硬态车削淬硬钢切屑形成机理及表面完整性研究
硬态车削淬硬钢切屑形成机理及表面完整性研究硬态车削也称“以车代磨”,是指把淬硬钢的车削作为最终精加工工序的工艺方法。
一般情况下,淬硬钢工件的粗加工是在淬火前进行的,淬火后进行磨削精加工。
但磨削加工成本高、效率低。
随着高硬刀具材料和相关技术的发展,可以采用PCBN刀具、陶瓷刀具或新型硬质合金刀具在车床或车削加工中心对淬硬钢进行车削,其加工质量也可以达到精磨的水平。
本文针对硬态车削典型淬硬模具钢H13和Cr12MoV材料,采用仿真-理论和实验相结合方法,借助有限元软件Advantedge FEM和微观形貌检测手段,系统研究了硬态车削切屑形成机理及其加工表面完整性,为优化切削参数、提高刀具寿命和模具钢表面质量提供了理论支撑。
本文选用的陶瓷刀具
（Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>）进行硬态车削过程仿真,分析不同切削参数对切屑形态,切削力和切削温度的影响规律,基于对车削过程中的应变、应变率、最大剪应力以及切削力的分析,深入研究了硬态车削切屑形成机理,明确了形成锯齿状切屑的切削参数与条件;借助切屑最大厚度及其锯齿形切屑连续部分的高度参数,对切屑锯齿化程度进行了定量表征,阐明了锯齿状切屑的形成机理,研究了各切削参数（切削速度v,进给量f,背吃刀量ap）对切屑锯齿化程度的影响规律;通过有限元仿真分析了硬态车削切屑的形成过程,通过分析切削过程中的应变率云图,对切屑过程中切屑的变形过程进行了研究。
本文中通过硬态车削实验,验证了有限元仿真的可靠性,采用超景深显微镜观察了硬态车削中切屑的微观形貌,对硬态车削切屑形成的微观机理进行了分析;锯齿状切屑的产生是由于材料发生了塑性失稳。
对已加工表面进行表面完整性的
研究,对硬态车削表面残余应力进行了仿真研究,比较了车削H13钢和Cr12MoV 钢表面残余应力的分布及应力大小,得到了不同切削速度、进给量和背吃刀量对残余应力的影响规律:其中进给量对切屑形态影响最大,切削速度次之。
对残余应力影响最大的是材料自身的性能,切削参数中进给量对残余应力的影响最大,测量了表面粗糙度值和表面硬度,观察了表面微观形貌,研究分析了切削速度,进给量,背吃刀量对表面完整性的影响规律。
硬态切削
硬态切削技术淬硬钢是一类较难加工的材料，硬度通常高达50-65HRC，主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等。
由于其典型的耐磨特点，淬硬钢被广泛用于制造各种要求高硬度和高耐磨性的基础零部件。
随着陶瓷刀具，特别是超硬刀具CBN性能的不断提高和稳定，解决了淬硬零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾，使得更经济地切削加工淬硬钢成为可能。
硬态切削是指采用陶瓷或超硬CBN刀具对硬度大于50HRC的淬硬钢进行精密切削的加工工艺。
与磨削相比，硬态切削具有良好的加工柔性、经济性和环保性能。
然而，目前硬态切削加工技术仍然未完全被企业所广泛采用，其主要原因不仅由于企业对硬态切削加工机理及刀具的使用技术未完全理解和掌握，同时也因为硬态切削工艺中一些不稳定的因素制约了它的推广和应用。
（1)硬态切削的优点与磨削加工相比，硬态切削有如下优点：①加工效率高、经济效益好。
首先，去除相同体积的金属时，硬态切削常常可以采用较大的切削深度和较高的主轴转速；而磨削则只能采用小切深，否则容易引起磨削烧伤，或因径向分力大而引起变形。
因此，硬态切削的金属去除率为磨削的3-4倍，能耗仅为磨削的115.另外，在硬态车削时，一次装夹可完成多表面的加工（如外圆、内孔、端面、台阶、沟槽等），而磨削则不易实现。
硬态切削经济效益好还体现在设备投入上，在加工效率相同的情况下，车床投资仅为磨床的1/3-1/2，且占地面积小，辅助系统费用低。
②清洁的加工工艺。
硬态切削所用的刀具，基本可不使用切削液，节省了相关的切削液供给装置和处理装置，大大节省了投资费用。
另外，一般切削液中大多含有毒和有害物质，会对环境造成污染，也危害操作者的健康。
③良好的整体加工质量。
以硬态车削为例，工件安装次数的减少，可使工件各几何要素获得较高的位置精度，工件表面也不会引起烧伤或微裂纹。
