濟南銘揚軸承有限公司介紹干切削淬硬軸承鋼磨損機理的研究

軸承鋼磨損機理初期磨損正常磨損工件材料加工材料

聚晶立方氮化硼(PCBN)是利用人工方法合成的硬度僅次于金剛石的新型刀具材料，在近二十多年中得到了很快的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、電子、液壓元件等精密工業(yè)領(lǐng)域。由于聚晶立方氮化硼具備了許多優(yōu)良的機械性能，因此不僅常用于加工一些高硬度難加工材料，而且可以應(yīng)用于精加工淬硬鋼以代替磨削工藝。但到目前為止，PCBN刀具切削淬硬鋼的加工技術(shù)尚未被相關(guān)企業(yè)廣泛采用，其主要原因是企業(yè)對用PCBN刀具切削淬硬鋼的加工機理、刀具性能及使用技術(shù)等方面還沒有完全理解和掌握，此外切削過程中的一些不穩(wěn)定因素以及昂貴的刀具成本也制約了PCBN刀具的使用和推廣。近幾年來，國內(nèi)外加強了對PCBN刀具磨損的研究，但研究內(nèi)容主要集中在一般磨損機理以及在具體加工條件下切削難加工材料等方面，而很少報導(dǎo)采用PCBN刀片加工淬硬鋼的磨損問題。

本文以瑞典Sandvik公司CB20牌號PCBN刀具干式切削淬硬GCr15軸承鋼為研究對象，通過切削試驗系統(tǒng)分析了PCBN刀具的磨損問題，同時探討了在切削過程中切屑形態(tài)與刀具磨損之間的關(guān)系，為拓寬PCBN刀具的應(yīng)用范圍，將其運用于硬材料的精加工提供了試驗依據(jù)。

1 試驗條件

1) 試驗用機床：C6132；
2) 工件：工件材料：淬硬GCr15軸承鋼(淬火后硬度61～63)，工件規(guī)格：φ40×280mm；
3) 刀片：采用瑞典sandvik公司生產(chǎn)的SNMA120408 S01020E CB20刀片(這種刀片是在硬質(zhì)合金的載體上焊接了添加氮化鈦的立方氮化硼刀尖)，刀片幾何形狀見圖#。裝夾后刀具的幾何參數(shù)：go=-6°，ao=6°，ls=-4°，kr=75°，kr’=15°，刀尖圓弧半徑re=0.8mm，負倒棱為26°×0.1mm(刀片的掃描電鏡圖片見圖3a)。
4) 切削參數(shù)：切削速度vc=140m/min，背吃刀量ap=0.2mm，進給速率f=0.1mm/r，采用干式切削。
5) 測量與觀察：在切削試驗中，每間隔3min，在40倍工具顯微鏡下測量刀具主后刀面磨損量并觀察前后刀面的磨損形態(tài)；在切削行程達到7800m時，用HITACHI S-570型掃描電鏡(SEM)觀察刀具表面磨損帶形貌，用熱電偶法測量切削溫度，用YCL型表面輪廓儀測量表面粗糙度。

2 試驗結(jié)果與分析

在用PCBN刀具干車削淬硬GCr15軸承鋼的試驗中觀察到：切屑呈暗紅色，沿副切削刃方向流出。用熱電偶法測量的切削溫度達1000℃以上。

1) PCBN刀具磨損特征

CB20刀片車削淬硬GCr15軸承鋼時，在刀具前后刀面都會產(chǎn)生磨損。切削過程中，刀尖部位先發(fā)生磨損，緊接著發(fā)生前刀面磨損，其主要特征是在靠近倒棱面處先形成月牙洼。隨著切削的進行，月牙洼向前刀面深處、主刀刃和副刀刃延伸。切削行程達到7800m時形成的月牙洼掃描電鏡圖片如圖3b所示，月牙洼寬度和深度比較均勻，但在靠近刀尖部分的金相照片和延伸到兩邊的金相照片有明顯不同，在刀尖部位有顆粒剝落和微崩刃現(xiàn)象。

在切削初期很難觀察到后刀面磨損，但靠近刀尖部位的磨損相對明顯。在切削進行6～7分鐘后，主后刀面靠近刀尖圓弧處出現(xiàn)了磨損現(xiàn)象。切削行程達到7800m時形成的后刀面磨損帶掃描電鏡圖片見圖5b，后刀面磨損帶和傳統(tǒng)的后刀面磨損帶有明顯的不同，副后刀面的磨損遠遠低于主后刀面的磨損，前、后刀面磨損區(qū)域較小。
2) 刀具磨損曲線

