PCBN刀具切削淬硬GCr15軸承鋼的切削力研究

1、第10卷第2期2005年4月哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)Vol110No12Apr.,2005PCBN刀具切削淬硬GCr15軸承鋼的切削力研究李玉甫,嚴(yán)復(fù)鋼,王宇,胡景姝(哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動力工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150080)摘要:通過系統(tǒng)的切削試驗(yàn),研究了切削力的影響規(guī)律,結(jié)果表明:;大致為精加工時的3;,而與切.;硬態(tài)切削;軸承鋼;切削力:TG712文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1007-2683(2005)02-0136-03StudyontheCuttingForcesDuringHardTurningHardenedBearingSteelGCrl5withPCBNToolLIYu-fu,YAN

2、Fu-Gang,WANGYu,HUJing-shu(Mechamical&PowerEngineeringCollege,HarbinUniv.Sci.Tech.,Harbin150080,China)Abstract:TheeffectofcuttingparametersoncuttingforcesduringhardturninghardenedbearingsteelGCrl5withPCBNtoolwasstudied.Experimentalresultsshowthatthetangentialforcewasthebiggestfollowedwithmaincutt

3、ingforceandfeedforce.Thecuttingforcesincreaslinearlywithincreasethecuttingdepthandfeedrate,butshownonlinearrelationswithcuttingspeed.Keywords:PCBNtool;hardturning;bearingsteel;cuttingforces淬硬鋼的切削加工中,采用PCBN刀具實(shí)施硬態(tài)切削工藝可改變傳統(tǒng)切削淬火磨削制造工序,能有效地提高生產(chǎn)效率和降低能量消耗.雖然PCBN刀具在淬硬鋼的以車代磨加工中已經(jīng)引起國內(nèi)外的充分肯定,但國內(nèi)在軸承、齒輪和模具行業(yè)還沒有推

4、廣使用這種新型超硬刀具材料.PCBN刀具切削淬硬鋼時切削力的特征及其變化規(guī)律是衡量PCBN刀具切削性能的重要指標(biāo)之一,本文從硬態(tài)切削力的試驗(yàn)研究入手,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了切削力的變化與試驗(yàn)所選各因素之間的關(guān)系,并對切削力變化的原因進(jìn)行了深入的分析,為在硬態(tài)切削條件下合理使用PCBN刀具提供了技術(shù)數(shù)據(jù).收稿日期:2004-09-29基金項(xiàng)目:黑龍江省教育廳骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目作者簡介:李玉甫(1963-),男,哈爾濱理工大學(xué)工程師.1試驗(yàn)條件、設(shè)備及方法切削試驗(yàn)在CA6140車床上進(jìn)行,考查了DeBeers工業(yè)金剛石公司的AMBOTITEDBC50PCBN刀具在不同切削用量下切削淬硬GCrl5鋼時

5、切削力的變化規(guī)律.111PCBN刀具結(jié)構(gòu)和材料的性能由于PCBN刀具抗沖擊的能力較差,為保護(hù)PCBN刀具刃口和延長刀具壽命,常對PCBN刀具的刃口做倒棱和鈍圓處理,由此得到兩種典型的PCBN刀具結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示,本研究選用倒棱第2期李玉甫等:PCBN刀具切削淬硬GCr15軸承鋼的切削力研究137結(jié)構(gòu)的刃口形式.切削力試驗(yàn)所用DBC50PCBN刀具的幾何參數(shù)為:,k=015mm,=k=0=7°45°,倒棱的參數(shù)為0125mm×-20°.切削用量的范圍為:切削速度50250m/min,進(jìn)給量01050120mm/r,切削深度0105015mm.因?yàn)楫?dāng)切削

6、速度達(dá)到一定值時,切削溫度逐步升高并接近工件材料的熔點(diǎn),再提高切削速度切削溫度升高緩慢,變化幅度較小,而且這種變化幾乎不能給切削力帶來影響,因此,超過這個切削速度的臨界值(209m/min)時切削力會隨切削速度的提高而增大,這是硬態(tài)切削時的特殊規(guī)律.表1牌號DBC50CBN/斷裂韌性努普硬度(3)TiC3152/MPa519/GPa30分?jǐn)?shù)(%)50/m213112工件材料的性能選用淬硬軸承鋼GCrl5作為切削試驗(yàn)用工件材料,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w)見表2.切削試驗(yàn)之前先用刀具去掉工件表面凸凹不平表層,然后再在小切深、小進(jìn)給情形下進(jìn)行一次精加工.表2GCr15軸承鋼的化學(xué)成分及其物理性能wCw

