硬切削加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

李 迎

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

硬切削加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

李 迎

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

硬切削是對高硬度金屬材料直接進(jìn)行車削或銑削的一種先進(jìn)加工技術(shù)，隨著硬切削加工技術(shù)研究的不斷深入，硬切削在高效、節(jié)能、環(huán)保等方面的技術(shù)優(yōu)勢正引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。文章從加工機(jī)理、加工設(shè)備、加工工藝三個方面分析了硬切削加工技術(shù)研究的最新進(jìn)展，提出了硬切削加工技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

硬切削;加工機(jī)理;加工設(shè)備;加工工藝

0 引言

硬切削是對高硬度(42HRC-65HRC)金屬材料直接進(jìn)行車削或銑削加工的先進(jìn)切削加工技術(shù)。通常，被加工工件材料主要包括鑄鐵、高速鋼、軸承鋼等鋼鐵材料，有時也涉及高溫合金、鈦合金等難加工材料，目前廣泛應(yīng)用在汽車、電子、航空、機(jī)床、模具等行業(yè)。盡管硬切削加工技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上已有了許多成功的應(yīng)用，國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)仍然一直高度重視硬切削加工技術(shù)的相關(guān)研究，2000年［1］、2005年［2］兩次以主題報告的方式對硬切削加工技術(shù)進(jìn)行研討，2010年第59屆國際生產(chǎn)工程學(xué)會上又有多篇關(guān)于硬切削的研究論文。一個核心的問題就是硬切削是否可以有效地代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工技術(shù)中的磨削工藝?本文從加工機(jī)理、加工設(shè)備、加工工藝三個方面分析硬切削加工技術(shù)研究的最新進(jìn)展，指出硬切削加工技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

1 硬切削加工機(jī)理研究

1.1 鋸齒狀切屑

以鋸齒狀切屑為主要特征的硬切削，究竟是以絕熱剪切理論為基礎(chǔ)，還是以周期脆性斷裂理論為基礎(chǔ)，至今還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識［3］。早期由Komanduri等人(1982年)提出的絕熱剪切理論，認(rèn)為產(chǎn)生鋸齒狀切屑主要是切削速度高達(dá)某一臨界值以后熱軟化占主導(dǎo)作用的結(jié)果。而Shaw等人(1998年)提出的周期脆性斷裂理論，認(rèn)為產(chǎn)生鋸齒狀切屑主要是從切屑自由表面向切削刃擴(kuò)展一半距離的周期性整體斷裂所形成的。對鋸齒狀切屑的形成進(jìn)行預(yù)報的理論依據(jù)應(yīng)當(dāng)是斷裂力學(xué)，而不是傳熱學(xué)。針對這兩種不同的理論體系，國內(nèi)外許多學(xué)者一直在積極的探索，直到目前仍有不同的觀點(diǎn)，蔡玉俊等人［4］在國家自然科學(xué)基金的資助下，對30CrNi3MoV淬硬鋼(48HRC)的切屑形成機(jī)理進(jìn)行了切削試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明鋸齒狀切屑的臨界切削條件試驗(yàn)曲線與絕熱剪切臨界切削條件的理論曲線基本吻合，認(rèn)為鋸齒狀切屑產(chǎn)生的根本原因是主剪切區(qū)內(nèi)熱軟化超過應(yīng)變硬化的結(jié)果。Raja Kountanya等人［5］對100Cr6軸承鋼(60HRC)的切屑形成機(jī)理進(jìn)行切削試驗(yàn)研究和仿真分析，得出的結(jié)論是周期脆性斷裂理論在硬切削中占主導(dǎo)地位，由于試驗(yàn)過程中出現(xiàn)切削力隨切削速度的增大而減小的現(xiàn)象，絕熱剪切理論的熱軟化作用也是存在的。圖1是試驗(yàn)得到的鋸齒狀切屑。硬切削的切屑形貌不僅是分析硬切削加工機(jī)理的重要依據(jù)，而且也是切削過程在線預(yù)報的一個有效手段。最近，M.Mahnama等人［8］對切削加工的穩(wěn)定性進(jìn)行了切屑形貌研究，通過試驗(yàn)和仿真分析，用穩(wěn)定、不穩(wěn)定和臨界三種狀態(tài)的切屑對加工穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)報，可以進(jìn)行切削過程的在線監(jiān)控。