目前硬态车削的加工精度可达175级，表面粗糙度Ra为0.8 ^-0.2pm。
精密干式硬态车削淬硬工具钢时表面粗糙度的参数优化
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Ｋｅｗｏｄ ： ｉｉ ｒ Ｈ ｒ ｕｎｎ Ｆ Ｈ ； ｒｅｅ ｏｌＳｅｌ Ｏｔｏｏａ Ｅ ｐ ｒ ｅ ｔ ｔ ｄ ｕｆｃ ｙ ｒ ｓ Ｆｎｓ Ｄ ｙ ａｄＴ ｒｉｇ（ Ｄ Ｔ） Ｈａｄｎ ｄ Ｔ ｏ ｔｅ； ｒ ｇｎ ｌ ｘｅ ｍ ｎａ Ｍｅ ｏ ；Ｓ ｒ ｅ ｈ ｈ ｉ ｌ ｈ ａ
高硬金属加工过程中表面白层的研究
高硬金属加工过程中表面白层的研究1 引言刀具材料的发展、机床及其零部件的改进，使得硬态切削成为可能，并且可达到磨削加工的精度与表面质量，为某些淬硬零件的加工开辟了精加工的新途径。
硬态切削的明显优点是切削时柔性较高，用一定几何参数的刀具可加工不同形状的零件；不用切削液，利于环境保护；加工时间短，投资费用少。
在某些领域，硬态切削已经被证实是一种经济、有效的代替磨削的加工方法。
在硬态切削过程中，材料已加工表面通常会产生硬度更高的白色非侵蚀薄层，被称为白层。
白层是影响工件性能和表面完整性的重要因素。
对白层进行深入系统的研究，对提高硬态切削质量有着非常重要的意义。
2 摩擦学白层研究现状“白层”的概念最早始于1912年，它不仅是两接触表面摩擦的结果，也可在一些大变形条件下，甚至是电火花切割及激光表面处理等冷急条件下产生。
因它能抵抗一般的腐蚀，在光学显微镜下（或普通电子显微镜）呈现白色，所以被称为白层，通常具有比原始材料高的硬度。
因对材料的摩擦磨损性能有重要的影响，又被冠以摩擦学白层、白色浸蚀层、绝热剪切带、再结晶层和摩擦学转变结构等不同的名称。
目前对白层的研究较多，但都未取得突破，尚无明确的研究成果。
对白层的研究多集中在摩擦学领域，其分歧与争议主要集中在白层的组织结构、形成机制和对磨损过程的影响等方面。
2.1 白层的特征白层是一种形成条件极宽、表现形式各异的磨损表面组织。
不同的材料，出现于不同的磨损形式、摩擦条件和摩擦副中。
对金属而言，白层的一般特征为：(1)非浸蚀性：铁基材料的白层通常在常规的浸蚀剂下不易被浸蚀，在光学显微镜下呈白色，这也是它被称为白层的原因；有色金属材料（如铝、钛合金等）在常规浸蚀剂下有时呈暗色，故也称为“暗层”。
(2)高硬度：高硬度是白层最显著的一个特征，通常为HV800～1200，远高于基体材料（甚至是基体硬度的数倍）。
一些白层的次表层软化现象可能是由摩擦热造成的过回火所致。
表1为影响钢表面白层硬度的因素。
高速切削加工技术
基本结构
进给机构 CNC控制 冷却系统
高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关 技术要求较高，使其应用受到限制。
与高速加工密切相关的技术主要有：
○ 高速加工刀具与磨具制造技术； ○ 高速主轴单元制造技术； ○ 高速进给单元制造技术； ○ 高速加工在线检测与控制技术； ○ 其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技
术、安全防护技术等。
此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具 有重要意义。
高速切削 加工的关 键技术
高速主轴系统
高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主 轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经有转 速高达100000-150000rpm的加工中心。高速主轴由于转速 极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩 擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必 须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：(1) 要求结 构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪音和良好的起、停 性能；(2) 足够的刚性和高的回转精度；(3) 良好的热稳定性； (4) 大功率；(5) 先进的润滑和冷却系统；(6) 可靠的主轴监测 系统。
