真求解，其*大誤差達(dá)25％，精度分散性大。同時(shí)有限元計(jì)算量也很大。張弘弢教授運(yùn)用擠壓和軋制理論，根據(jù)能量原理對(duì)倒棱刀具的切削機(jī)理進(jìn)行了深入闡述，提出了倒棱刀具的三區(qū)模型(*變形區(qū)、金屬死區(qū)、第二變形區(qū))，并能對(duì)剪切角和切削力進(jìn)行預(yù)報(bào)和仿真；根據(jù)金相分析和快速落刀裝置，發(fā)現(xiàn)金屬死區(qū)的存在并不依賴于切削速度、前角和倒棱角度；在同樣的切削條件下，倒棱刀具的剪切角小于單尖刀具剪切角約2°～3°。臺(tái)灣學(xué)者K.Fuh利用*小能量原理修正了臼井英治的切削模型，依據(jù)切削面積和考慮后刀面作用力，對(duì)切削力進(jìn)行仿真，其綜合精度較高。由于引入的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)較多，對(duì)于不同的刀具和工件材料這些系數(shù)往往是變化的，因此其實(shí)用性受到一定限制。

    3．硬態(tài)切削的切屑形態(tài)

    金屬切削過(guò)程研究的重點(diǎn)和核心是切屑的形成過(guò)程。硬態(tài)切削過(guò)程一般產(chǎn)生鋸齒形切屑。K.F.Koch博士和P.Fallbochmer博士認(rèn)為，硬態(tài)切削的切屑形態(tài)受切屑厚度的影響*大，當(dāng)切屑厚度小于20μm時(shí)易產(chǎn)生帶狀切屑，否則生成鋸齒形切屑。形成鋸齒形切屑的原因主要是刀具前刀面附近的工件材料受到擠壓而堆積在前刀面上，刀具繼續(xù)向前切削致使切屑材料發(fā)生突然斷裂。

    關(guān)于鋸齒形切屑形成機(jī)理有很多著名的論斷。1964年Recht提出了切削加工時(shí)突變剪切失穩(wěn)的經(jīng)典模型，當(dāng)名義應(yīng)力一真實(shí)應(yīng)變曲線斜率為零時(shí)，即溫度變化的局部速率對(duì)強(qiáng)度的負(fù)面影響等于或大于強(qiáng)度所產(chǎn)生的應(yīng)變硬化的正面影響時(shí)，材料內(nèi)部的塑性變形區(qū)便產(chǎn)生突變剪斷。美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)的HouZhen-Bin和RangaKoⅡ1and提出了鋸齒形切屑形成過(guò)程中的熱力學(xué)模型，他們的實(shí)驗(yàn)表明，切削速度和進(jìn)給量在剪切發(fā)生失穩(wěn)中起著重要作用。Samiatin和Rab發(fā)現(xiàn)當(dāng)正常的流動(dòng)軟化率對(duì)應(yīng)變速率敏感值之比等于或大于5時(shí)，金屬切削過(guò)程的非均勻流動(dòng)立刻發(fā)生。熱塑過(guò)程的不穩(wěn)定性(應(yīng)變硬化與熱軟化)導(dǎo)致剪斷區(qū)產(chǎn)生，即使沒(méi)有熱軟化效應(yīng)，其它機(jī)理也可使剪切帶抗剪強(qiáng)度明顯減小。例如當(dāng)剪切帶產(chǎn)生微裂紋時(shí)，使承受應(yīng)力的實(shí)際面積減小，Walker和Shaw認(rèn)為這是機(jī)加工中切屑斷裂的一種可能機(jī)理。*近shaw和Vyas對(duì)較低切速下加工AISI4340鋼和低速加工鈦合金產(chǎn)生節(jié)狀切屑的研究更清楚地證實(shí)了上述概念。由于此時(shí)的切削速度很低，剪切面產(chǎn)生的熱可向任意側(cè)面擴(kuò)散，熱軟化相當(dāng)困難，因此可解釋為由于微裂紋的存在使實(shí)際剪斷強(qiáng)度降低。剪斷失穩(wěn)的其它機(jī)理包括材料組織轉(zhuǎn)變，如在某些鋼中馬氏體向奧氏體的逆轉(zhuǎn)變。中山一雄對(duì)淬硬鋼硬態(tài)車削時(shí)鋸齒形切屑形成機(jī)理的觀點(diǎn)是：切屑形成起源于自由表面上剪應(yīng)變值*大處．鄰近自由表面的變形假設(shè)為純剪切作用的結(jié)果，剪切斷裂與自由表面夾角為45°。sih用解析法獲得“應(yīng)變能密度”因子S，并在平面應(yīng)變條件下模擬了鋸齒形切屑的生成機(jī)理，提出硬態(tài)切削淬硬鋼時(shí)鋸齒形切屑形成的新模型，給出了負(fù)載角φ與斷裂角θ0之間的關(guān)系式。

