用PCBN刀具精密切削GCr15淬硬轴承钢

一、引言

淬硬轴承钢零件大多是工作在接近其机械力学性能极限点状态下的高性能零件。精磨是精加工淬硬轴承钢最常用的工艺。随着数控机床等加工设备精度的提高以及聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具的应用，以硬态切削替代磨削工艺完成零件的最终精加工已成为加工淬硬轴承钢的新途径。

立方氮化硼（CBN）超硬材料用于磨削加工已有约40年历史，其应用技术已相当成熟。CBN用作刀具材料始于二十世纪七十年代，它在切削加工中表现出了优良的切削性能。近年来，聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具硬态切削技术在国外发展很快，但在我国因某些不稳定因素的制约，尚未完全被企业接受和广泛采用。为促进该项先进技术的推广应用，本文结合国内外相关研究成果，通过切削试验研究了PCBN刀具精密切削GCr15淬硬轴承钢时的切削力特征、切屑形态、刀具磨损特性等切削性能，并从表面粗糙度、硬化层深度、亚表层白层现象、残余应力分布等方面深入研究了PCBN刀具精密切削淬硬轴承钢的加工表面质量。

二、PCBN刀具的硬态切削性能

PCBN属于高脆性的超硬刀具材料，强度和韧性均较差，其抗弯强度和抗压强度是所有刀具材料中最低的，因此很难用于冲击力较大的加工。切削试验和生产应用表明，PCBN刀具切削加工淬硬轴承钢时性能表现不够稳定。如何充分发挥PCBN刀具的超硬特性，在硬态切削轴承钢时获得良好的加工效益已成为十分紧迫的研究课题。为此，我们通过切削试验对PCBN刀具的硬态切削性能和加工表面质量进行了研究。

切削试验在可无级变速的CA6140车床上进行；采用应变式车削测力仪测量切削力，采用自然热电偶法测量切削温度；被加工材料为GCr15淬硬轴承钢，通过热处理工艺获得硬度分别为30HRC、40HRC、50HRC、60HRC和64HRC的5种试件。

1．切削力特征

在硬态切削过程中，切削力是衡量整个工艺系统稳定性和切削加工精度的主要因素。许多学者的研究表明：在不同精度等级的机床上实施硬态切削时，切削力基本不发生变化。由于PCBN刀具材料脆性大，因此使用前一般都要进行倒圆（R200～400μm）和倒棱处理。在切削过程中，由于切削深度和进给量均很小，大钝圆和负倒棱实际上成为刀具主要参与切削的部分。由PCBN刀具切削GCr15淬硬轴承钢时的切削力测量结果可知，受切削区形状的影响，径向切削力Fy最大，主切削力Fz次之，轴向切削力Fx最小，且粗加工切削力约为精加工切削力的6～9倍。在硬态切削过程中，切削力与进给量、切削深度、后刀面磨损量等参数成线性关系。当切削速度增大时，切削力稍有下降，这主要是由于切削速度提高使切削温度升高，并导致工件材料塑性增大，但这种变化趋势仅对应于一定的切削速度范围，当切削速度超过200m/min时，切削力则不再沿下降通道变化。

2．切屑形态

在PCBN刀具的硬态切削过程中易生成锯齿状切屑。在对不同硬度的轴承钢进行切削加工时发现，工件硬度对锯齿状切屑的形成影响最大。当工件硬度低于50HRC时，采用大进给量和高速切削只能生成连续切屑；当工件硬度超过50HRC后，可观察到切屑形态由连续切屑向锯齿状切屑过渡，且在锯齿状切屑根部可观察到周期性流动形态。形成锯齿状切屑的主要原因是PCBN刀具向前切削时使切屑材料受到极大压力而发生突然断裂。在切削试验中，可观察到锯齿状切屑的形成主要源于工件自由表面断裂并进一步蔓延到刀具切削刃前区，直至在材料因承受极大压应力而发生严重塑性变形的某一点处停止，切屑在刀具前刀面与断裂层之间被挤压，与此同时断裂底层以下的塑性区材料沿前刀面移动，从而形成锯齿状切屑。

