用合理制备切削刃的刀具加工工件过渡区

在工件过渡区（即淬硬表层与经部分淬硬的工件本体的过渡区域）的加工中,由于被加工结构具有不同的特性，因此刀具切削刃必须满足复杂的、有时是相互矛盾的性能需求。例如，在切削变形程度不大的淬硬工件材料时，为了达到适当的切削刃稳定性，对刃口进行钝化处理被证实是有益的。另一方面，由于未淬硬材料在切削时具有较大的弹塑性变形，需要采用锋利的切削刃加工。因此，需要的刀具切削刃形貌应能低成本、高质量地加工具有软、硬两个不同部分的工件。迄今为止，关于在加工具有表面淬硬层和局部淬硬的工件时，刀具切削刃的微观几何形貌、制备方法、技术参数与加工结果之间的关系的相关知识一直比较欠缺。本文专门针对这一问题进行了深入研究。

引言

由于经济上或功能、技术上的原因，越来越多的工件采用了局部淬硬的处理方式。例如，在汽车、航空航天工业或机器制造业中，一些特殊的加工应用意味着必须对加工过程进行深入研究，以便在加工工件的表面层与局部淬硬材料的过渡区时，通过构建有效的加工系统和选择适当的加工参数，获得可重复的最佳加工效果。其结果是（尤其在考虑刀具切削刃的微观几何形貌时），专用刀具及其附属技术的有效性（包括切削刃的制备和刀具的刀片技术）正变得极其重要。本文介绍了在建立切削刃微观几何形貌、加工条件与加工结果之间的关系上所做的工作，以及获得的主要成果。作为项目的目标参数，产品质量与经济指标同样重要。

切削刃的制备

切削刃的制备方法包括毛刷技术、在磁场中进行表面精加工，以及在专用喷砂机中进行喷砂处理等。

本文的研究对象是方形刀片（S型几何形状）和切槽刀片。研究的刀具材料为两种聚晶立方氮化硼（CBN或PCBN）牌号和一种陶瓷牌号。在最先进行的试验中，首先确定了修改刀片几何参数和刀具材料的技术范畴，然后，根据确定为合适的参数组合来制备刀片的切削刃，继而通过切削试验对这些刀片的加工效果进行研究。其后，采用具有相应参数组合（它们确定了加工工艺）的每一种刃口制备方法，得到至少两种不同的切削刃条件。将用这种制备方法获得的切削刃的半径和表面粗糙度与初始条件（磨后刀片）以及市场上销售的切削刀片进行了比较，从比较结果可知，采用不同的制备方法和加工条件，获得的切削刃微观几何形貌也不相同。根据加工原理，用毛刷制备的切削刃其刃口半径大小取决于制备时间，随着毛刷制备时间的增加，刃口半径增大的速度递减，且刃口粗糙度也逐步减小，而且似乎会达到一个极限值。另一方面，在磁场中对CBN刀片刃口进行表面精加工时，刀具刃口半径的增大与加工时间无关。这就意味着，增加精化时间并不会导致切削刃半径的进一步增大。然而，对于陶瓷刀片则不然，随着制备时间的增加，陶瓷刀片的切削刃半径将会增大。无论对于何种材料的刀具，在磁场中制备的切削刃刃口粗糙度的减小都要比经过毛刷制备的刃口小得多。采用两种不同技术进行喷砂处理的刃口有着相似的刃口半径和表面粗糙度，在所采用的条件下，其刃口粗糙度与处理前相比没有减小。正如预期的那样，采用不同材料的切削刀具表现出了不同程度的耐磨性。

为了证实用不同方法制备的切削刃的性能与市场上供应的刀片的对比结果，也为了确立制备方法和切削刃微观形貌对制备结果的影响关系，我们对不同结构的工件过渡区进行了广泛的切削试验研究。

切削试验与结果

首先对专门设计的试件进行了切削试验，试件与实际工件相仿并用于纵向车削（在纵轴方向有从硬→软/软→硬、突变和渐变的过渡区域，进行硬表面层的沉切）和切槽试验（在切槽方向上有过渡区域）。所研究的材料是滚柱轴承钢100Cr6，1.3505（纵向车削硬度有突变和渐变的过渡区域）和表面淬硬钢16MnCr5，1.7131（沉切硬表面层和切槽）。

所有这些切削试验的切削速度为Vc=150m/min。在车削有突变和渐变过渡区域时以及沉切硬表面层时的进给量为f=0.1mm。切深根据所采用方法的不同而有所变化。在车削有硬度突变和渐变的过渡区域时，切深为ap=0.1mm。在沉切硬表面层时，切深为ap=1.5mm（表面淬硬深度CHD=0.8mm）。为了研究刃口制备对切削进给量的影响，进行了硬表面层的切槽试验，进给量分别为f1=0.03mm和f2=0.06mm。对材料的切入深度为3mm（CHD=1.5mm）。

为了确定初始参数与加工结果之间的关系，记录了所有试验数据，并根据刀具、工件以及与加工过程有关的其他因素进行了评估。例如，对于所有的切削试验，在经过确定长度的切削后，对刀具的磨损情况和粗糙度进行评估。采用选定的切削刃形状进行切削试验，记录下加工时切削力各分量的大小、切屑形成过程以及切削过程中的温度变化，并进行分析。刀具寿命指标为磨损区宽度达到VBmax=0.3mm，或切削刃出现微崩刃。由于进行了多次试验，获得了很多结果，本文只能针对其中一些选定部分进行讨论。

纵向车削：突变过渡区

纵向车削试验采用已商品化的刀片来进行，这些刀片的切削刃口经过毛刷制备、在磁场中制备或喷砂处理。切削沿着硬→软和软→硬两个不同方向进行。从用不同方法制备的刀具寿命（切削长度）以及市售刀具寿命的比较结果可以看出，用不同方法制备的切削刃的表现根据刀具材料和加工方向而有所不同。与市售刀片相比，一般来说，对切削刃进行制备并不能延长刀具寿命。无论刀具材料和加工方向如何，在这些不同的制备方法中，切削刃在磁场中进行处理的刀具其寿命增加最为明显。

由于淬硬材料的变形程度不大，因此工件上较硬部分的粗糙度总是小于较软的区域。然而，尽管有时切削刃的粗糙度有很大差异，但平均来看，采用不同方法制备的切削刃加工出的工件表面粗糙度是具有可比性的。

从刀具的磨损机理来看，可以这样说：毛刷制备的切削刃的磨损形式主要为磨料磨损；而经过磁场处理以及那些经过喷砂处理切削刃的刀具，其寿命指标主要取决于崩刃。可以这样认为：刀具的磨损机理与刀具表面层的残余应力有关。

纵向车削：渐变过渡区

与上述方法类似，渐变过渡区的纵向车削试验也采用了市售切削刀片和切削刃采用不同方法和不同参数制备的刀片来进行。加工仍按两个方向（硬→软和软→硬）进行。从两个不同方向加工时的刀具寿命