    大連理工大學(xué)王敏杰、胡榮生教授的研究表明，鋸齒形切屑主要是因?yàn)楦咚偾邢鳟a(chǎn)生的熱塑剪切失穩(wěn)所致。熱塑剪切失穩(wěn)是廣泛存在于許多動(dòng)態(tài)塑性變形過(guò)程中的一種材料破壞現(xiàn)象，其先決條件是變形材料的局部溫升引起的熱軟化效應(yīng)足以抵消材料的變形強(qiáng)化效應(yīng)。金屬切削過(guò)程中的熱塑剪切失穩(wěn)是指發(fā)生在*變形區(qū)的強(qiáng)烈局部剪切集中，其結(jié)果導(dǎo)致不對(duì)稱的鋸齒形切屑，它與普通金屬材料在低速下形成的擠裂切屑不同，特征是切屑的各鋸齒之間以變形很大的熱塑剪切帶相隔。采用金屬陶瓷刀片SNMG120412N—UG(牌號(hào)ZKOI)切削GCrl5軸承鋼的試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)切削深度為0.5～4mm、進(jìn)給量0.07～0.43mm／r、切削速度≥130～160m/min時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生熱塑剪切失穩(wěn)。    

    4.硬態(tài)切削的已加工表面完整性

    切削加工過(guò)程中切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)、高速摩擦和磨損等因素都會(huì)對(duì)已加工表面造成一定程度的破壞。用硬態(tài)切削取代磨削加工的關(guān)鍵是如何獲得理想的加工表面粗糙度、形狀精度和加工表面狀態(tài)，而提高硬態(tài)切削的加工精度和硬態(tài)切削工件的性能是一個(gè)需要長(zhǎng)期深人研究的課題。硬態(tài)切削已加工表面的完整性主要包括以下內(nèi)容：表層組織形態(tài)及其硬度、表面粗糙度、尺寸精度、殘余應(yīng)力的分布和白層的產(chǎn)生。

    美國(guó)普渡大學(xué)C.R.Liu教授早在1976年便發(fā)表了切屑形成過(guò)程對(duì)已加工表面亞表層力學(xué)狀態(tài)的論文，主要分析了尖刃刀具和磨損刀具對(duì)殘余應(yīng)力的影響。*近C.R.Liu還通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了超精密硬態(tài)切削淬硬軸承鋼的可行性和切削條件．并在超精密硬態(tài)切削加工表面的殘余應(yīng)力模型、模擬和優(yōu)化研究方面做了大量工作。德國(guó)PLeskovar的研究工作表明：已加工表面微觀硬度受進(jìn)給量和后刀面磨損量的影響較大，進(jìn)給量越小，磨損量越大，表面硬度越高。劉獻(xiàn)禮教授的正交硬態(tài)切削試驗(yàn)結(jié)果表明：切削速度、進(jìn)給量和切削深度對(duì)表面硬度的影響都具有單一變化規(guī)律。即已加工表面硬度隨切削速度的提高而增加。隨進(jìn)給量和切深的增大而降低．而且已加工表面硬度越高，硬化層深度越大。通過(guò)對(duì)試件的基體組織和表層組織的掃描電鏡照片進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為硬態(tài)切削過(guò)程中已加工表面硬度雖有所提高，產(chǎn)生一定的硬化深度，但對(duì)表面表層的金相組織并無(wú)破壞。

    伯明翰大學(xué)D.K.Aspinwsll教授在高剛性數(shù)控車床上采用陶瓷和PCBN刀具切削淬硬AISIE521O0軸承鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)：工件表層和亞表層的組織狀態(tài)發(fā)生變化，其微觀組織由白色的未回火層和黑色的過(guò)回火層組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示硬態(tài)切削后工件表面均為殘余壓應(yīng)力，而磨削后工件的*大壓應(yīng)力主要集中在工件表面。