圖1 鋸齒狀切屑

1.2 加工表面完整性

加工機(jī)理的研究不僅表現(xiàn)在切屑的形成，也體現(xiàn)在工件表面的加工質(zhì)量。長期以來，許多研究工作一直關(guān)注硬切削與磨削的加工效果比較，特別是加工表面粗糙度的高低，早期的研究普遍認(rèn)為硬切削的表面粗糙度高于磨削表面。隨著研究工作的不斷深入，人們對硬切削的加工效果逐漸有了新的看法，F(xiàn).hashimoto等人［6］對滾動軸承鋼進(jìn)行硬切削和磨削的對比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明硬切削加工表面粗糙度優(yōu)于磨削表面30%。值得注意的是，在粗糙度相同的情況下，硬切削與磨削具有不同的溝槽效應(yīng)［2］，如圖2所示。這是硬切削的單個刀刃和磨削的多顆磨粒分別作用的結(jié)果，粗糙度輪廓單谷的寬度不同，對工件表面使用性能的影響也不同，它使研究工作由關(guān)注工件表面的幾何特性向物理特性深入。

近幾年來，研究工作開始更多地關(guān)注硬切削產(chǎn)生的表面白層、殘余應(yīng)力分布以及工件的疲勞壽命。最近，Y.B.Guo等人［7］為了研究硬切削殘余應(yīng)力、白層和疲勞壽命的關(guān)系，對滾動軸承鋼(62HRC)進(jìn)行硬切削和磨削的加工性能對比試驗(yàn)，通過無白層硬切(HTF)、有白層硬切(HTWL)、無白層磨削(GF)、有白層磨削(GWL)四種不同加工工藝的比較，認(rèn)為白層的產(chǎn)生主要是由于刀具嚴(yán)重磨損導(dǎo)致切削高溫進(jìn)入工件表面的結(jié)果，表面有白層的工件疲勞壽命僅僅是表面無白層工件壽命的八分之一。而同樣工藝條件下，有白層的硬切削表面比有白層的磨削表面具有更高的疲勞壽命。這一研究成果使人們對硬切削的應(yīng)用前景有了更新的認(rèn)識。

圖2 硬切削和磨削表面粗糙度的溝槽效應(yīng)

2 硬切削加工設(shè)備研究

2.1 硬切削加工機(jī)床

近幾年，硬切削加工設(shè)備的研究主要集中在機(jī)床和刀具兩個方面，用于硬切削的機(jī)床必須滿足高速、重載的使用要求。硬切削加工機(jī)床的研究具有以下鮮明的特點(diǎn):第一是強(qiáng)化機(jī)床支承件的剛度和阻尼。Dehong Huo等人［9］最近在對銑床的一項(xiàng)開發(fā)研究中，發(fā)現(xiàn)立柱式開放結(jié)構(gòu)與龍門式閉合結(jié)構(gòu)具有不同的結(jié)構(gòu)剛度，特別是在Z軸方向結(jié)構(gòu)剛度增幅顯著，如圖3所示。

圖3 銑床立柱開式結(jié)構(gòu)與閉式結(jié)構(gòu)的剛度比較

而C.Bruni等人［10］對39NiCrMo3 合金鋼(58HRC)進(jìn)行硬車削試驗(yàn)研究，則分別用鑄鐵床身和聚合物膠接混凝土床身的車削加工中心進(jìn)行比較研究，試驗(yàn)研究結(jié)果表明:由于混凝土床身具有更高的內(nèi)部阻尼，在同樣的切削加工條件下，混凝土床身的機(jī)床使硬切削的刀具磨損下降，而工件表面粗糙度降低。第二是改善機(jī)床主軸的輸出特性。硬切削應(yīng)具有比普通切削更高的切削速度，通常也采用電主軸。但相對于一般的高速切削，硬切削又具有重載荷的特點(diǎn)，針對這一矛盾，Z.Wang等人［11］最近研究開發(fā)了用于銑床的雙驅(qū)動主軸，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 雙驅(qū)動主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

