1.引言

    淬硬鋼是一類較難加工的材料，硬度高達50～65HRC横腿，主要包括普通淬火鋼颓屑、淬火態(tài)模具鋼、軸承鋼灰深、軋輥鋼及高速鋼等饵卸。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)零部件蟋晾。隨著超硬刀具材料??陶瓷和PCBN性能的提高和價格的調(diào)整冻咆，解決了淬硬零件傳統(tǒng)制造工藝與快速發(fā)展的市場需求之間的矛盾，使得更經(jīng)濟地切削加工淬硬鋼成為可能策哈。

    硬態(tài)切削是指采用超硬刀具對硬度大于50HRC的淬硬鋼進行精密切削的加工工藝炮家。與磨削相比，硬態(tài)切削具有良好的加工柔性泪缨、經(jīng)濟性和環(huán)保性能媚瘫，在精磨工序中采用硬態(tài)切削是加工淬硬鋼的最佳選擇。然而虱忙，目前硬態(tài)切削加工技術(shù)仍然未完全被企業(yè)所廣泛采用逢痕，其主要原因不僅由于企業(yè)對硬態(tài)切削加工機理及刀具的使用技術(shù)未完全理解和掌握，同時也因為硬態(tài)切削工藝中一些不穩(wěn)定的因素制約了它的推廣應(yīng)用狼楔。本文通過綜合國內(nèi)外大量文獻钳枕，對硬態(tài)切削過程中切削力的特征、切屑的形成機理赏壹、硬態(tài)切削力與金屬軟化效應(yīng)的作用鱼炒、冷卻潤滑技術(shù)和已加工表面質(zhì)量等進行了討論，以期促進硬態(tài)切削工藝的推廣應(yīng)用蝌借。

    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昔瞧、進給量、切削深度菩佑、后刀面磨損量和工件硬度等自晰。國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，在不同精度等級的機床上實施硬態(tài)切削時稍坯，切削力并不發(fā)生變化酬荞。

    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)時發(fā)現(xiàn)：徑向切削力最大瞧哟，其次是主切削力和軸向切削力袜蚕；粗加工時切削力約為精加工時的6～9倍；切削力與進給量、切削深度和后刀面磨損量成近似線性關(guān)系消弧；當(dāng)切削速度增大時堡雁，切削力稍有下降。德國阿亨工業(yè)大學(xué)w．Konig教授通過用陶瓷刀具和PCBN刀具切削100Cr6淬硬軸承鋼的切削力對比實驗室域，研究了切削速度淹疙、切削深度和進給量對切削力的影響趨勢。研究表明：主切削力和軸向力的變化與切深呈線性增長趨勢杜域，而徑向力增長緩慢柴哈；不同的進給量對切削力的變化影響趨勢一致，軸向力的增長速率稍低于主切削力和徑向力唁谣，而當(dāng)進給量很小時冶巴，會出現(xiàn)徑向力大于主切削力的現(xiàn)象。日本中山一雄教授認(rèn)為溪惶，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(即金屬的硬度因切削溫度的作用而降低)顺鸯。不過這種性質(zhì)的變化僅限于一定的切削速度范圍，當(dāng)切削速度超過20Om/min時终距，切削力并不沿下降通道變化尊捞。這與W.Konig教授的研究結(jié)果一致。中山一雄教授認(rèn)為宏怔，盡管淬硬材料的硬度較高奏路，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臊诊，二是因為刀一屑接觸面積小鸽粉，使摩擦力減小。哈爾濱理工大學(xué)劉獻禮教授采用正交試驗對切削力的各影響因素進行設(shè)計抓艳，得出了切削速度触机、切削深度、進給量和工件硬度對應(yīng)切削力的三維曲面壶硅，在試驗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)論威兜。

    英國伯明翰大學(xué)E.G.Ng博士對PCBN刀具切削AISIHI3淬硬鋼時的切削溫度和切削力進行了有限元仿真求解销斟，其最大誤差達25％庐椒，精度分散性大。同時有限元計算量也很大蚂踊。張弘?教授運用擠壓和軋制理論约谈，根據(jù)能量原理對倒棱刀具的切削機理進行了深入闡述，提出了倒棱刀具的三區(qū)模型(第一變形區(qū)犁钟、金屬死區(qū)填篱、第二變形區(qū))，并能對剪切角和切削力進行預(yù)報和仿真；根據(jù)金相分析和快速落刀裝置革陋，發(fā)現(xiàn)金屬死區(qū)的存在并不依賴于切削速度乌窿、前角和倒棱角度；在同樣的切削條件下锦钓，倒棱刀具的剪切角小于單尖刀具剪切角約2°～3°庙炮。臺灣學(xué)者K.Fuh利用最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求驳，對切削力進行仿真种司，其綜合精度較高。由于引入的經(jīng)驗系數(shù)較多粥谐，對于不同的刀具和工件材料這些系數(shù)往往是變化的娶得，因此其實用性受到一定限制。

    3．硬態(tài)切削的切屑形態(tài)

