1 前言 

　　為了提高承受高負(fù)荷機(jī)械零件的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度周瞎，提高其表面硬度是最有效的方法之一岁之。通常這樣的淬硬鋼零件环自，磨削是最常使用的加工方法。  

　　但磨削效率低、成本高缭柄、耗能大檀氏、使用磨削液對環(huán)境污染大。隨著工藝水平的提高软架，尤其是超硬刀具材料聚晶立方氮化硼(PCBN)的使用纳帽，硬車削已經(jīng)成為可能。在一定條件下用車削代替磨削加工弄讥，具有一系列優(yōu)點挣呛，顯示了誘人的前景。除了克服磨削常見的缺點外谋啃，硬車削還具有工藝靈活性大的優(yōu)點舰绘。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葱椭、殘余應(yīng)力捂寿，以及加工參數(shù)對它們的影響；精硬車削的刀具設(shè)計孵运，特別是刃口倒棱對刀具壽命的影響秦陋。 

　　2 精硬車削加工及表面質(zhì)量 

　　車削條件 

　　在大量生產(chǎn)中，對加工齒輪錐形制動凸緣進(jìn)行了現(xiàn)場試驗治笨。工件由滲碳鋼27MnCr5制成驳概，該鋼的主要化學(xué)成分是：0.23%C；1.1%Mn大磺；1%Cr抡句。精車前表面淬硬硬度850HV0.3探膊，硬化層深度約0.6mm杠愧，硬度分布見圖1。熱處理后在深0.3mm 范圍內(nèi)其成分保持不變逞壁，含碳量約1%流济。因此精加工這種鋼材，相當(dāng)于加工淬硬高碳鋼100MnCr债轰。表面淬硬后其表面殘余應(yīng)力的分布發(fā)生變化铆糙，并且誘發(fā)了殘余壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力的分布見圖&丐闲。因工件已在熱處理前進(jìn)行過車削加工械琴，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索官，內(nèi)部切向殘余應(yīng)力為-400MPa狰了。車削加工是在剛性好的車床上進(jìn)行的。車削時的加工用量是：VC=50～250m/min势瘤； f=0.05～0.2mm/r乐标；ap=0.15mm捶臂。使用PCBN刀具車削。用光學(xué)顯微鏡檢查刀具后面磨損VB姚损。 

　　在精硬車削中赎躲，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紊徊、表面殘余應(yīng)力肴熏，以及它們與切削用量的關(guān)系。 

　　車削后的工件表面顷窒，通常存在有平行于切削速度方向的長溝痕扮超，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蹋肮。像一般切削加工一樣出刷，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(dá)式為： Ra=f2/[18-(3re)?]

　　式中坯辩，re為刀尖圓弧半徑馁龟，mm；f為進(jìn)給量漆魔，mm/r坷檩。模型中忽略刀具磨損的影響，因此在使用時必須規(guī)定合適的刀具耐用度VB的值改抡。 

　　實驗也表明矢炼，精車時切削速度對表面粗糙度的影響很小，尤其是在進(jìn)給量很小的情況下阿纤。切削速度VC大于150m/min時辣摘，刀具磨損速度加快，不適合切削荡将。因此可以得出結(jié)論：精硬車削時涵群，在合適的切削條件下(PCBN刀具，VC=50～150m/min)您账，工件表面粗糙度只受進(jìn)給量f的影響盲拐，其他切削用量的影響可以忽略不計。深入研究可以發(fā)現(xiàn)爽附，在很小進(jìn)給量下精硬切削号均，加工后工件表面的塑性流動和耕犁現(xiàn)象，也影響著工件表面粗糙度的值蝗淡。 

　　加工后工件表面的殘余應(yīng)力 

　　除去表面粗糙度外易震，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(yīng)力。因此精車后工件表面的殘余應(yīng)力的性質(zhì)和分布锭测，應(yīng)當(dāng)引起重視译命。實驗表明，加工后工件的表面殘余應(yīng)力是切削速度VC侦铜、進(jìn)給量f以及刀具后面磨損VB的函數(shù)专甩。使用X-射線衍射儀和化學(xué)拋光，可得到車削后工件表面殘余應(yīng)力钉稍。 