這種新穎結(jié)構(gòu)主要是通過兩個電機(jī)工作實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出，交流異步感應(yīng)電機(jī)(AC)主要工作在高速范圍，交流永磁同步電機(jī)(DD)主要工作在低速范圍，當(dāng)需要輸出大扭矩時，兩個電機(jī)可以同時工作，輸出扭矩為T1+T2。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用雙驅(qū)動主軸可以有效提高刀具壽命。第三是機(jī)床多功能組合。針對硬鋼和其他難加工材料難切削的工藝特點(diǎn)，硬切削加工機(jī)床在不斷地補(bǔ)充和完善一些功能。H.Attia等人［12］通過激光輔助加工的方式對高溫合金進(jìn)行車削試驗(yàn)，無激光照射的工件待加工表面溫度是200℃，而同樣加工條件有激光照射的工件待加工表面溫度約800℃，通過激光的熱軟化作用，改善工件的切削性能，試驗(yàn)表明，激光輔助作用使工件表面質(zhì)量提高25%，而材料切除率提高近800%。A.Hosokawa等人［13］通過自旋轉(zhuǎn)刀具的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了車銑組合功能。如圖5所示，對軸類零件進(jìn)行車削加工的刀具在電機(jī)驅(qū)動下可以高速旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著刀具旋轉(zhuǎn)速度的提高，刀具前刀面溫度下降近100℃，刀具壽命得到明顯提高。

圖5 自旋轉(zhuǎn)刀具車削

2.2 硬切削加工刀具

目前，切削淬硬鋼的刀具主要是聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具。為了使PCBN刀具在硬切削加工中獲得更好的效果，對PCBN刀具的研究主要集中在刀具材料、刀具形狀、刀具涂層三個方面:第一，PCBN刀具通常是以CBN為主要材料在高溫、超高壓條件下燒結(jié)而成的聚晶體，對刀具材料的研究主要是CBN含量、CBN顆粒大小以及結(jié)合劑類型對硬切削性能的影響。通常，CBN含量低(50～60%)的刀具適合連續(xù)切削，CBN含量高(85～90%)的刀具適合不連續(xù)切削，對淬硬鋼(58HRC)連續(xù)和不連續(xù)切削對比試驗(yàn)研究［14］表明:用于連續(xù)切削的低CBN含量刀具CBN7020比高含量的CBN7050刀具壽命提高2～3倍。CBN7020是硬鋼切削的常用刀具，其中57%CBN，35%Ti(C，N)，CBN 顆粒大小一般在2.5μm左右。第二，PCBN刀具形狀不同于普通刀具，最大的區(qū)別是刀具的負(fù)前角，為了增加刀具的強(qiáng)度并改善工件材料的切削性能，硬鋼切削不僅使用負(fù)前角的PCBN刀具，而且PCBN刀具的刃口形狀也是研究關(guān)注的一個熱點(diǎn)，圖6是用于硬鋼切削的PCBN刀具刀刃的幾何形狀，通常滾動軸承鋼硬切的PCBN刀具倒棱角為15～25°，倒棱寬度0.15～0.5mm。

圖6 刀尖刃口結(jié)構(gòu)示意圖

關(guān)于圓角刀刃的研究，一項(xiàng)新的試驗(yàn)研究［15］表明:刀刃的圓弧半徑如果設(shè)計(jì)成逐漸變化的形狀，這種半徑尺寸可變的PCBN刀具比普通的單圓弧PCBN刀具具有更好的切削性能和刀具壽命。第三，刀具磨損是硬切削加工中的突出問題，不僅影響工件加工質(zhì)量，而且涉及刀具成本，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，CBN涂層刀具逐步開始應(yīng)用，特別是CBN納米涂層的研究，將進(jìn)一步推動CBN刀具在硬鋼切削中的應(yīng)用。CBN涂層刀具一般是在硬質(zhì)合金刀片上涂覆一層或多層CBN納米晶薄膜，E.Uhlmann等人［16］采用單層CBN厚度為2μm和雙層CBN厚度達(dá)6μm的CBN刀具進(jìn)行硬切削試驗(yàn)研究，與用于硬切削的其它涂層刀具相比，刀具壽命提高1倍。Youngsik Choi等人［17］則采用細(xì)顆粒(小于 0.5μm)CBN 涂層刀具、粗顆粒(小于2μm)CBN涂層刀具和普通PCBN燒結(jié)的刀具進(jìn)行超精硬切對比試驗(yàn)，認(rèn)為細(xì)顆粒CBN涂層刀具在超精硬切加工中具有更好的切削性能和工件表面質(zhì)量。

3 硬切削加工工藝的研究

3.1 加工表面質(zhì)量優(yōu)化

加工設(shè)備和加工材料一旦確定之后，加工工藝的研究主要是對工藝參數(shù)的優(yōu)化，而優(yōu)化的目標(biāo)主要集中在工件表面質(zhì)量、刀具磨損和冷卻潤滑條件。