主后刀面磨損，隨著切削時間的增加，CB20刀片的磨損逐漸均勻增加，初期磨損階段和正常磨損階段有明顯區(qū)別，而正常磨損階段與劇烈磨損階段沒有明顯的區(qū)分界限。

分析認為，在切削試驗初期，由于新刀具的前后刀面在微觀上仍存在著一些粗糙不平的地方，在切削加工中與工件表面的接觸應(yīng)力很大，故刀具的磨損較快；隨著切削時間的增加，新刀具經(jīng)磨合后，刀具與工件的接觸面積增大，壓強減小，磨損曲線變化趨于穩(wěn)定。至試驗結(jié)束、切削行程達到7800m時，主后刀面磨損量達0.35mm時，切削過程仍然比較平穩(wěn)，表面粗糙度Ra為1.6。

3) 磨損機理的研究及探討

a. 前刀面磨損

前刀面磨損現(xiàn)象在切削試驗開始階段即會發(fā)生，主要表現(xiàn)為機械磨損造成的輕微劃痕和擦傷；隨著切削時間的推移，靠近刀尖附近的前刀面磨損呈月牙洼形狀，這是由于切削區(qū)的高溫作用使刀具表面發(fā)生了相變磨損，從而表現(xiàn)為“月牙洼”的出現(xiàn)。如果在切削過程中對PCBN刀具進行適當(dāng)?shù)睦鋮s，比如用惰性氣體(以N2為佳)加以保護，則可以大大減緩刀具前刀面的磨損，從而提高刀具的使用壽命。

利用掃描電鏡對靠近微崩刃區(qū)域的月牙洼部分進一步觀察分析，并與磨損前的刀具表面金相圖片進行對比。從圖4可以清楚地看到未切削的CB20刀具前刀面晶粒分布均勻一致，而磨損后的刀具則呈現(xiàn)坑坑洼洼無規(guī)律性的表面結(jié)構(gòu)。對此現(xiàn)象的產(chǎn)生，筆者認為是由于切削加工的溫度高達1000℃以上，PCBN刀具必然會發(fā)生氧化和放氮反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為：

4BN(CBN)+3O2→2N2↑+2B2O3

上式表明PCBN刀具表面經(jīng)氧化作用后會在其表面形成一層氧化膜，但由于切屑的強烈摩擦與熱沖擊作用，這層氧化膜會很快被切屑帶走，造成進一步的氧化磨損。對于相變磨損，圖4b中表現(xiàn)得并不明顯。

b. 后刀面磨損

在切削加工初期，后刀面的磨損現(xiàn)象很難觀察到，但刀尖部分磨損卻比較明顯，這是由于刀片的刀尖圓弧re=0.8mm，背吃刀量ap=0.2mm，切削加工剛開始時刀具的后刀面與工件并不接觸，而后刀面的磨損也就只反映在刀尖與后刀面的圓弧連接處，直到切削進行了6～7分鐘左右，在主后面靠近刀尖圓弧處出現(xiàn)了磨損現(xiàn)象。

后刀面磨損部分呈麻點狀，刀具表面有顆粒脫落。這是由于在一定壓力和高溫條件下，CBN活性增強，與加工材料的親和傾向不斷增加，從而導(dǎo)致了粘結(jié)磨損的發(fā)生。副后刀面的粘結(jié)情況比主后刀面要好。由于切削加工中，主后刀面的溫度來自于刀具與工件的劇烈摩擦和切屑對刀具表面的熱沖擊，而副后刀面的溫度主要是高溫切屑流過而引起的，顯然比主后刀面的切削溫度要低，因此證明了粘結(jié)磨損受溫度的影響，溫度越高，粘結(jié)情況越嚴重。
(a)副后刀面表面形貌(100×) (b)主后刀面表面形貌(100×) (c)主后刀面微觀組織(3000×)
CB20刀具另一磨損機制的存在，即a節(jié)中所提到的相變磨損。由CB20主后刀面的金相組織可以觀察到乳突狀麻斑，CBN晶粒突出在表面，周圍的粘結(jié)劑已經(jīng)被磨去。這正是發(fā)生相變磨損的典型特征，即CBN顆粒發(fā)生了CBN→HBN的轉(zhuǎn)化。由于HBN硬度很低，從而喪失了切削能力。由于通常認為前刀面的切削溫度要比后刀面高，后刀面有相變磨損產(chǎn)生，則前刀面也必然發(fā)生了相變磨損。

