立方氮化硼 (CBN)刀具的应用越来越广泛 ,尤其用CBN刀具进行硬态切削的方法代替磨削加工已经成为目前切削技术新的研究热点。实践证明 ,硬态条件下只要选择好合理的切削用量 ,车削加工表面比削加工更具有完整性 ,而且车削加工方法与磨削相比还具有明显的生产效率高、能耗小、加工费用低和污染少的优点。据有关资料分析 ,CBN和PCBN刀具有如下的应用范围。按行业来分 ,汽车工业占 5 0 37%、重型机械 2 0 74 %、泵业 8 89%、轴承齿轮 5 93%、轧滚5 19%、航空航天 2 95 % ,其它 5 93%。按加工材料来分 ,淬火钢占 6 5 %、铸铁 2 8%、耐热钢 7%。按加工工序来分 ,车削占 6 0 %、镗削 32 5 %、端铣 7 5 %。按替代原加工来分 ,5 0 %为替代磨削、30 %替代硬质合金刀具、10 %替代金属陶瓷刀具、5 %替代陶瓷刀具、5 %替代珩磨加工。笔者利用CBN刀具对GCr15轴承套圈进行硬态精车 ,以替代传统的磨削加工 ,对其进行正交试验研究 ,对试验数据进行多元线性处理 ,提出在此切削条件下的合理切削用量 ,并建立了切削用量与刀具耐用度的关系式 ,以期为推广CBN刀具“以车代磨”进行有意义的尝试。 一、CBN刀具的特性和硬态切削1 CBN的主要特性立方氮化硼 (CBN)是纯人工合成材料 ,由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成 ,氮化硼有多种同分异构体。CBN是氮化硼的致密相 ,具有很高的硬度及耐磨性 ,其显微硬度达 (80 0 0～ 90 0 0 )HV ,仅次于金刚石 ,比硬质合金高 2倍。同时 ,CBN具有良好的热导性 ,其热导率是硬质合金的 13倍、铜的 3倍。另外 ,CBN还具有远优于金刚石的热稳定性和化学稳定性 ,可耐 130 0～ 15 0 0℃的高温 ,并且与Fe族元素有很大的化学惰性 ,这是金刚石刀具无法比拟的 ,可见CBN是制作切削黑色金属的理想刀具材料。立方氮化硼刀具有两种 :整体聚晶立方氮化硼 (PCBN)刀具和立方氮化硼 (CBN)复合刀片 ,后者是在硬质合金基体上烧结一层厚度约为 0 5mm的立方氮化硼而成。CBN刀具可以用硬质合金刀具加工普通钢及铸铁的切削速度对淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等进行半精加工和精加工 ,加工精度可达IT5～IT6 ,表面粗糙度可小至Ra0 8～ 0 2 μm ,可以代替磨削加工。2 硬态切削GCr15轴承钢硬态切削是指在铁族零件淬硬热处理后的切削加工 ,而过去很难进行车削 ,磨削是其唯一的加工方法。尤其对于GCr15
轴承钢 ,热处理后其硬度可达 (4 0～6 4)HRC ,一般轴承厂都采用磨削 ,生产率较低 ,加工费用较高 ,有时表面质量不够理想。随着CBN刀具的研制成功 ,CBN材料有优良的红硬性 ,在 10 0 0℃下的硬度仍高于硬质合金在室温下的硬度 ,硬态切削得到飞速发展 ,从而对GCr15轴承钢进行硬态切削成为试验研究热点。CBN刀具进行硬态切削时 ,由于不粘刀、磨损小 ,可获得极高的加工精度和表面质量 ,可以实现以车代磨。据日本切削协会对本国 5 3个大公司的调查表明 ,日本CBN刀具的应用有 5 5 %是替代原来的磨削和珩磨。 二、
正交试验1 试验条件及方案采用的试验设备及试验条件如表 1所示。表 1 试验设备及试验条件机床设备CA61 4 0车床 ,带可控硅无级调速装置 ,机床精度未做调整工件材料及尺寸 GCr1 5轴承钢 ,淬火 (60～ 63)HRC ,1 30× 2 2轴承外圈刀具材料及几何参数1 材料 :DLS F型CBN外圆车刀2 几何参数 :γ0 =0° ,α0 =6°,κr=45° ,κ′r=35°,λs=0°,rε=0 4～ 0 6 ,用 1 0倍放大镜检验刀刃无缺陷3 刀杆截面尺寸 :1 8× 1 8mm ,刀杆材料 :45钢4 刀尖伸出长度 :2 0mm切削用量1 切削速度 :v=80～ 1 30m/min(相当n =2 0 0～ 32 0r/min)2 进给量 :f=0 1 6～ 0 2 0mm/r3 背吃刀量 :ap=0 1 0～ 0 2 0mm切削液无 ,干切削测试仪器1 2 2 2 1型压电式表面粗糙度检查仪2 × 1 0单管显微镜3 秒表硬态切削时 ,径向力很大 ,机床和系统的刚性必须很好、功率足够大。装夹CBN刀具时 ,刀具的悬伸长度要尽可能短 ,以防止刀杆的颤振和变形 ,使CBN刀具保持良好状态。CBN刀具比硬质合金刀具韧性差 ,因此在切削时 ,一般采用小的前角 (0°～ - 10°)和较小的后角 (6°～ 8°)及负倒棱。若进一步对切削刃适当钝化处理 ,则会更好。