刀具導熱特性對淬硬鋼車削性能的影響*

林勇傳，韋玨宇，黃健友，王 凱

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

刀具導熱特性對淬硬鋼車削性能的影響*

林勇傳，韋玨宇，黃健友，王 凱

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

針對高速硬切削淬硬鋼表面白層的問題，使用不同的熱傳導特性刀具對SCM415淬硬鋼進行了高速硬切削試驗和表面白層測試。使用二色溫度計和光學顯微鏡(Axio Scope A1)對切削溫度和白層厚度進行測量。研究了刀具熱傳導特性與高速硬切削熱的關系，分析了后刀面溫度對白層特征的影響規律。分析結果表明，后刀面溫度隨著刀具熱傳導率的增加而降低，采用熱傳導率大的刀具切削可以降低切削溫度，從而減少白層厚度。刀具熱傳導率越大，溫升率越小，在v=100m/min時，CBN1刀具隨著后刀面磨損由0～0.1mm的溫升率為7.6%，而CBN4刀具溫升率僅為2.6%；在一定切削速度和切削熱范圍內，白層厚度隨著切削速度和切削溫度的增加而增加，超過臨界切削速度值和切削溫度值后，白層厚度隨著切削速度和切削溫度的增加而減少；少量的的后刀面磨損(VB=0.05mm)有利于降低白層厚度從而提高表面質量。

熱傳導率；后刀面磨損；白層；硬車削

0 引言

淬硬鋼屬于典型的高硬度、高強度、高耐磨性的材料，并且廣泛應用于對硬度、強度和耐磨性要求很高的工程領域中。該材料屬于難硬加工材料。在傳統加工中，一般采用磨削工藝對其進行精加工。但磨削工藝普遍存在效率低、污染大、成本高等缺陷。隨著高速切削技術的發展，現對高硬度材料進行直接加工，實現“以切代磨”(該加工工藝又稱為硬切削工藝)。與傳統磨削加工相比較，硬切削工藝具有效率高、設備投資少、整體加工精度良好和潔凈[1]。T?nshoff H K等人在進行磨削與硬態車削對比試驗中發現，達到相同的加工表面質量，硬車削比磨削耗時減少60%[2]。然而，盡管硬車削有如此大的優勢，但該工藝卻未能如預期般在工業上得到廣泛應用[3]，其主要原因是加工穩定性和已加工表面完整性不易得到保證。硬切削后所產生的白層容易引起較早的剝落失效和疲勞裂紋的形成，嚴重影響工件性能和表面完整性。而且，國際范圍內對白層的形成機理一直處于爭議論證階段[4-5]。因此，對白層形成機理和影響因素的探索，是硬切削領域的重要研究方向。

在當前的研究中，普遍學者認為硬切削中的白層是由機械載荷，熱載荷或兩者的共同作用所引起的。在過去，有段春爭[6]、戴素江[7]、陳濤[8]以及Jouini N[9]、Baizeau T等[10]通過采用不同的切削參數和不同的刀具磨損量或改變刀具角度來進行試驗，指出了白層的變化與加工條件的變化關系，并進一步分析了白層形成的機理。他們的結論大多是認為白層是由切削溫度過高、冷卻率過大、刀具與工件間的摩擦和擠壓劇烈等原因所引起的，卻鮮有學者從刀具散熱特性對切削區溫度影響以及白層厚度與其實時切削溫度等方面進行探討。

為了研究刀具熱傳導特性與高速硬切削切削熱、后刀面溫度與表面白層形成的關系，進行了不同切削參數、不同后刀面磨損量VB和不同熱傳導率的聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬鋼SCM415的切削熱與表面特征試驗，并利用光學顯微鏡對白層進行金相分析。