c. 顆粒剝落和微崩刃現(xiàn)象

顆粒剝落和微崩刃現(xiàn)象是超硬聚晶金剛石刀具材料所特有的磨損類型。在本試驗中，當(dāng)切削了25分鐘左右時，CB20刀具切削刃與加工工件表面接觸區(qū)域(即負倒棱靠近刀尖圓弧部分)發(fā)生了微崩刃現(xiàn)象，用掃描電鏡觀察產(chǎn)生微崩的CB20刀尖部分，看到刀尖部分已有缺損。由于PCBN刀具是由無數(shù)細小的CBN顆粒構(gòu)成的，晶界處富集的“雜質(zhì)組元”相當(dāng)于一種“精細裂紋”，而且存在著不均勻的內(nèi)應(yīng)力，因而大大降低了晶界強度。因此當(dāng)高溫切屑流過刀具刀尖時，被加工材料材質(zhì)不均勻或存在硬質(zhì)點而導(dǎo)致的微沖擊以及機床主軸的跳動等造成了CBN顆粒剝落和微崩刃。

4) 切屑形態(tài)變化分析

閻秋生教授的研究認為：在切削速度較高、加工材料仍處于較低溫度的情況下，刀尖位置已經(jīng)滿足了被切除材料產(chǎn)生脆性剪斷的條件，因而在滿足切削區(qū)材料塑性剪切滑移應(yīng)力條件之前形成了產(chǎn)生鋸齒形切屑的裂紋而生成鋸齒形切屑。試驗中發(fā)現(xiàn)在相同切削用量下，切屑在不同時期也會有一些變化。在切削初期階段(見圖7a)，可以清楚地看見切屑是由層狀薄片擠壓堆積形成的。結(jié)合圖8來加以說明：切削初期，刀具與工件的接觸面小，擠壓作用比較大，切屑排出困難；切削進行了一段時間之后，隨著刀具鈍圓rn的出現(xiàn)，切削接觸面積增大，并且刀具前刀面月牙洼的產(chǎn)生也使得刀具實際前角增大，同時刀具表面經(jīng)過切屑的滑擦作用也變得光滑，從而適宜切屑的流出，切屑的剪切變形和排出阻力都有所減小，因而切屑表面較為光滑(見圖7b、7c)。

(a)新刀具切削初期時的切屑形態(tài)(100×)
(b)刀具磨損后較低溫度下的切屑形(100×)
(c)刀具磨損后連續(xù)切削、高溫下的切屑形態(tài)(80×)

比較圖7b和7c：圖7b是刀片進行磨損測量后再次進行切削(工件溫度較低)產(chǎn)生的初切屑形態(tài)，切屑平直呈長條形；隨著切削時間的延長，切削溫度升高后，切屑就變?yōu)閳D7c的螺旋鋸齒狀形態(tài)。由于在此過程中只有切削溫度發(fā)生了變化，切削參數(shù)并沒有改變，因此筆者認為溫度的變化對切屑形態(tài)也有著一定的影響：隨著切削溫度的升高，切屑的剪切變形增大，鋸齒狀切屑的齒距和齒高都會有所變化。有關(guān)溫度因素對切屑的具體影響還有待深入研究。

3 結(jié)論

1) 用CB20刀具精車淬硬鋼(HRC>60)，切削過程比較平穩(wěn)且刀具使用壽命長，是精加工淬硬鋼等硬脆材料的理想刀具。建議采用如下的切削用量：切削速度Vc≥140m/min，背吃刀量ap=0.2mm，進給速率f=0.1mm/r。

2) CB20刀具前后刀面磨損區(qū)域較小且主要集中在刀尖和副倒棱附近，磨損原因主要是機械磨損、氧化磨損、相變磨損和粘結(jié)磨損，它們的共同作用造成了刀具的磨損。

3) CB20刀具在磨損區(qū)域有顆粒剝落和微崩刃發(fā)生，因此在加工中必須合理選擇切削用量，提高工件材料的材質(zhì)，選用剛性好的機床，注意機床—工件—刀具工藝系統(tǒng)的振動。

4) 切削加工是一個動態(tài)的過程，在相同的切削參數(shù)下，切屑形態(tài)隨著刀具的磨損會發(fā)生變化，有關(guān)影響切屑形態(tài)變化的原因和機理有待于進一步深入研究。

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