    金屬切削過程研究的重點和核心是切屑的形成過程漾群。硬態(tài)切削過程一般產(chǎn)生鋸齒形切屑懊湾。K.F.Koch博士和P.Fallbochmer博士認(rèn)為，硬態(tài)切削的切屑形態(tài)受切屑厚度的影響最大脖母，當(dāng)切屑厚度小于20μm時易產(chǎn)生帶狀切屑士鸥，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谆级，刀具繼續(xù)向前切削致使切屑材料發(fā)生突然斷裂烤礁。

    關(guān)于鋸齒形切屑形成機理有很多著名的論斷。1964年Recht提出了切削加工時突變剪切失穩(wěn)的經(jīng)典模型肥照，當(dāng)名義應(yīng)力一真實應(yīng)變曲線斜率為零時脚仔，即溫度變化的局部速率對強度的負(fù)面影響等于或大于強度所產(chǎn)生的應(yīng)變硬化的正面影響時，材料內(nèi)部的塑性變形區(qū)便產(chǎn)生突變剪斷舆绎。美國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程中的熱力學(xué)模型鲤脏，他們的實驗表明，切削速度和進給量在剪切發(fā)生失穩(wěn)中起著重要作用吕朵。Samiatin和Rab發(fā)現(xiàn)當(dāng)正常的流動軟化率對應(yīng)變速率敏感值之比等于或大于5時猎醇，金屬切削過程的非均勻流動立刻發(fā)生。熱塑過程的不穩(wěn)定性(應(yīng)變硬化與熱軟化)導(dǎo)致剪斷區(qū)產(chǎn)生努溃，即使沒有熱軟化效應(yīng)硫嘶，其它機理也可使剪切帶抗剪強度明顯減小。例如當(dāng)剪切帶產(chǎn)生微裂紋時檩翁，使承受應(yīng)力的實際面積減小纤厨，Walker和Shaw認(rèn)為這是機加工中切屑斷裂的一種可能機理。最近shaw和Vyas對較低切速下加工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了上述概念景絮。由于此時的切削速度很低守镰，剪切面產(chǎn)生的熱可向任意側(cè)面擴散，熱軟化相當(dāng)困難，因此可解釋為由于微裂紋的存在使實際剪斷強度降低猖右。剪斷失穩(wěn)的其它機理包括材料組織轉(zhuǎn)變颗酷，如在某些鋼中馬氏體向奧氏體的逆轉(zhuǎn)變。中山一雄對淬硬鋼硬態(tài)車削時鋸齒形切屑形成機理的觀點是：切屑形成起源于自由表面上剪應(yīng)變值最大處．鄰近自由表面的變形假設(shè)為純剪切作用的結(jié)果稽橱，剪切斷裂與自由表面夾角為45°舵素。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理跷焚，提出硬態(tài)切削淬硬鋼時鋸齒形切屑形成的新模型弥容，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)王敏杰逸萄、胡榮生教授的研究表明葫督，鋸齒形切屑主要是因為高速切削產(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態(tài)塑性變形過程中的一種材料破壞現(xiàn)象板惑，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化效應(yīng)橄镜。金屬切削過程中的熱塑剪切失穩(wěn)是指發(fā)生在第一變形區(qū)的強烈局部剪切集中，其結(jié)果導(dǎo)致不對稱的鋸齒形切屑冯乘，它與普通金屬材料在低速下形成的擠裂切屑不同洽胶，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ZKOI)切削GCrl5軸承鋼的試驗結(jié)果表明：當(dāng)切削深度為0.5～4mm裆馒、進給量0.07～0.43mm／r姊氓、切削速度≥130～160m/min時，開始產(chǎn)生熱塑剪切失穩(wěn)喷好。   

    4.硬態(tài)切削的已加工表面完整性

    切削加工過程中切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)翔横、高速摩擦和磨損等因素都會對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梗搅、形狀精度和加工表面狀態(tài)禾唁，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需要長期深人研究的課題。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)及其硬度无切、表面粗糙度穗狞、尺寸精度、殘余應(yīng)力的分布和白層的產(chǎn)生客净。

    美國普渡大學(xué)C.R.Liu教授早在1976年便發(fā)表了切屑形成過程對已加工表面亞表層力學(xué)狀態(tài)的論文凭衩，主要分析了尖刃刀具和磨損刀具對殘余應(yīng)力的影響。最近C.R.Liu還通過實驗論證了超精密硬態(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)力模型舌多、模擬和優(yōu)化研究方面做了大量工作交印。德國PLeskovar的研究工作表明：已加工表面微觀硬度受進給量和后刀面磨損量的影響較大享立，進給量越小盘秕，磨損量越大，表面硬度越高。劉獻禮教授的正交硬態(tài)切削試驗結(jié)果表明：切削速度抢熟、進給量和切削深度對表面硬度的影響都具有單一變化規(guī)律柄叹。即已加工表面硬度隨切削速度的提高而增加。隨進給量和切深的增大而降低．而且已加工表面硬度越高匾蛆，硬化層深度越大漓客。通過對試件的基體組織和表層組織的掃描電鏡照片進行對比分析，認(rèn)為硬態(tài)切削過程中已加工表面硬度雖有所提高切油，產(chǎn)生一定的硬化深度蝙斜，但對表面表層的金相組織并無破壞。