7、MnwSiwCrwSwP212進(jìn)給量對切削力的影響從試驗(yàn)結(jié)果看,進(jìn)給量的增大使切削力的各個分量在試驗(yàn)因素的變化范圍內(nèi)都顯線性增長(圖3實(shí)線所示),但切削力的各個分量增長的速度不同(圖3虛線所示).當(dāng)進(jìn)給量很小,徑向力Fy的增長01951105012001400115013511301165<01020<01027速率超過了主切削力Fz和軸向力Fx的增長速率,這是因?yàn)榇藭r切削工作主要由倒棱切削刃承擔(dān),刀具刃口和后刀面與工件材料之間的熨壓作用強(qiáng)于剪切作用,徑向力Fy的增長速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過軸向力Fx,但從圖中可以看到主切削力Fz受這種切削區(qū)形狀的影響并不顯著.113切削力的測量切削力數(shù)據(jù)采集

8、與處理系統(tǒng)由測力傳感器、YD21型動態(tài)電阻應(yīng)變儀、A/D卡、連接器和計(jì)算機(jī)等組成,測力軟件為北京航空航天大學(xué)的動態(tài)數(shù)據(jù)采集FAS-4DE-2系統(tǒng).2硬態(tài)切削力的變化規(guī)律211切削速度對切削力的影響提高切削速度會降低切削力,其主要原因是因?yàn)榍邢鳒囟鹊纳邔?dǎo)致工件材料軟化而硬度下降,此外隨著切削速度的增加,第二變形區(qū)切削溫度的上升改善了刀屑之間的摩擦變形,使這一區(qū)域的附加變形減小,切屑流出阻力下降.而這種趨勢對應(yīng)一定的切削速度范圍,當(dāng)切削速度超過209m/min時切削力隨切削速度的提高而增大,如圖2所示.這是213切削深度對切削力的影響圖4表明了切削力與切削深度的關(guān)系,在所選的試驗(yàn)參數(shù)變化范圍內(nèi),

9、徑向力Fy、主切削力Fz和138哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)第9卷切削深度很小時,刀具主偏角也較小,因此切削合力Fxy分配給Y方向的切削力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X方向的切削力,此時Fy/Fx的比值可以達(dá)到415,因此小切深的情形對硬態(tài)切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性也存在隱患,隨著切削深度的逐漸增大,刀具的主偏角也隨之變大,徑向力Fy和軸向力Fx的值也逐漸接近,且軸向力Fx是呈增大趨勢,因此Fy/Fx的比值逐漸縮小.軸向力Fx與切削深度都呈線性關(guān)系,這是硬態(tài)切削過程的又一特點(diǎn).隨切削深度的增加有明顯的上升,粗加工(切削深度為015mm時)時切削力大約是精加工(切削深度為0105mm時)的3倍.由圖4可以看出,徑向力Fy的增長速率不如

10、主切削力Fz和軸向力Fx的增長速率大,這主要是因?yàn)榈都鈭A弧的存在,切削深度的變化影響了實(shí)際的工作主偏角k,3PCBN刀具硬態(tài)干式切GCrl5軸承鋼的切削力試驗(yàn),得出結(jié)論:1)PCBN刀具切削淬硬GCrl5軸承鋼時徑向力Fy最大,其次是主切削力Fz和軸向力Fx,粗加工中切削力大致為精加工的3倍。2)硬態(tài)切削力與切削深度和進(jìn)給量呈線性上升的關(guān)系,低切削速度時提高切削速度會降低切削力,當(dāng)切削速度高于80m/min后,提高切削速度切削力逐步降低,當(dāng)切削速度大于209m/min時,切削力又隨切削速度的提高而增大.參考文獻(xiàn):1劉獻(xiàn)禮.聚晶立方氮化硼刀具及其應(yīng)用M.哈爾濱:黑龍江科技出版社,199912SHAWMC,VYASA.TheMechanismofChipFormationwithHardTurningSteelJ.AnnalsoftheClRP,1998,47(1):77-82.(審稿:劉獻(xiàn)禮教授,鄭敏利教授;編輯:王萍)(上接第135)參考文獻(xiàn):1尚修勇,朱子康,印杰等.可溶性PI/SiO2納米復(fù)合材料中SiO2微相結(jié)構(gòu)變化的研究J.高分子材料科學(xué)與工程,2001,17(2):68-71.2徐慶玉,紀(jì)和平等.聚酰亞胺納米雜化材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能J.功能高分子學(xué)報(bào),2002,15:207-218.3李