精密干式硬態車削淬硬工具鋼時表面粗糙度的參數優化

唐林虎 黃建龍 高成秀 羅文翠

（①蘭州工業高等專科學校機械工程系，甘肅蘭州 730050;②蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州 730050）

根據相關文獻對干式切削［1］、硬態切削［2］的定義。筆者將精密干式硬態切削（簡稱精干硬切削）淬硬鋼定義為用單刃刀具在不使用切削液或最小量潤滑技術來加工材料硬度在45 HRC以上的工件來達到較高表面精度的切削過程。

近年來，新型刀具材料（比如:聚晶立方氮化硼，簡稱PCBN）的出現有力推動了硬態切削的發展。德國Achen大學的Kolocke教授［2］在2005年CIRP年會上所做的題為“Capability Profile of Hard Cutting and Grinding Processes”的主題報告中，詳細對比了硬態切削和磨削工件表面性能。研究結果表明，硬態切削能得到與磨削相當的表面粗糙度，是最具應用前景的先進制造技術。

目前，陳濤博士與劉獻禮教授等國內外學者對淬硬GCr15軸承鋼以及AISI D2等工具鋼進行了硬態切削研究［3－8］。Dilbag［9］研究了切削用量與刀尖r對硬車削軸承鋼AISI 52100表面粗糙度的影響，并得出結論:進給量是僅次于刀尖半徑與切削速度對工件表面粗糙度有決定性影響的因素。但是沒有學者對國產淬硬工具鋼Cr12MoV進行切削試驗。

1 車削試驗

1．1 試驗設備

切削試驗在蘭州理工大學數字制造技術與應用省部重點實驗室的CAK6150Dj數控車床上進行。采用SJ－201C（日本產）數顯式表面粗糙度儀測量表面粗糙度。圖1為車削過程中的工件。

1．2 試件制備

試件材料采用寶山鋼鐵股份有限公司生產的Cr12MoV工具鋼。試件在蘭州甘光工具塑壓分廠熱處理、加工。熱處理工藝為:先在1 040℃的高溫下退火，再油冷，之后以不同的溫度進行低溫回火得到55±1 HRC，58±1 HRC，62±1 HRC 等幾種不同淬硬狀態的試件，最后用磨外圓到直徑48 mm。取試件長度300 mm。化學成分如表1所示。

表1 工具鋼Cr12MoV的化學成分 %

1．3 刀具組成、性能以及幾何參數

表2 刀具幾何參數

選用北京沃爾德超硬工具有限公司生產的PCBN刀具，型號為SCGN150404，其CBN含量為85%，粘結劑為鎢鈷鋁，粒度為 2 μm。刀具前角有 －5°，0°，－10°三種，其它幾何參數如表2所示。

1．4 試驗設計

采用正交試驗方案設計［10］，對切削速度v、工件硬度H，刀具前角α（考慮到0°對預測模型計算的影響，這里采用cosα表達）、切削深度ap四個參數分別取3種不同水平，即四因素三水平正交表（34），其正交表如表3所示。

表3 變量水平

2 試驗結果與分析

車削過程中，表面粗糙度值采集7次，然后去掉最大值與最小值，之后取其平均值。其表面粗糙度值及其結果分析如表4所示。

表中:i表示水平（i=1，2，3）;j表示因素（j=A，B，C，D）;Kij=第j列中水平數i對應的試驗值之和;kij（第j列）=Kij/（第j列中i的重合次數）;Rj=第j列的ki中最大減去最小的值。

其因素與指標的關系圖如圖2所示。通過對試驗結果分析可得:

表4 表面粗糙度試驗值及其結果分析表

（1）4個因素的主次順序是:ABCD。

（2）各因素變化時，指標的變化規律是:速度從75m/min提高到226m/min時，表面粗糙度平均值逐漸減小;試件淬火硬度從55HRC提高到62HRC時，表面粗糙度平均值先增大后減小;前角從－5°，0°，－10°變化時，表面粗糙度平均值先增大后減小;切削深度從0.10mm增大到0.20mm時，表面粗糙度平均值有小幅增大。

（3）試驗中最優車削條件是A3B1C3D2。

對于55±1HRC試件，最優車削條件是A3B1C3D2，其表面粗糙度可達到0.50 μm;

對于58±1HRC試件，最優車削條件是A3B2C1D3，其表面粗糙度可達到0.72 μm;

對于62±1HRC試件，最優車削條件是A3B3C2D1，其表面粗糙度可達到0.56 μm。

3 結語

通過PCBN刀具精密干式硬態車削淬硬工具鋼Cr12MoV的試驗研究，得到了不同淬硬狀態工具鋼的最優車削參數。對于55±1HRC試件，最優車削參數是:v=226m/min，α = －10°，ap=0.15mm;對于58 ±1HRC試件，最優車削參數是:v=226m/min，α=－5°，ap=0.10mm;對于 62±1HRC試件，最優車削參數是:v=226m/min，α =0°，ap=0.10mm。

［1］苗志毅，馮克明．綠色切削與PCBN刀具切削技術［J］．金剛石與磨料磨具工程，2004（5）:73－76．

［2］KLOCKE F，BRINKSMEIER E，Weinert K．Capability profile of hard cutting and grinding processes［J］．Annals of the CIRP，2005，54（2）:552－580．

［3］李玉甫，嚴復鋼，王宇，等．PCBN刀具切削淬硬GCr15軸承鋼的切削力研究［J］．哈爾濱理工大學學報，2005，10（2）:136 －138．

［4］文東輝．PCBN刀具硬態切削機理及技術［D］．大連:大連理工大學，2002．

［5］El－Wardany TI，Kishawy HA，Elbestawi MA．Surface Integrity of Die Material in High Speed Hard Machining，Part 1:Micrographical Analysis［J］．J Manuf Sci Eng．，2000，122:620 －631．

［6］Ng EG，Aspinwall DK．The Effect of Workpiece Hardness and Cutting Speed on the Machinability of AISI H13 Hot Work Die Steel When Using PCBN Tooling［J］．J Manuf Sci Eng．，2002，124:588 －594．

［7］陳濤，劉獻禮，羅國濤．PCBN刀具切削淬硬鋼時倒棱參數對切削過程的影響［J］．農業機械學報，2008，39（11）:169－175．

［8］陳濤，劉獻禮．PCBN刀具硬態車削淬硬軸承GCr15表面粗糙度試驗與預測［J］．中國機械工程，2007，18（24）:2973 －2975．

［9］DILBAG S，RAO PV．A surface roughness prediction modelfor hard turning process［J］．Int J Adv Manuf Technol．，2007，32:1115 －1124．

［10］中國科學院數學研究所數理統計組編．正交實驗法［M］．北京:人民教育出版社，1975．