• 高速切削已成为当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发 达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。
第 一 章 节 • 人们逐渐认识到高速切削是提高加工效率的关键技术。
高速切削的特点
随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减 少，切削效率提高3～5倍。加工成本可降低20％-40％。
高速切削加工在国内的研究与应用
高速切削加工在国内的研究与 应用
20世纪90年代后，我们先后相继研究了模具高速切削加工技术与策 略、涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、 刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术等。
车屑高硬钢的加工方法
削 Ｇ ｒ 轴 承钢 的试验结果表明 ：当切削深度 为 ＣＩ ５
０５— ｍ ． ４ ｍ、进 给量 ００ ． ７～０ ３ ｍ／ｒ ．ｍ ４ 、切 削速 度 ≥
收 稿 日 期 ：２ １— ９ １ ０００—０
作者 简 介 ：潘喜 臣（ ９６ ， 黑龙江牡 丹江人 ， １５ 一） 男， 技师 ， 从事机械工程研 究。
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潘喜 臣
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（ 牡丹江市轻工机械厂 ， 黑龙江 牡丹江 １７ ０ ） ５ ０ ０
文摘编 号 ：０ ５ ９ ３ ２ １ ） １ ０ ２ 一 Ａ １０ － ｌＸ（ｏ ０ ｌ － １６ Ｃ
１０—１０ ／ｉ ， ３ ６ ｍｍｎ时 开始产 生热 塑剪切 失稳 。
加 工表 面 的完整 性 主要包 括 以下 内容 ： 层组 织形 表
态及其硬度 、 表面粗糙度 、 尺寸精度 、 残余应力 的分 布 和 白层 的产生 。 残余应力与材料的成分、组织和缺陷一样 ， 对 工件 的机械性能有很大影响 ， 多数情况下必须控制 残余应力的大小及其分布规律。硬态切削过程中残 余应力 的产生被认为与切削热的形成及热源的移
损等关系密切 。国外不少学者试 图通过仿真切削热 的生成与移动来计算残余应力 ， 但切削热形成的复 杂性和残余应力测量误差等原因导致仿真误差较
大 。最 近 ， 大 Ｋ ｒａｏｕ 运用平 面 应变粘 弹塑 加拿 ｕｔ ｃｂ ｓ Ｊ 性 理论 、美 国普渡 大 学 Ｓ ｔｌ ． ｔ 运用 多 项式 拟合 原 Ｍｉａ
动速 度 、 削刃 的 几何 形 状 、 切 工件 材 料 以及 刀具 磨
～、 明 怒｝ 来自¨ｊｊ 毒 金 属 切 削过 程 研 究 的重 点 和 核 心是 切 屑 的形 成过 程 。硬 态切 削过 程一 般产 生锯齿 形切 屑 。ＫＦ ．．
PCBN刀具切削中锯齿形切屑形态的动态切削力识别
PCBN刀具切削中锯齿形切屑形态的动态切削力识别徐铭;文东辉;戴勇;王文【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2005(000)006【摘要】精密硬态切削过程锯齿形切屑对动态切削力、切削温度波动、PCBN刀具寿命和已加工表面质量有重要作用.本文依据锯齿形切屑锯齿的形成和终了过程可以在动态切削力高频信号中体现出来的特征,采用小波分析硬态切削力的高频信号,分析结果表明不同形态的锯齿形切屑形态对应不同的切削力高频信号.从切削力高频信号的切削速度、进给量、采样频率和时间可以定性描述锯齿形切屑形态和剪切失稳的特征参数,依据Shaw建立的锯齿形生成频率模型.在精密硬态切削条件下,锯齿形切屑的生成频率要远小于切削力高频信号的频率,高速切削条件下两者频率逐渐趋于相等.实验及分析结果表明可以采用动态切削力的小波分析来判别锯齿形切屑的基本特征.