1 實驗

1.1 工件材料

在本切削試驗中，所選用的試樣材料為淬硬鋼SCM415，其材料特性如表1所示。試樣做成外徑80mm，內徑70mm，長100mm的圓筒。

表1 工件材料特性

1.2 實驗條件

本次試驗所用的機床為云南機床廠生產的CY—K360n/1000臥式數控車床，其參數如表2所示。試驗用的刀具為三種不同熱傳導率的PCBN刀具，該刀具幾何參數相同，其特性如表3所示。試驗用的切削速度v分別為100、150、200m/min，進給量f=0.08mm/r，切削深度ap=0.2mm，后刀面磨損量VB分別為0、0.05、0.1mm 。后刀面切削時的溫度T用采用光纖耦合器型的2色溫度計測量。2色溫度計測量的溫度為切削過程中切削溫度的最大值。如圖1、圖2所示，將工件固定在夾具上，通過夾具的通孔在試樣上鉆φ0.6mm通孔。將光纖插入到φ0.6mm的通孔處，光纖端面到已加工面距離約為0.5mm。切削中，當刀具刀尖經過工件的φ0.6mm通孔時，后刀面輻射的紅外線將被小孔內的光纖接收到。熱輻射信號通過光纖傳輸到2色溫度計，2色溫度計將接收到的熱輻射信號換算成溫度數據。白層組織形態則通過冷鑲嵌制備試樣在金相光學顯微鏡下觀察。

表2 CY—K360n/1000臥式數控車床參數

表3 刀具特性

1.3 試驗流程

(1)對CBN1刀具的后刀面分別制成不同的磨損量，并在不同的切削速度下對SCM415進行干切削，其切削深度為0.2mm，進給量為0.08mm/r，其各變量水平組合如表4所示。

圖1 后刀面溫度檢測裝置示意圖

圖2 實驗裝置

(3)對(1)中的九個切削試樣進行冷鑲嵌制備金相試樣，在金相光學顯微鏡下對白層厚度測定。因為工件表面白層不是連續穩定存在的，白層厚度的測量值為觀察的五處平均值。

2 試驗結果

2.1 切削溫度

在1.3試驗流程中(1)和(2)的高速硬切削試驗中，通過二色溫度計對后刀面溫度進行在線測量，其結果如表8所示。

2.2 白層厚度

根據1.3試驗流程中(3)的金相試驗,測得白層厚度如表9所示。

表4 切削速度、后刀面磨損、熱傳導率及后刀面溫度測量值

表5 切削速度、刀具磨損、后刀面溫度及白層厚度測量值

3 分析與討論

3.1 切削速度和后刀面磨損對后刀面溫度的影響

根據表4，如圖3所示。一方面，當切削速度增加時，后刀面溫度增加。切削速度提升，單位時間材料去除率增加，材料的斷裂釋放的能量增加；另一方面，在相同的切削速度下后刀面磨損量越大，后刀面溫度上升越快，刀具后刀面磨損越大，其與材料切削接觸區摩擦越劇烈，額外由于摩擦產生的熱量越多，同時后刀面磨損導致刀具的。在整個試驗切削速度段內VB=0.05mm刀具后刀面的溫升均處于穩定平緩狀態，因為刃磨處理后的少量后的刀面磨損使得刀具—工件切削接觸區域增加，使得產生的熱量增加。但是，刃磨后刀具刀尖強度增加，少量的磨損在切削過程中增強了刀具刃口強度又保證了一定的鋒利度，在切削速度為150、200m/min時，無磨損的刀具刃口因為強度不足，在高速沖擊下使得磨損加劇，從而使得切削溫度增加。刀具磨鈍后(VB=0.1mm)，后刀面與工件接觸區域擠壓作用較為顯著，刀具與工件接觸區域由無磨損時的線接觸變為面接觸，不易散熱，切削力顯著增加。高速下，劇烈的摩擦和大切削力會加劇刀具磨損和產生額外的摩擦熱使得切削溫度升高。通過分析可知，少量的后刀面磨損在切削中使得刀具刃口強度提升，隨著速度的增加，切削溫度增加速率最為平緩，當切削速度為150、200m/min，使用少量后刀面磨損的PCBN刀具會使得切削接觸區的最高溫度值較低。

圖3 切削速度與后刀面溫度的關系

3.2 刀具導熱率對后刀面溫度的影響

圖4 刀具熱傳導率與刀具后刀面溫度的關系

3.3 切削速度和后刀面磨損對白層厚度的影響

如圖5所示。當切削速度由100m/min增加到150m/min時，白層厚度增加；當切削速度由150m/min增加到200m/min時，白層厚度減小，由此可見，白層厚度不會隨著切削速度的增加而一直增加，白層厚度最大值的切削速度臨界點的100～200m/min范圍內，這對高速加工具有重要的意義。同時，從圖4可知，當削速度相同時，在VB=0.5mm條件下白層厚度最小。該現象說明了，一定程度的后刀面磨損有利于后層厚度減小提高加工質量，這對實際生產加工具有重要意義。