另外 ,在可能的情况下 ,尽可能采用小主偏角和大的刀尖圆弧半径 ,这有助于保护切削刃、延长刀具使用寿命。合理使用CBN刀具 ,准确判断CBN刀具的耐用度 ,寻找切削用量对刀具耐用度的影响规律是关键。建议CBN刀具后刀面磨损标准达0 2～ 0 5mm(精车时取小值 ) ,进行定期重磨为好。确定切削速度、进给量及切削深度要综合考虑生产效率和加工成本 ,通常情况下其切削速度可比硬质合金刀具高 2倍左右 ,高的切削速度产生大的切削热 ,使被加工材料的塑性增大 ,有利于降低切削力。2 正交试验采用正交试验法来确定一组合理的切削用量对刀具耐用度的影响 ,为此 ,选用Lg9(34 )正交表来进行表头设计 ,分别以各因子取值范围的临界值为高水平和低水平 ,中间水平 (零水平 ) ,按下式决定 :v0 =v+1+v- 12 =81 7+ 130 72 =10 6 2 (m/min)f0 =f+1+f- 12 =0 16 + 0 22 =0 18(mm/r)ap0 =ap+1+ap - 12 =0 10 + 0 2 02 =0 15 (mm)按照三水平三因素设计出因素水平表 ,见表 2。表 2 因素水平表水平及符号 ap(mm) f(mm/r)v(m/min)上水平 +1零水平 0下水平 - 10 1 00 1 50 20 1 60 1 80 2 081 71 0 6 21 30 7 3 试验结果及分析按照Lg9(34 )进行正交试验 ,找出对刀具耐用度T影响最大的因素顺序 ,同时比较出工件表面的粗糙度和切削情况 ,从而找到最好的“以车代磨”的切削方法 ,试验方案及结果如表 3所示。表 3 试验方案及结果实验号 ap1f2v3Ra( μm)T(min) 切削情况及切屑123456789ⅠⅡⅢR+1+1+1000- 1- 1- 16 96 8 16 7 11 9+10- 1+10- 1+10- 170 26 7 86 6 24+10- 10- 1+1- 1+10776 76 0 216 80 71.21.31.41.51.61.21.31.42 6 .82 2 .519.72 3.02 0 .12 5.02 0 .42 5.22 1.5切削轻快 ,白色带状切屑切削轻快 ,发红变兰带状切屑切削轻快 ,发红变兰带状切屑切削轻快 ,兰色微带火花切削轻快 ,兰色切屑有火花切削轻快 ,兰色带状切屑切削轻快 ,兰色切屑有火花切削轻快 ,兰色带状切屑切削轻快 ,兰色带状切屑 在切削过程中 ,开始一阶段是切屑与刀具前刀面发生激烈的摩擦 ,产生很高的切削热 ,并由此造成扩散磨损使刀具前刀面、刃口部分会产生月牙洼磨损 ,当进一步切削 ,磨损主要在后刀面 ,而且后刀面的磨损直接影响加工表面粗糙度等表面质量。由表 3试验数据分析可知 ,连续切削后经观察后刀面磨损比较均匀 ,因此 ,在试验中每次取相同的磨钝标准VB =0 2mm ,利用 10倍单管显微镜测量后刀面的磨损带 ,为使实测的数据尽量接近真值 ,取多次重复试验测量的平均值 ,以保证测量精度。经过正交试验可以确定影响刀具耐用度的主次因素为 :v >f>ap;优水平为 :v+1,f+1和ap+1,也就是说当v =80m/min ,f=0 16mm/r ,ap=0 10mm时 ,刀具耐用度最高 ,表面粗糙度最小 ,切削轻快 ,切削温度比较低 ,可以获得比较理想的加工质量。为验证正交试验结果 ,还对试验数据进行了多元回归分析 ,经过矩阵方程的运算 ,获得CBN刀具硬态切削GCr15轴承钢时 ,切削用量与刀具耐用度的关系式 (Taylor公式 ) :T =15 2 9a- 0 0 3p f- 0 2 5v- 0 52 =15 2 9v0 52 f0 2 5a0 0 3p可以看出 ,影响因素的结果与正交实验结果相符合 ,进一步验证CBN车刀硬态切削GCr15轴承钢时 ,控制好切削用量的关系 ,完全可以代替磨削 ,不仅保证了较高的加工精度 ,避免了热损伤 ,而且可以大大提高生产效率 ,同时 ,利用干切削 ,减少了切削液的污染。 三、结论该研究结果应用于内蒙古集宁轴承厂的GCr15轴承外圈加工工艺 ,对比原磨削工艺有明显的优势 ,当精磨加工精度达到IT6、表面粗糙度Ra0 8μm时 ,砂轮速度vs=30～ 35m/s ,工件速度vw=15～ 2 0m/min ,磨削深度ap=0 0 1mm ,一般精磨余量为 0 0 5mm ,需要磨 2～ 3次 ,切削时间需花费 5min左右。利用CBN刀具按最低条件 ,每个零件最多需 2min ,而且避免烧伤微裂纹 ,表面质量比较高。另外试验是在干切削条件下进行 ,对研究无污染的绿色制造提供了基础数据。因此 ,CBN刀具“以车代磨”的优势是明显的。但是 ,由于CB
More abstracts about the 以车代磨加工轴承钢的CBN刀具试验研究