    殘余應(yīng)力與材料的成分、組織和缺陷一樣．對(duì)工件的機(jī)械性能有很大影響，多數(shù)情況下必須控制殘余應(yīng)力的大小及其分布規(guī)律。硬態(tài)切削過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生被認(rèn)為與切削熱的形成及熱源的移動(dòng)速度、切削刃的幾何形狀、工件材料以及刀具磨損等關(guān)系密切。國(guó)外不少學(xué)者試圖通過(guò)仿真切削熱的生成與移動(dòng)來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力，但切削熱形成的復(fù)雜性和殘余應(yīng)力測(cè)量誤差等原因?qū)е路抡嬲`差較大。*近，加拿大KurtJacobus運(yùn)用平面應(yīng)變粘彈塑性理論、美國(guó)普渡大學(xué)S.Mittal運(yùn)用多項(xiàng)式擬合原理預(yù)測(cè)切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，其不足之處是都需要進(jìn)行大量的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來(lái)估計(jì)系數(shù)。J.D.Thiele等研究了精密硬態(tài)切削過(guò)程中切削刃幾何形狀和工件硬度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)中分別選用尖刃、倒棱、鈍圓三種刃部的PCBN刀具，測(cè)試結(jié)果顯示：刀具鈍圓半徑越大，殘余壓應(yīng)力值越大；工件硬度越高，殘余壓應(yīng)力值越大。Y.Matsumoto和D.W.Wu也認(rèn)為工件硬度對(duì)工件表面完整性的影響極大，工件硬度值越大，越有利于殘余壓應(yīng)力的形成。Y.Matsumoto還認(rèn)為，刀具幾何形狀也影響殘余應(yīng)力的形成，雙倒棱和大鈍圓刀具所形成的殘余壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單一倒棱和尖刃刀具，但切削參數(shù)(切深和進(jìn)給量)對(duì)殘余應(yīng)力沒(méi)有顯著影響。

    影響硬態(tài)切削已加工表面質(zhì)量的另一個(gè)重要因素是白層的形成。白層是伴隨著硬態(tài)切削過(guò)程所形成的一種組織形態(tài)，它具有獨(dú)特的磨損特性：一方面硬度高，耐蝕性好；另一方面又表現(xiàn)出較高脆性，易引起早期剝落失效。白層尺寸較薄，難于準(zhǔn)確分析其組織特征，它的形成機(jī)理至今仍有爭(zhēng)議。一種觀點(diǎn)認(rèn)為白層是相變的結(jié)果，是由材料在切削過(guò)程中被快速加熱和驟然冷卻而形成的晶粒細(xì)小的細(xì)晶馬氏體組成。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為白層的形成僅屬于變形機(jī)制，只是由塑性變形而得到的非常規(guī)型馬氏體。目前將白層視為馬氏體組織的觀點(diǎn)得到一致認(rèn)可，主要爭(zhēng)議在于白層的精細(xì)結(jié)構(gòu)。Y.K.Chou和c.J.Evans認(rèn)為硬態(tài)切削過(guò)程中白層的形成與切削熱有關(guān)，后刀面磨損量的增加將導(dǎo)致白層深度加大，在VB達(dá)到0.31mm時(shí)白層深度高達(dá)lOμm。B．J．Griffiths認(rèn)為切削過(guò)程中產(chǎn)生自層現(xiàn)象的原因是高速滑動(dòng)磨損，白層的組織形態(tài)是超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的奧氏體和馬氏體的混合組織，并與刀具磨損密切相關(guān)。因此，需要進(jìn)一步深八研究白層的形成機(jī)理及其對(duì)零件壽命的影響。    

    5.硬態(tài)切削技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

    目前硬態(tài)切削加工技術(shù)已引起世界范圍內(nèi)制造業(yè)界和科研機(jī)構(gòu)的高度重視和極大興趣，但推廣應(yīng)用硬態(tài)切削加工技術(shù)仍存在一定障礙，主要問(wèn)題有：如何使已加工表面保持穩(wěn)定的表面粗糙度和尺寸精度；已加工表面質(zhì)量能否滿足零件的工況需要并具有一定的壽命；如何進(jìn)行硬態(tài)切削加工刀具的選擇、使用、成本控制等。因此，未來(lái)硬態(tài)切削加工機(jī)理及其技術(shù)的研究重點(diǎn)是：控制切削過(guò)程中切削力的大小并保持其穩(wěn)定性；消除和減小切削熱對(duì)工件尺寸精度的作用；硬態(tài)切削過(guò)程中冷卻潤(rùn)滑技術(shù)的合理化；已加工表面硬度的梯度、殘余應(yīng)力的分布、表層組織形態(tài)和白層形成機(jī)理的研究。