【总页数】4页(P62-65)【作者】徐铭;文东辉;戴勇;王文【作者单位】浙江大学机械与能源工程学院,杭州,310027;浙江工业大学机电工程学院精密工程研究室,杭州,310014;浙江工业大学机电工程学院精密工程研究室,杭州,310014;浙江大学机械与能源工程学院,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】TG711【相关文献】1.PCBN刀具切削高温合金切削力试验分析 [J], 吴明阳;田兆晖;于永新;郝鹏飞;程耀楠2.PCBN刀具断续干式切削ADI时切削力与寿命的研究 [J], 李玉标;李嫚;张弘弢 ;任帅民3.PCBN刀具断续干式切削淬硬钢Cr12MoV切削力研究 [J], 王宝宝;沈浩;魏文静4.PCBN刀具高速切削镍基高温合金切削力及刀具磨损试验研究 [J], 吴明阳;陈勇;赵旭;徐明;程耀楠5.PCBN刀具高速切削钛合金切削力和表面质量的研究 [J], 李甜甜;姜丽娜;吴冉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
切削速度对精密干式车削淬硬工具钢切削力的影响
整 个 车削试 验过 程在 兰州 理工 大学 数字 制造技 术 与应用 省 部 重 点实 验 室进 行 。使 用 Ｃ Ｋ １０ ｊ数 控 Ａ ６５ Ｄ
Ｇ ｎｉ ｒ ｅ ｅ” ｉ ｎ ｏ ｓ ｒ ｄ ｇＰ ｃｓ ｓ 的主题报告 中， 详细对 比了硬态切 削和磨削工件表面性 能。研究结 果表 明， 硬态切削具 有高效 、 低能耗 、 无污染 以及加工表面损伤小 的优点 ，
根据 相 关 文 献 对 干 式 切 削 Ｊ硬 态 切 削 的 定 、 义 。笔者 将精 密 干 式 硬 态 车 削 （ 称 精 干 硬 车 削 ， 简 即 ＦＨ ） Ｄ Ｔ 淬硬 钢 定 义 为 用 单 刃 刀 具 在 不 使 用 切 削 液 或 最 小量 润 滑 技 术来 加 工 材 料硬 度 在 ４ Ｈ Ｃ以上 的工 ５Ｒ 件来 获得 较 高表 面精 度 的切 削 过程 。 近年 来 ， 型 刀 具 材 料 （ 新 比如 ： 晶 立 方 氮 化 硼 ， 聚 简称 Ｐ Ｂ 的 出 现 有力 推 动 了 硬态 切 削 的发 展 。德 Ｃ Ｎ）
图 １ 切削试 验现 场
其化 学成 分如 表 １所示 。
表 １ 工具 钢 Ｃ ｌ Ｍｏ 的化 学成 份 ％ ｒ２ Ｖ
Ｃ Ｃｒ Ｍｏ Ｍｎ Ｓ ｉ Ｐ Ｓ Ｖ ｚ＼ Ｒ襄霹匠…
７５
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2011001112_浅谈EDU、SCM、DCT齿轮硬车加工
浅谈EDU、SCM、DCT齿轮硬车加工随着科学技术的不断发展和进步，硬车技术在各个领域得到了广泛的应用特别是在汽车制造业中，在德国等发达国家的汽车工业中，多种轴类、套类零件大多采用硬车工艺，收到良好效果。
因该项技术要求机床、刀具、工装及工艺应有最佳组合，且对硬车效果的宣传推广不够等原因，我国硬态车削工艺的应用还不够广泛。
目前，只有少数企业在CNC车床上对淬硬轴承环、齿轮内孔与端面以及量刃具等零件进行加工，并也达到了磨削效果，提高了加工效率。
一、什么是硬车削？车削加工是机械制造业中最基本、最广泛、最重要的一种工艺方法，它直接影响生产的效率、成本、能源消耗和环境保护。
由于现代科学技术的发展，各种高强度、高硬度的工程材料越来越多地被采用，传统的车削技术难以胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而现代的硬车削技术使之成为可能，并在生产中取得明显效益。
硬车削是指把淬硬钢的车削作为最终加工或精加工的工艺方法，以避免目前普遍采用的磨削技术。
淬硬钢通常指淬火后具有马氏体组织，硬度高，强度也高，几乎没有塑性的工件材料。
当淬硬钢的硬度 >55HRC时，其强度约为2100～2600N/mm2。
通常，工件在热处理淬硬之前就已完成粗加工工序，只有精加工在淬硬状态下进行。
精磨是精加工最常用的加工工艺，但其加工范围窄、投资大、生产效率低，易造成环境污染，一直困扰着淬硬钢的经济有效加工。
随着加工技术的发展．硬车削代替磨削已成为可能，并在生产中取得明显效益。
目前采用多晶立方氮化硼 (PCBN)刀具、陶瓷刀具或涂层硬质合金刀具等在车床或车削加工中心上对淬硬钢(55～65HRC)进行切削加工。