為了和磨削表面質(zhì)量進(jìn)行比較，對硬切削工藝優(yōu)化的研究主要是表面粗糙度的分析比較。值得注意的是，不同材料的加工具有不同的表面質(zhì)量，但即使是相同材料，優(yōu)化的結(jié)果也各不相同:在硬車滾動軸承鋼的研究中，Anderson P.Paiva等人［18］在綜合考慮材料切除率和刀具壽命的前提下，對工件表面粗糙度進(jìn)行優(yōu)化研究，優(yōu)化值Ra是0.41μm，對應(yīng)的切削速度 V=238m/min，進(jìn)給量f=0.08mm/rev，切削深度ap=0.32mm。而Khaider Bouacha等人［19］優(yōu)化得到的粗糙度Ra是0.19μm，對應(yīng)的切削速度V=246m/min，進(jìn)給量 f=0.08mm/rev，切削深度 ap=0.15mm，相對于國內(nèi)的研究，切削速度明顯提高;在硬銑AISIH13鋼的研究中，山東大學(xué)學(xué)者［20］優(yōu)化的結(jié)果是粗糙度Ra在0.3μm左右，對應(yīng)的切削速度140m/min，每齒進(jìn)給量 0.08mm/齒，徑向切深1.5mm，軸向切深2mm。而同樣工件材料的另一項(xiàng)類似研究［21］表明，在優(yōu)化工藝參數(shù)的同時，進(jìn)一步考慮刀具路徑的軌跡，可以使工件表面粗糙度達(dá)到0.1μm，完全能夠取代磨削的精密加工。這些研究結(jié)果說明，工藝參數(shù)的優(yōu)化對提高硬切削工件表面質(zhì)量尚有較大的研究空間。

3.2 加工刀具壽命優(yōu)化

相對于陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具在硬切削中的應(yīng)用，PCBN刀具具有更多的優(yōu)勢，如何提高PCBN刀具的使用壽命是近年來刀具磨損研究的一個熱點(diǎn)。H.M.Lin等人［22］主要從切削速度對CBN刀具的影響進(jìn)行了硬車削試驗(yàn)研究，由于切削速度的增加導(dǎo)致切削溫度的提高，切削速度達(dá)到某一臨界值以后，隨著切削速度的增加，刀具壽命縮短，認(rèn)為優(yōu)化切削速度是至關(guān)重要的。Benedikt Sieben等人［23］對AISI6150鋼(62HRC)進(jìn)行PCBN刀具的硬車削試驗(yàn)優(yōu)化研究，得到的結(jié)果是，最大刀具壽命對應(yīng)的切削參數(shù)分別為:切削速度V=120m/min，進(jìn)給量f=0.16mm，切削深度ap=0.4mm。Bala Murugan Gopalsamy等人［24］則用PCBN刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具進(jìn)行硬銑削的比較研究，研究結(jié)果表明:PCBN刀具壽命是硬質(zhì)合金涂層刀具的10倍以上，粗銑得到的優(yōu)化參數(shù)是:速度V=180m/min，每齒進(jìn)給量f=0.25mm/齒，切深ap=0.5mm，切寬ae=8mm。精銑得到的優(yōu)化參數(shù)是:速度 V=400mm/min，每齒進(jìn)給量 f=0.15mm/齒，切深ap=0.2mm，切寬 ae=0.2mm。

3.3 冷卻潤滑優(yōu)化

硬切削雖然大都是在干切削的條件進(jìn)行加工，但實(shí)踐證明微量的冷卻潤滑還是有利于硬切削的加工效率和加工質(zhì)量。針對滾動軸承鋼(60-62HRC)大多是在干切削條件下的試驗(yàn)研究，Jinming M.Zhou等人［25］對滾動軸承鋼的硬切削進(jìn)行了干切和高壓冷卻的比較，試驗(yàn)研究結(jié)果證明高壓冷卻比干切具有更好的加工質(zhì)量。D.Kramar等人［26］對AISI1045鋼(58HRC)的硬切削試驗(yàn)研究，更加側(cè)重于高壓冷卻的壓力變化對硬切削加工性能的影響，圖7是高壓冷卻的壓力變化的切削力的影響，顯然，高壓冷卻(切削液流量0.4L/min)比干切削和常規(guī)冷卻(切削液流量6L/min)具有更小的切削力，而壓力的變化影響不大。研究結(jié)果得到的結(jié)論是:由于切削溫度隨著切削速度增加而升高，限制了切削參數(shù)的選擇，采用高壓冷卻可以使切削速度進(jìn)一步提高45%，進(jìn)給量增加25%，同時刀具壽命提高了5倍。

