PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢的切削力研究

1、第10卷第2期2005年4月哈尔滨理工大学学报Vol110No12Apr.,2005PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢的切削力研究李玉甫,严复钢,王宇,胡景姝(哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨150080)摘要:通过系统的切削试验,研究了切削力的影响规律,结果表明:;大致为精加工时的3;,而与切.;硬态切削;轴承钢;切削力:TG712文献标识码:A文章编号: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淬硬钢的切削加工中,采用PCBN刀具实施硬态切削工艺可改变传统切削淬火磨削制造工序,能有效地提高生产效率和降低能量消耗.虽然PCBN刀具在淬硬钢的以车代磨加工中已经引起国内外的充分肯定,但国内在轴承、齿轮和模具行业还没有推

4、广使用这种新型超硬刀具材料.PCBN刀具切削淬硬钢时切削力的特征及其变化规律是衡量PCBN刀具切削性能的重要指标之一,本文从硬态切削力的试验研究入手,根据试验结果分析了切削力的变化与试验所选各因素之间的关系,并对切削力变化的原因进行了深入的分析,为在硬态切削条件下合理使用PCBN刀具提供了技术数据.收稿日期:2004-09-29基金项目:黑龙江省教育厅骨干教师资助计划项目作者简介:李玉甫(1963-),男,哈尔滨理工大学工程师.1试验条件、设备及方法切削试验在CA6140车床上进行,考查了DeBeers工业金刚石公司的AMBOTITEDBC50PCBN刀具在不同切削用量下切削淬硬GCrl5钢时

5、切削力的变化规律.111PCBN刀具结构和材料的性能由于PCBN刀具抗冲击的能力较差,为保护PCBN刀具刃口和延长刀具寿命,常对PCBN刀具的刃口做倒棱和钝圆处理,由此得到两种典型的PCBN刀具结构形式,如图1所示,本研究选用倒棱第2期李玉甫等:PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢的切削力研究137结构的刃口形式.切削力试验所用DBC50PCBN刀具的几何参数为:,k=015mm,=k=0=7°45°,倒棱的参数为0125mm×-20°.切削用量的范围为:切削速度50250m/min,进给量01050120mm/r,切削深度0105015mm.因为当切削

6、速度达到一定值时,切削温度逐步升高并接近工件材料的熔点,再提高切削速度切削温度升高缓慢,变化幅度较小,而且这种变化几乎不能给切削力带来影响,因此,超过这个切削速度的临界值(209m/min)时切削力会随切削速度的提高而增大,这是硬态切削时的特殊规律.表1牌号DBC50CBN/断裂韧性努普硬度(3)TiC3152/MPa519/GPa30分数(%)50/m213112工件材料的性能选用淬硬轴承钢GCrl5作为切削试验用工件材料,其化学成分(质量分数w)见表2.切削试验之前先用刀具去掉工件表面凸凹不平表层,然后再在小切深、小进给情形下进行一次精加工.表2GCr15轴承钢的化学成分及其物理性能wCw

7、MnwSiwCrwSwP212进给量对切削力的影响从试验结果看,进给量的增大使切削力的各个分量在试验因素的变化范围内都显线性增长(图3实线所示),但切削力的各个分量增长的速度不同(图3虚线所示).当进给量很小,径向力Fy的增长01951105012001400115013511301165<01020<01027速率超过了主切削力Fz和轴向力Fx的增长速率,这是因为此时切削工作主要由倒棱切削刃承担,刀具刃口和后刀面与工件材料之间的熨压作用强于剪切作用,径向力Fy的增长速率远远超过轴向力Fx,但从图中可以看到主切削力Fz受这种切削区形状的影响并不显著.113切削力的测量切削力数据采集

8、与处理系统由测力传感器、YD21型动态电阻应变仪、A/D卡、连接器和计算机等组成,测力软件为北京航空航天大学的动态数据采集FAS-4DE-2系统.2硬态切削力的变化规律211切削速度对切削力的影响提高切削速度会降低切削力,其主要原因是因为切削温度的升高导致工件材料软化而硬度下降,此外随着切削速度的增加,第二变形区切削温度的上升改善了刀屑之间的摩擦变形,使这一区域的附加变形减小,切屑流出阻力下降.而这种趋势对应一定的切削速度范围,当切削速度超过209m/min时切削力随切削速度的提高而增大,如图2所示.这是213切削深度对切削力的影响图4表明了切削力与切削深度的关系,在所选的试验参数变化范围内,

9、径向力Fy、主切削力Fz和138哈尔滨理工大学学报第9卷切削深度很小时,刀具主偏角也较小,因此切削合力Fxy分配给Y方向的切削力远远大于X方向的切削力,此时Fy/Fx的比值可以达到415,因此小切深的情形对硬态切削系统的稳定性也存在隐患,随着切削深度的逐渐增大,刀具的主偏角也随之变大,径向力Fy和轴向力Fx的值也逐渐接近,且轴向力Fx是呈增大趋势,因此Fy/Fx的比值逐渐缩小.轴向力Fx与切削深度都呈线性关系,这是硬态切削过程的又一特点.随切削深度的增加有明显的上升,粗加工(切削深度为015mm时)时切削力大约是精加工(切削深度为0105mm时)的3倍.由图4可以看出,径向力Fy的增长速率不如

10、主切削力Fz和轴向力Fx的增长速率大,这主要是因为刀尖圆弧的存在,切削深度的变化影响了实际的工作主偏角k,3PCBN刀具硬态干式切GCrl5轴承钢的切削力试验,得出结论:1)PCBN刀具切削淬硬GCrl5轴承钢时径向力Fy最大,其次是主切削力Fz和轴向力Fx,粗加工中切削力大致为精加工的3倍。2)硬态切削力与切削深度和进给量呈线性上升的关系,低切削速度时提高切削速度会降低切削力,当切削速度高于80m/min后,提高切削速度切削力逐步降低,当切削速度大于209m/min时,切削力又随切削速度的提高而增大.参考文献:1刘献礼.聚晶立方氮化硼刀具及其应用M.哈尔滨:黑龙江科技出版社,199912SHAWMC,VYASA.TheMechanismofChipFormationwithHardTurningSteelJ.AnnalsoftheClRP,1998,47(1):77-82.(审稿:刘献礼教授,郑敏利教授;编辑:王萍)(上接第135)参考文献:1尚修勇,朱子康,印杰等.可溶性PI/SiO2纳米复合材料中SiO2微相结构变化的研究J.高分子材料科学与工程,2001,17(2):68-71.2徐庆玉,纪和平等.聚酰亚胺纳米杂化材料的制备、结构、性能J.功能高分子学报,2002,15:207-218.3李