　　眾所周知涤躲，加工后工件表面的殘余應(yīng)力主要受3個因素影響所形成，即機(jī)械贡未、熱力效應(yīng)和金相變化种樱。 

　　在硬車削中，這3個因素受刀具的性能俊卤、特性(材料嫩挤、涂層、幾何和磨損)消恍、加工參數(shù)和刀具-工件材料相互作用的影響岂昭，是極其復(fù)雜的。工件表面物理性質(zhì)的變化狠怨，部分是由于切削壓力约啊、切削溫度造成的。為了澄清這些影響秫玉，分析硬車削時的切屑形成機(jī)理是關(guān)鍵瘫笋。  

　　在硬車削加工中，刀刃前端的壓力非常大耀到，這樣才能使工件材料塑性化到一定程度锨堵，進(jìn)而形成切屑。這樣大的機(jī)械應(yīng)力作用到工件表面课枉，則會誘發(fā)殘余壓應(yīng)力属胖。熱應(yīng)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(shù)下杆赃，大的正應(yīng)力必然引起大的摩擦力，在刀具與工件間的相對運動下恃定，消耗大量摩擦能宣忧，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷９ぜ砻娌痪鶆虻臒崦浝淇s變化寞殿，同樣誘發(fā)了殘余應(yīng)力锤扣。切削溫度越高， 殘余應(yīng)力越大。用CBN車刀車削(VC=184m/min遣妥；ap=2mm擅编；f=0.1mm/r) 工件( 硬度為62HRC)時測量切削溫度，后刀面處可高達(dá)800～1000℃箫踩。在這樣的高溫影響下爱态，不僅誘發(fā)大的熱應(yīng)力，也會使工件表面產(chǎn)生金相變化境钟，產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力锦担。我們知道，這一溫度超過g-a轉(zhuǎn)變溫度慨削，并且也會使工件表面發(fā)生馬氏體-奧氏體轉(zhuǎn)變洞渔，轉(zhuǎn)變時的體積變化，引起新的殘余應(yīng)力缚态。馬氏體轉(zhuǎn)變引起殘余拉應(yīng)力磁椒，它將和工件因機(jī)械效應(yīng)引起的壓應(yīng)力疊加一起，使工件表面的應(yīng)力極為復(fù)雜玫芦。 

　　在所有情況下衷快，工件表面軸向和周向殘余應(yīng)力的分布具有相同的情況，圖3中給出的是周向殘余應(yīng)力的分布情況么缴。從圖中我們可以看到贬市，用新刀在切削速度VC=100m/min車削時，最大殘余應(yīng)力約為-250MPa犁式。在表面層以下約0.07mm處劈警， 減小到-800MPa，隨后則增到內(nèi)部的-400MPa蚌汁。應(yīng)當(dāng)注意遵盼，殘余壓應(yīng)力有利于提高工件的壽命。 

　　3 刀具設(shè)計 

　　精硬車削是否能夠正常進(jìn)行鲸嫁，合理設(shè)計刀具是關(guān)鍵刑映。 

　　刀具材料 

　　刀具要滿足要求，首先要正確選擇刀具材料兜诞。眾所周知翰鬓，一般情況下刀具材料與工件材料的硬度差越大，刀具的切削性能越好惋涌。因此精硬車削時坟翠，超硬刀具材料是首選。但考慮到金剛石刀具材料強(qiáng)度低腰素、脆性大聘裁，且在一定溫度時與鐵族元素親和力大雪营，不宜加工黑色金屬，因此精硬車削鋼材時衡便，使用PCBN是最合適的選擇献起。PCBN具有僅次于金剛石的硬度和耐磨性，硬度高達(dá)8000～9000HV镣陕，耐熱性也很高谴餐，可以承受1400～1500℃的高溫，大大高于金剛石材料茁彭，它的化學(xué)穩(wěn)定性好总寒，在1200～1300℃也不會與鐵族起化學(xué)反應(yīng)，抗黏結(jié)能力強(qiáng)理肺，因此這種刀具材料目前受到廣泛重視摄闸。在精硬車削鋼時，基本上都應(yīng)選擇這種刀具材料妹萨。 

