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《大连理工大学》 2002年
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PCBN刀具硬态切削机理及技术

文东辉  
【摘要】: 制造业将始终是世界范围内经济增长的重要因素。制造业自始至终在寻找零件产品的低成本方法和对现存工艺的高效率利用。许多高精度产品如轴承、齿轮和模具等都是由淬硬钢加工而成。PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)刀具的出现及其精密加工过程可以满足这些零件的加工要求,而无需或仅需少量的磨削加工。 随着超硬刀具材料如陶瓷和PCBN的发展,硬态切削工艺已吸引了制造商领航者的关注。本文采用DeBeers工业金刚石公司的AMBORITE DBC50 PCBN刀具在CA6140车床上对淬硬轴承钢GCr15进行了一系列切削力实验。实验结果表明径向力是最大的切削力,其次是主切削力和轴向力。粗加工时的切削力约是精加工切削力的3倍。切削力随进给量和切削深度的增大而线性增大,当切削速度低于200m/min时,切削力随切削速度的增大而减小,当切削速度继续增大时,切削力也呈线性增长趋势。实验结果表明切削速度对切削力的作用存在一个临界值。硬态切削区别于硬脆材料切削加工的一个重要特征是形成周期性的锯齿形切屑。采用AMBORITE DBC50 PCBN刀具研究了工件硬度、切削速度、进给量和切削深度对锯齿形切屑形成的影响,实验结果表明工件材料和切削速度是决定切屑形态的主要因素。小波分析切削力信号的结果表明切削力信号与切屑形态有内在联系。 提出了一种考虑刀具刃口和后刀面耕梨作用的新切削力模型来预报硬态切削力。根据切削过程的特点,给出了流屑角的一种解析模型。新的流屑角模型将切削形貌分解为单刃刀具和纯圆弧情形,比较容易理解和方便应用。切削力预报MATLAB程序表明预报结果与实验结果相吻合。 硬态切削过程材料的软化作用取决于切削温度,这种特殊的切削性能是通过改变切削条件如切削速度、进给量、切削深度、工件原始温度和材料硬度等进行一系列的实验来验证温度分布情况的。从五种工件硬度(HRC30、HRC40、HRC50、HRC60、HRC62)的实验结果得出HRC50的硬度值可以区分普通切削和硬态切削。当工件材料硬度低于HRC50,切削力和切削温度的变化规律符合普通的金属切削理论,硬度超过HRC50则切削力和切削温度的变化规律大不相同。当材料硬度接近HRC50,切削温度达到最高值,已加工表面质量最差。 PCBN刀具精密硬态切削后零件的表面受切削刃的形状、切削用量和切屑形成过程等许多因素的影响。本文对比了精密硬态车削的表面组织、微观结构变化、微观硬度变化和残余应力的分布等。虽然硬态切削易产生残余压应力,但本文实验发现在不良的切削条件下也可能产生残余拉应力。通过不同刀具刀尖圆弧、倒棱宽度、进给量、切削速度和刀具磨损量的变化来分析材料侧向塑性流动。在优化的切削条件下获得了 Rao.61u m的表面粗糙度,证明了硬态切削在某种程度上可以代替磨削加工。测试结果 也表明在各种切削条件下己加工表面组织无明显变化。
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