固態(tài)潤滑是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ臐櫥夹g(shù)，主要是采用石墨或硫化鉬顆粒在刀具和工件的接觸面上產(chǎn)生潤滑作用，Singh Dilbag等人［27］對滾動軸承鋼進(jìn)行硬車削試驗(yàn)，通過干切削、石墨潤滑、硫化鉬潤滑三種方式的比較，結(jié)果如圖8所示，固態(tài)潤滑比干切削的加工表面粗糙度降低了8～15%，而硫化鉬的潤滑效果優(yōu)于石墨。

從以上研究可以看出，工藝優(yōu)化的目標(biāo)不同，優(yōu)化得到的加工參數(shù)取值范圍也相差很大，需要對優(yōu)化目標(biāo)的選擇進(jìn)行綜合考慮。

4 硬切削研究的發(fā)展趨勢

通過對國內(nèi)外近十年硬切削研究的分析和比較，對未來硬切削加工技術(shù)研究的發(fā)展趨勢形成如下結(jié)論:

(1)向精密化方向發(fā)展

硬切削加工的研究經(jīng)歷了粗加工、精加工和超精密加工的發(fā)展階段，從國外的一些比較研究工作可以看出，硬切削加工在某些特定的條件下，不僅加工表面粗糙度低于磨削表面，而且表面殘余應(yīng)力和白層的影響也優(yōu)于磨削［27］，硬切削完全有條件作為精密加工的最后工序。隨著硬切削向精密化方向研究的不斷深入，相對于磨削加工，硬切削所具有的獨(dú)特優(yōu)勢將更加凸現(xiàn)。

(2)向綠色化方向發(fā)展

硬切削以不用或少用切削液的方式進(jìn)行難加工材料的切削，相對于普通的磨削加工，更加符合環(huán)境保護(hù)的需要。隨著環(huán)保政策和法規(guī)的逐漸完善，國外更加重視可持續(xù)制造的研究，從干切、準(zhǔn)干切、低溫切削等方面進(jìn)行環(huán)境保護(hù)研究［28］;從機(jī)床、刀具、工藝等方面建立優(yōu)化模型進(jìn)行節(jié)省能耗的研究［29］;從硬切削刀具回收重用的性能分析和比較研究進(jìn)行材料循環(huán)使用的探索［30］，這些環(huán)保、節(jié)能、回收的研究，充分體現(xiàn)了社會對綠色制造的需求。

(3)向集成化方向發(fā)展

高硬度鋼是一種難加工材料，硬切削是基于高速切削技術(shù)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。雖然硬切削工藝已經(jīng)有了許多成功的應(yīng)用，為了使難加工材料在加工效率、加工質(zhì)量、加工成本等方面獲得更好的效果，硬切削研究在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步深入的同時，正朝著技術(shù)集成的方向發(fā)展:在硬切削加工的同時對工件材料激光預(yù)熱、對刀具液氮冷卻;車銑組合硬切;振動輔助硬切，這些不同技術(shù)的組合應(yīng)用，都取得了良好的試驗(yàn)效果，為提高硬切削加工性能展示了一個值得關(guān)注的發(fā)展方向。

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(編輯 李秀敏)

Recent Advances in Hard Cutting and its Future Trend

LIYing
(Mechanical Engineering college，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

Cutting ofhardened steel is a advanced manufacturing technology for today’s industrial production and scientific research.Hard cutting operations have been receiving increased attention because it offersmany possible benefits over grinding such as:high material removal rate,energy-saving,and even the possibility of dry machining.This paper review s the recent advance in hard cutting.Themain problems include:hard cutting theory,equipment and cutting tools,and optimum cutting condition of hard cutting.Some comments on future development and directions are also pointed out.

hard cutting;machining theory;equipment;parameter optimization

TH16;TG65

A

1001-2265(2011)06-0107-06

2010-12-01;

2010-12-13

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(2009ZX04001-171-02)

李迎(1952—)，男，河南固始人，南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，(E-mail)gsly@mail.njust.edu.cn。