　　刀具幾何參數(shù) 

　　加工淬硬鋼時蟹故，刀具刃口切削力大，又加上PCBN的強(qiáng)度低剃杯，因此選擇合適的刃口幾何參數(shù)逾丑，保護(hù)刀尖及刃口免受崩刃損壞，是必須認(rèn)真考慮的問題沽糕。有人在PCBN(重量組成：60BN嘲孙；35%TiCN；少量Al启血、W魂姆、Co元素)刀具設(shè)計時，根據(jù)具體加工情況户载，使用較小的主澜茁、副偏角Kr和K’r；法后角an=7°锻宵；刃傾角ls=-6°从肮；法前角gn=-6°。且選用合適的倒棱(倒棱寬0.1mm扰藕，倒棱法前角-15°左右)和刀尖圓弧半徑(re＝0.03mm缓苛，研磨拋光)，在加工中取得很好效果实胸。 

　　刀具刃口倒棱 

　　深入研究可知他嫡，在精硬車削中，刀具的刃口倒棱對刀具的磨損和耐用度有著較大的影響庐完，進(jìn)而也影響加工工件表面的性能和加工的經(jīng)濟(jì)性钢属。瑞典學(xué)者對此作了深入研究。他們用PCBN刀具在車削中心上(SMT500 CNC)精硬車削軸承鋼100Cr6(硬度為60～62HRC)工件门躯，組織為馬氏體淆党。形狀為管狀，外徑f140mm讶凉，內(nèi)徑f100mm染乌。車削時的加工用量為VC=160m/min，f=0.05mm/r懂讯，ap=0.05mm荷憋。車刀幾何參數(shù)如前所述。不同的是保持刃口倒棱寬VL=0.1mm褐望，倒棱角分別為0°搬雳、-10°、-15°锤观、-20°晃键、-30°。分別用于加工工件漱啥，以便觀察倒棱參數(shù)(倒棱角)對加工的影響迟赶。用測力計(Kistler9212)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(InstruNet100)測出切削力，可以清楚地看到灶常，隨著角度絕對值加大堵但，切削力有所增大，但耐用度則變化較大毯输。

　　刀具涂層 

　　現(xiàn)在的涂層技術(shù)铁厌，使我們能夠涂覆需要性能的各種涂層。在這樣超硬刀具材料上六赢，涂覆減摩哄避、隔熱涂層，顯然是有用的劳景。實驗表明誉简，在精硬車削時，即使涂覆TiN涂層也能使刀具耐用度顯著增加盟广，加工后的工件表面粗糙度減小闷串，殘余應(yīng)力降低。  

　　現(xiàn)在的多涂層技術(shù)筋量，納米涂層技術(shù)烹吵，應(yīng)當(dāng)在精硬車削刀具設(shè)計中發(fā)揮作用，在這方面的研究需要廣泛深入進(jìn)行桨武。 

　　正確地設(shè)計刀具后肋拔，在使用中更加嚴(yán)格控制刀具后面磨損極限VB锈津，就能加工出符合要求的表面質(zhì)量來。 

　　4 小結(jié) 

　　在現(xiàn)有的工藝條件下凉蜂，用精切削代替磨削加工琼梆，得到的工件表面質(zhì)量完全可以滿足生產(chǎn)需要。 

　　精硬車削加工能否順利進(jìn)行窿吩，刀具設(shè)計是關(guān)鍵茎杂。應(yīng)該使用PCBN制造刀具，同時合理的設(shè)計刀具幾何參數(shù)瘫篮，可以滿足加工中的要求扯连。 

　　對刀具設(shè)計進(jìn)行深入細(xì)致的研究，防止刀刃崩刃破損唆皇，提高刀具的耐用度梨浑，這方面還應(yīng)作大量工作。例如根據(jù)加工的具體條件炸鹅，如何正確設(shè)計刀具幾何角度和倒棱參數(shù)帚颤。 

　　應(yīng)當(dāng)研究適合精硬加工刀具的合適涂層和涂覆方法，我們相信隨著新型刀具材料的使用肮渣，以及涂層在這種刀具上的應(yīng)用饮噪，精硬車削代替磨削一定會取得更好的效果。

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