CBN刀片硬車削GCr15軸承鋼表面粗糙度的切削參數優化

劉培培

摘 要：與圓柱磨削工藝相比，硬車削已發展成為一種加工硬化零件的經濟方法。通過硬車削工藝獲得的表面粗糙度，尺寸和幾何精度與通過磨削工藝獲得的相似。立方氮化硼（CBN）通常在硬車削中用作切削工具。軸承襯套是使用硬度為60HRC的非常堅硬的材料制造的，這需要非常高的表面光潔度和精度。表面粗糙度在軸承應用中起著至關重要的作用，硬車削可用于實現所需的高表面光潔度并保持緊密的公差和精度。本文使用硬車床并選用CBN刀具在干燥條件下對淬硬的GCr15鋼進行實驗，以研究切削參數對表面粗糙度的影響，并通過田口矩陣方法獲得了使表面粗糙度最小的最佳切削參數分析。在最佳條件下獲得的最小表面粗糙度為0.1492 mm，與磨削軸承襯套進行比較，發現硬車削軸承襯套的表面粗糙度要比磨削軸承襯套更好。

關鍵詞：硬車削;軸承襯套;切削參數;表面粗糙度

使用CBN刀片可以輕松地完成硬度高達60-62HRC的工件材料的車削，并且在某些特定應用中，比磨削可以獲得更好的表面光潔度。硬車削在某些應用中被認為是替代選擇，因為通過硬車削完成零件的生產步驟更少，并且能夠去除材料至指定的公差，獲得所需的表面光潔度。CBN的硬度僅次于金剛石，是陶瓷的兩倍，耐磨性幾乎與金剛石相同，因為它比陶瓷好2至5倍，比碳化物好5至10倍。因此，CBN可用于淬硬鋼，各種鈷、鎳和鐵基硬質合金的機械加工和精加工。在硬車削中，大多數工件都可以輕松地加工完成，這是硬車削的主要優勢之一。切削參數取決于許多變量，例如材料類型，硬度，公差，表面光潔度要求和切削刀具幾何形狀。在大多數情況下，取決于上述參數，可能有必要進行試驗測試以找出給定應用的最佳條件。田口法是找出改善表面質量的最佳參數的最佳方法。

實驗中使用三個切削參數，分別是切削速度，進給量和三個切削深度。通過使用田口矩陣方法選定切削條件實驗，以獲得最佳切削參數，實現軸承襯套組件上的最小表面粗糙度。

實驗使用硬車床進行，該機床主要用于加工硬度范圍從40HRC到70HRC的非常硬的材料。硬車床是專門用于加工非常硬的材料，由線性導軌和強大的主軸組成，具有很高的動態剛度，床身由復合材料制成，具有很高的減振效果。用于實驗的工件材料是GCr15鋼，該鋼主要用于軸承鋼應用。使用機床將直徑為50mm的GCr15棒料粗加工成直徑為43mm，熱處理至硬度為60HRC。根據實驗設計，準備9個工件，車刀選用CBN（立方氮化硼）刀片，刀尖半徑0.8mm。對所有9個硬車削實驗的組合進行比較。

通過使用表面粗糙度測試儀，測量9種硬車削軸承套表面粗糙度。在軸承鋼硬車削之前和之后測量軸承襯套組件的表面粗糙度。硬車削前的表面粗糙度值為1.02mm，硬車削實驗后得到的最小表面粗糙度值為0.153mm。

對于所有實驗，均獲得了使用表面粗糙度測量儀得到的表面粗糙度值，以及通過田口實驗分析獲得了S/N比率值。從實驗結果可以看出，切削速度V=200mm/min，進給量F=0.04mm/re和切削深度D=0.2mm（S/N比）時，切削參數組合的最小表面粗糙度值為0.153mm，信噪比值為16.3062。

從數據中可以清楚地看出，進給（9.156），其次是深度（2.3560）和切削速度（0.461）的信噪比（S/N）最大值和最小值平均值之間的差異更大。因此，進給是決定表面粗糙度的重要參數。

通過田口分析得出的表面粗糙度預測值V=100m/min，F=0.04mm/rev和D=0.2mm為0.1489mm。使用CBN刀片在干式加工條件下V=100m/min，F=0.04mm/rev和D=0.2mm。將最佳條件0.1492mm的結果與田口方法的預測值0.1489進行比較，結果非常接近預測值，并且小于4號實驗的切削條件，即0.153mm。將該結果與研磨工件的表面粗糙度進行比較，發現硬車削工件比研磨工件產生的表面粗糙度最小。

結論

①結果表明，對于所有不同的切削速度和切削深度值，GCr15鋼的表面粗糙度都隨著進給量的增加而增加。因此，進給量是改善表面粗糙度最有影響力和最主要的參數。②從田口矩陣和主效應圖獲得了用于實現最小表面粗糙度的最佳切削參數，它們是V=100m/min，F=0.04mm/rev和D=0.2mm。③進行確認測試以驗證最佳和預測的切削參數，并且獲得的結果幾乎等于預測值。在最佳條件V=100m/min，F=0.04mm/rev和D=0.2mm的條件下，可獲得更好的表面粗糙度為0.1492mm。④將硬車削軸承套的表面粗糙度與磨削的軸承套進行比較，發現硬車削軸承套的表面粗糙度比磨削的軸承套的小。

參考文獻

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