二、硬车削的经济性汽车制造业的大多数零件是在热处理后进行最终精度或形状的加工，硬车削正作为替代磨削的一种经济性方法在普及。
目前，国外越来越多的企业已认识硬车削的优点，而国内还是以磨削的方法为主，主要是由于刀具（如PCBN）的成本问题，使很多企业仍把它看作为一种昂贵的工艺。
超硬刀具磨损问题的研究进展
超硬刀具磨损问题的研究进展郭彩芬;董志【摘要】针对超硬刀具常见的磨料磨损、扩散/溶解磨损、摩擦化学磨削、黏结磨损等磨损机制及形成机理,归纳出亟待解决的主要问题,为实现超硬刀具更优的加工工艺(优化的加工参数和刀具几何形状)和更广泛的应用提供参考.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】4页(P141-144)【关键词】超硬刀具;刀具磨损;磨损机制【作者】郭彩芬;董志【作者单位】苏州市职业大学机电工程学院,江苏苏州 215104;苏州市职业大学机电工程学院,江苏苏州 215104【正文语种】中文【中图分类】TG7110 引言金刚石（PCD，Polycrystalline Diamond）、立方氮化硼/聚晶立方碳化硼（CBN/PCBN，cubic boron nitride/polycrystalline cubic boron nitride）都属于超硬刀具材料，由于具有高热导率、高硬度（可达 8000 HV以上）、高耐磨性、高热稳定性（金刚石可达 700～800℃，立方氮化硼可达1250～1350℃）等优点，超硬刀具在高速切削及硬切削领域日益受到关注。
但超硬刀具加工时切削区会产生较高的切削温度（高达1250℃以上），且常常是以高速铣削代替磨削，加工过程中间歇的较大的冲击力使得刀-屑接触区呈现较高的应力状态。
这种反复变化的机械应力-应变及热应力-热应变，会引起超硬刀具的机械疲劳&热疲劳，刀具易损坏，刀具寿命短。
1 研究现状加工过程中，超硬刀具呈现出的磨损形式包括月牙洼磨损、后刀面磨损、切削刃崩刃、热冲击裂纹、刀尖磨损、切削刃剥落、刀具破坏及积屑瘤生成等。
以往的研究和实验表明超硬刀具的磨损有多种机制，如磨料磨损、黏结磨损、摩擦化学磨损、微裂纹和疲劳磨损等[1]。
切削性能取决于刀具几何形状、刀具材料、切削参数和工件材料，PCBN刀具的切削性能受限于刀具的后刀面磨损、月牙洼磨损、切削刃剥落或几种磨损形式的综合。
硬态切削技术的研究状况综述
硬态切削技术的研究状况综述发表时间：2019-07-31T11:53:31.183Z 来源：《科学与技术》2019年第05期作者：张新王萌李智薛迪[导读] 根据硬态切削技术的有关研究现状，介绍了需要应用硬态加工技术的加工材料，硬态切削的力的特征以及切屑形态。
佳木斯大学 154007摘要：本文根据硬态切削技术的有关研究现状，介绍了需要应用硬态加工技术的加工材料，硬态切削的力的特征以及切屑形态，并讨论了其已加工表面的完整性，最后综合现有的相关技术与未来应用前景，展望了该技术的发展趋势。
关键词：硬态切削；切削力；切屑；加工表面Abstract: According to the current research status of hard cutting technology, this paper introduces the processing materials, force characteristics and chip morphology of hard cutting technology, and discusses the integrity of the machined surface. Finally, the development trend of this technology is prospected by synthesizing the existing related technologies and future application prospects.Key words: hard cutting; Cutting force; Chip; Machined surface硬切削是使用超硬刀具精密切削硬度超过50 HR的硬化钢的过程。
与磨削相比，硬切削具有良好的加工灵活性，经济性和环境保护性。
硬切削是精加工时加工硬化钢的最佳选择。
但是目前硬切削技术还没有被企业广泛使用。