    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軸承鋼時發(fā)現(xiàn)：工件表層和亞表層的組織狀態(tài)發(fā)生變化澎胡，其微觀組織由白色的未回火層和黑色的過回火層組成孕荠。實驗結(jié)果顯示硬態(tài)切削后工件表面均為殘余壓應(yīng)力，而磨削后工件的最大壓應(yīng)力主要集中在工件表面攻谁。

    殘余應(yīng)力與材料的成分稚伍、組織和缺陷一樣．對工件的機械性能有很大影響，多數(shù)情況下必須控制殘余應(yīng)力的大小及其分布規(guī)律戚宦。硬態(tài)切削過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生被認(rèn)為與切削熱的形成及熱源的移動速度个曙、切削刃的幾何形狀、工件材料以及刀具磨損等關(guān)系密切受楼。國外不少學(xué)者試圖通過仿真切削熱的生成與移動來計算殘余應(yīng)力垦搬，但切削熱形成的復(fù)雜性和殘余應(yīng)力測量誤差等原因?qū)е路抡嬲`差較大。最近艳汽，加拿大KurtJacobus運用平面應(yīng)變粘彈塑性理論悼沿、美國普渡大學(xué)S.Mittal運用多項式擬合原理預(yù)測切削參數(shù)對殘余應(yīng)力分布的影響，其不足之處是都需要進行大量的標(biāo)定實驗來估計系數(shù)骚灸。J.D.Thiele等研究了精密硬態(tài)切削過程中切削刃幾何形狀和工件硬度對工件表面殘余應(yīng)力的影響摊咨，實驗中分別選用尖刃、倒棱热跨、鈍圓三種刃部的PCBN刀具氏长，測試結(jié)果顯示：刀具鈍圓半徑越大，殘余壓應(yīng)力值越大悍暴；工件硬度越高壳荣，殘余壓應(yīng)力值越大。Y.Matsumoto和D.W.Wu也認(rèn)為工件硬度對工件表面完整性的影響極大汽心，工件硬度值越大吟钻，越有利于殘余壓應(yīng)力的形成。Y.Matsumoto還認(rèn)為熏疾，刀具幾何形狀也影響殘余應(yīng)力的形成溶豌，雙倒棱和大鈍圓刀具所形成的殘余壓應(yīng)力遠遠優(yōu)于單一倒棱和尖刃刀具尖初，但切削參數(shù)(切深和進給量)對殘余應(yīng)力沒有顯著影響。

    影響硬態(tài)切削已加工表面質(zhì)量的另一個重要因素是白層的形成桶淡。白層是伴隨著硬態(tài)切削過程所形成的一種組織形態(tài)纯末，它具有獨特的磨損特性：一方面硬度高，耐蝕性好靴寂；另一方面又表現(xiàn)出較高脆性磷蜀，易引起早期剝落失效。白層尺寸較薄百炬，難于準(zhǔn)確分析其組織特征褐隆，它的形成機理至今仍有爭議。一種觀點認(rèn)為白層是相變的結(jié)果剖踊，是由材料在切削過程中被快速加熱和驟然冷卻而形成的晶粒細小的細晶馬氏體組成妓灌。另一種觀點認(rèn)為白層的形成僅屬于變形機制，只是由塑性變形而得到的非常規(guī)型馬氏體蜜宪。目前將白層視為馬氏體組織的觀點得到一致認(rèn)可虫埂，主要爭議在于白層的精細結(jié)構(gòu)。Y.K.Chou和c.J.Evans認(rèn)為硬態(tài)切削過程中白層的形成與切削熱有關(guān)圃验，后刀面磨損量的增加將導(dǎo)致白層深度加大掉伏，在VB達到0.31mm時白層深度高達lOμm。B．J．Griffiths認(rèn)為切削過程中產(chǎn)生自層現(xiàn)象的原因是高速滑動磨損澳窑，白層的組織形態(tài)是超細晶粒結(jié)構(gòu)的奧氏體和馬氏體的混合組織斧散，并與刀具磨損密切相關(guān)。因此圾篱，需要進一步深八研究白層的形成機理及其對零件壽命的影響啸席。   

    5.硬態(tài)切削技術(shù)的發(fā)展趨勢

    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)仍存在一定障礙玫惧，主要問題有：如何使已加工表面保持穩(wěn)定的表面粗糙度和尺寸精度币皂；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；如何進行硬態(tài)切削加工刀具的選擇庞蠕、使用筋擒、成本控制等。因此则菌，未來硬態(tài)切削加工機理及其技術(shù)的研究重點是：控制切削過程中切削力的大小并保持其穩(wěn)定性破卜；消除和減小切削熱對工件尺寸精度的作用；硬態(tài)切削過程中冷卻潤滑技術(shù)的合理化踏靴；已加工表面硬度的梯度廷前、殘余應(yīng)力的分布、表層組織形態(tài)和白層形成機理的研究窜无。