淬硬鋼旋削時的刀具特性對切削溫度的影響

林勇傳 覃海英

(廣西大學機械工程學院,廣西 南寧530004)

耐磨性要求較高的零部件往往使用表面進行過淬火處理的淬硬鋼。在對這種淬硬鋼進行表面切削加工時，如果使用導熱性差的Si3N4陶瓷刀具,由于其導熱性差,同時切削的淬硬鋼的硬度又非常高,會導致很高的切削溫度[1]。因此高速切削加工中不宜使用導熱性差的陶瓷刀具或其他的刀具。在現代先進的切削加工中常常使用硬度僅次于金剛石,且在切削刀具當中有較高的熱傳導率的CBN (立方氮化硼)刀具。

但是,切削加工而成的材料多用于要求嚴格的環境當中,因此對加工后的零部件要求具有很好的表面質量。眾所周知，淬硬鋼加工后的表層會形成與母材所不同特性的加工變質層的，即使是在使用CBN刀具的淬硬鋼的加工中也會形成叫做白層的加工變質層[2]。雖然這種白層的硬度高，但是質地脆，容易剝落，因此，應力求盡可能地不要使其生成。

有關學者對這種白層在限定切削條件下的影響[3]和它的組織以及機械特性進行過研究[4]，但并不涉及切削刀具的各種特性與切削溫度之間關系的系統研究。

1 實驗裝置以及實驗方法

在本實驗中,CNC(計算機數字控制)車床的卡盤上安裝了擴孔車刀,在刀臺上對固定住的圓筒形的淬硬鋼（SCM415）的內圓面進行切削。刀具的后刀面的切削溫度使用光纖維耦合器型的2色溫度計測量[5]。這種溫度計是通過檢測出波長范圍不同的兩個光電變換素子的輸出比來換算成溫度的,因此可以不受測定對象的輻射率的影響。切削中的刀具刀尖在穿過被切削材料穿出的小孔的下面的時候,安裝在小孔內的光纖維會接收到刀具的后刀面的輻射的紅外線。

實驗所用工件的材料是SCM415，淬硬處理后表面硬度為650HV。使用刀具為熱傳導率不同的3種CBN工具，兩種表面涂層工具和1種陶瓷工具。在每一種類的刀具里，準備

表1刀具的化學成分和熱傳導率有后刀面平均磨損(VB)為0，0.05mm，0.1mm三種不同的刀具，以便于討論在不同的磨損狀態下刀具特性對切削溫度的影響。切削速度在100m/min到200m/min之間，進給速度是0.08mm/rev，切削深度是0.2mm保持不變。表1表示了刀具的化學成分和熱傳導率，從表中可以得知，刀具CBN3的熱傳導率最高，陶瓷工具的最低。

2 實驗結果

圖2中，顯示了在使用不同熱傳導率的工具的情況下刀具的后刀面溫度的測定結果。無論是哪個工具，切削速度越快切削溫度就變得越高。另外還表明刀具后刀面的磨損程度越高，切削的溫度也變得越高。

CBN工具和陶瓷工具試驗對比表明，熱傳導率高的CBN工具的刀具，其后刀面溫度較低。3種CBN工具雖然材質相同，但結合材料和CBN的粒子的比例不同，熱傳導率也不同。試驗結果同樣顯示熱傳導率高的刀具，其后刀面溫度低。另外，通過實驗也了解到熱傳導率越小，在刀具的后刀面的摩擦損耗越大的情況下，切削速度的增加會使刀具的后刀面的溫度有較大幅度的上升。

3 結論

在本研究中，使用光纖維耦合器型的2色溫度計測量了硬鋼切削時后刀面的溫度，對刀具的熱傳導率、材質對后刀面的溫度的影響進行了研究調查，得出了以下的結論：

① 切削速度對刀具的后刀面的溫度影響很大，高速切削會使刀尖的溫度上升。

② 后刀面的磨損幅度越大，刀尖的溫度就越高。

③ 刀具熱傳導率對其后刀面的溫度有較大的影響，熱傳導率越高的，刀尖溫度越低。

[1]王寶棣,葛黃斌,邵杰.淬硬鋼切削過程分析[J].廣西大學學報:自然科學版,1993,18(1):39-42.

[2]KEVIN Y,HUI S.Thermal modeling for white layer predictions in finish hard turning[ J].International Journal of Machine Tools& Manufacture,2005,45:481-487.

[3]EVANS C J.The influence of the microstructure of harded tool steel workpiece on the wear of PCBN cutting tools[J].International journal of Machine Tools&Manufacture,2003,43:139-147.

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[5]上田隆司,細川晃.光ファイバを用いた赤外線輻射溫度計の開発 [J].材料,1987,36: 404-409.