圖5 切削速度與白層厚度的關系

3.4 后刀面溫度對白層厚度的影響

白層是由于切削過程中力—熱耦合作用導致的，最高點溫度的數值可以推斷白層的產生是否是因為切削過程中工件材料發生馬氏體相變[15]。如圖6所示。在三種VB值的切削試驗下，均出現了白層厚度先隨著后刀面的增加而增加；然而，當后刀面溫度達到一定程度后，白層厚度隨著后刀面溫度的增加而減少，這說明了切削溫度不是影響白層厚度的唯一因素[11]。另外，在相同的后刀面溫度下，通過對VB=0mm、VB=0.1mm曲線與VB=0.05mm曲線的對比，發現白層厚度不完全隨著后刀面磨損的增加而增加，而是在一定范圍內的后刀面磨損可取得最佳的表面質量，該結論與3.3中的結論相一致。少量的后刀面磨損(VB=0.05mm)所產生白層厚度為三種的最小值?？赡芤驗楣ぜ砻姘讓由珊髽O易脫落，刃磨后少量的后刀面磨損會使得白層形成后因為擠壓力和摩擦力作用導致剝落，新生成的白層速率低于剝落的速率。過高的溫度會使阻礙工件材料發生馬氏體相變，導致白層厚度減少。

圖6 后刀面溫度與白層厚度關系

4 結論

(1)后刀面磨損越大，后刀面溫度也越高，當v=200m/min，VB=0.1mm時，后刀面溫度最高。無磨損的刀具在高速切削(150、200m/min)時，因刃口強度不足導致蹦刃使得熱量上升。刃磨后少量的后刀面磨損加強了刀具刃口強度，溫度上升速率最為平緩。當在150、200m/min時，其后刀面溫度最大值較低。

(3)在一定切削速度范圍內，白層厚度會隨著切削速度的增加而增加，但超過一定速度值后，白層厚度將隨切削速度的增加而減少。因此達到臨界切削速度后，提高切削速度有利于降低白層厚度提高表面質量。

(4)在一定后刀面溫度范圍內，白層厚度先隨著后刀面溫度的增加而增加；然后隨著后刀面溫度的增加而減少，說明了熱載荷不是影響白層厚度的唯一因素。少量的后刀面磨損(VB=0.05mm)有利于降低白層厚度。

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(編輯 李秀敏)

Effect of Tool Thermal Characteristics on Hardened Steel Turning Performance

LIN Yong-chuan，WEI Jue-yu，HUANG Jian-you，WANG Kai

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004，China)

In order to study the issue about the formation of white layer and concluding the relationship between the characteristics of white layer, tool flank temperature and the thermal conductivity.SCM415 (carburizing and quenching) is used to carry out a series of high-speed dry cutting tests with different thermal conductivity tools and observing the white layer by optical microscope Axio Scope A1 in this paper. The cutting temperature is measured by two color thermometer. By analyzed these results we found that the temperature of tools is lower when the thermal conductivity of tool is higher. Cutting temperature can be reduced by the tool with high thermal conductivity, thus reducing the thickness of the white layer. The greater the thermal conductivity of the tool, the lower the rate of the rising temperature. The temperature rise rate of CBN1 is 7.6% when the flank wear increased from 0 to 0.1mm inv=100m/min. But the temperature rise rate of CBN4 tool is only 2.6%. When the flank temperature and the cutting speed increased, the thickness of white layer increased. However, the white layer thickness is reduced, when the cutting speed and the flank temperature are more than a critical value. A small amount of flank wear (VB=0.05mm)can reduce the thickness of white layer and improve the surface quality.

thermal conductivity; flank wear; white layer; hard turning

1001-2265(2017)08-0127-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.033

2016-11-13；

2016-12-14

廣西自然科學基金資助項目(2014GXNSFAA118347)：硬態切削中白層形成機理的研究

林勇傳(1972—)，男，廣西玉林人，廣西大學副教授，博士，研究方向為高速加工、先進制造技術，(E-mail)loyoco@163.com。

TH162;TG506

A