3．刀具磨损特性

用PCBN刀具切削淬硬轴承钢时，前刀面的磨损形式主要为月牙洼磨损。由于PCBN刀具的高温硬度较高，只有在达到较高温度和压力后才会发生磨损，因此月牙洼磨损只出现在距离刀刃很近的部位，且宽度很窄（这一点有别于硬质合金刀具），这说明PCBN刀具的刃口保持能力较强，有利于实现淬硬钢的精密切削。PCBN刀具切削淬硬轴承钢时的后刀面磨损形貌从外观上看，磨损形式以机械磨损为主，形成的磨损带上粘附有一些工件材料，其磨损形式与硬质合金刀具无明显区别，但磨损量较小。

切削淬硬钢时，切屑呈半熔状态，刀尖处高温区的最高温度可达1000℃以上。在切削一段时间后，刀具刃口与后刀面的轻微磨损使后刀面切削压力高达10GPa，工件材料中的铁元素在高温高压下易与空气中的氧发生化学反应而生成FeO氧化层，该氧化层在合理切削条件下可起到保护刀具刃口的作用，但因其硬度较低，在摩擦过程中易脱落，从而可能加剧后刀面磨损。试验研究发现，表面发生氧化反应的过渡层厚度约为300～800nm，在该过渡层中工件材料与刀具材料未发生明显的化学反应。由于过渡层易脱落并导致工件表面质量恶化，因此在用PCBN刀具精密切削淬硬钢时对氧化磨损的控制十分重要。

三、PCBN刀具的加工表面质量

用PCBN刀具连续切削淬硬轴承钢时，通常切削速度为90～200m/min，进给速度为0.05～0.2mm/r，切削深度为0.10～0.50mm，所需切削功率并不大，但刀具承受的冲击力却是普通切削的3倍以上，单位切削力高达5000MPa，尤其当进给量和切深很小时，径向切削力往往大于主切削力和切向切削力，因此切削精度不易控制。实现用硬态切削替代磨削工艺加工淬硬轴承钢的关键问题是如何保证获得理想的加工表面粗糙度、形状精度和表面应力状态。

切削试验与研究表明，淬硬轴承钢材料的延伸率小、塑性低，易形成高光洁加工表面，在机床和夹具刚性足够的条件下的，通过合理优选切削参数，完全可以实现“纳米切削”。

用PCBN刀具切削5种不同硬度的GCr15淬硬轴承钢试件时获得的加工表面粗糙度试验结果可知，当工件硬度大于50HRC时，工件硬度值越高，加工表面粗糙度值越小，这是因为当工件硬度大于50HRC后，切削力和切削热均有所下降，使切削过程中工件的热膨胀和金属软化效应作用减小，从而有利于提高切削加工精度及表面质量。

通过切削试验发现，加工后的淬硬轴承钢工件表层和亚表层组织状态较加工前有所变化，其微观组织由白色的未回火层（简称白层）和黑色的过回火层组成，其中白层厚度小于2μm，工件表层以下20～40μm处的硬度最高可达900HV0.025。由试验结果可知，经硬态切削后的加工表面残余应力为压应力（最大压应力位于工件表面以下50μm处）。而经磨削加工后的工件最大压应力则主要集中于工件表面。白层的形成是影响硬态切削加工表面质量的另一重要因素。白层是在硬态切削过程中因快速加热及骤然冷却引起材料相变而形成的一种细晶粒马氏体组织。在硬态切削过程中，白层的形成主要与切削热有关，后刀面磨损量VB的增加将促使白层深度加大，当VB=0.31mm时，白层深度可达10μm。

四、结论

1．用PCBN刀具切削GCr15淬硬轴承钢时，径向切削力Fy最大，主切削力Fz次之，轴向切削力Fx最小；粗加工切削力约为精加工切削力的6～9倍。

2．硬态切削过程易形成锯齿状切屑，其产生机理为工件材料在巨大压应力作用下产生宏观和微观断裂；形成锯齿状切屑的临界硬度为50HRC。

3．PCBN刀具前刀面和后刀面的磨损形式表明该刀具的刃口保持能力较强，有利于实现淬硬钢加工的以车代磨。

4．经硬态切削的加工表面残余应力为压应力，残余应力分布形式有利于提高工件的工作寿命；硬态切削的表面粗糙度可达到粗磨加工精度；表层的加工硬化作用对材料组织无明显影响；滚动疲劳测试结果表明，硬态切削工件的工作寿命较长。

5．试验研究证明采用PCBN刀具对淬硬轴承钢进行精密切削加工完全可行。