淬硬鋼旋削時(shí)的刀具特性對(duì)切削溫度的影響

林勇傳 覃海英

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧530004)

耐磨性要求較高的零部件往往使用表面進(jìn)行過淬火處理的淬硬鋼。在對(duì)這種淬硬鋼進(jìn)行表面切削加工時(shí)，如果使用導(dǎo)熱性差的Si3N4陶瓷刀具,由于其導(dǎo)熱性差,同時(shí)切削的淬硬鋼的硬度又非常高,會(huì)導(dǎo)致很高的切削溫度[1]。因此高速切削加工中不宜使用導(dǎo)熱性差的陶瓷刀具或其他的刀具。在現(xiàn)代先進(jìn)的切削加工中常常使用硬度僅次于金剛石,且在切削刀具當(dāng)中有較高的熱傳導(dǎo)率的CBN (立方氮化硼)刀具。

但是,切削加工而成的材料多用于要求嚴(yán)格的環(huán)境當(dāng)中,因此對(duì)加工后的零部件要求具有很好的表面質(zhì)量。眾所周知，淬硬鋼加工后的表層會(huì)形成與母材所不同特性的加工變質(zhì)層的，即使是在使用CBN刀具的淬硬鋼的加工中也會(huì)形成叫做白層的加工變質(zhì)層[2]。雖然這種白層的硬度高，但是質(zhì)地脆，容易剝落，因此，應(yīng)力求盡可能地不要使其生成。

有關(guān)學(xué)者對(duì)這種白層在限定切削條件下的影響[3]和它的組織以及機(jī)械特性進(jìn)行過研究[4]，但并不涉及切削刀具的各種特性與切削溫度之間關(guān)系的系統(tǒng)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置以及實(shí)驗(yàn)方法

在本實(shí)驗(yàn)中,CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)車床的卡盤上安裝了擴(kuò)孔車刀,在刀臺(tái)上對(duì)固定住的圓筒形的淬硬鋼（SCM415）的內(nèi)圓面進(jìn)行切削。刀具的后刀面的切削溫度使用光纖維耦合器型的2色溫度計(jì)測(cè)量[5]。這種溫度計(jì)是通過檢測(cè)出波長(zhǎng)范圍不同的兩個(gè)光電變換素子的輸出比來(lái)?yè)Q算成溫度的,因此可以不受測(cè)定對(duì)象的輻射率的影響。切削中的刀具刀尖在穿過被切削材料穿出的小孔的下面的時(shí)候,安裝在小孔內(nèi)的光纖維會(huì)接收到刀具的后刀面的輻射的紅外線。

實(shí)驗(yàn)所用工件的材料是SCM415，淬硬處理后表面硬度為650HV。使用刀具為熱傳導(dǎo)率不同的3種CBN工具，兩種表面涂層工具和1種陶瓷工具。在每一種類的刀具里，準(zhǔn)備

表1刀具的化學(xué)成分和熱傳導(dǎo)率有后刀面平均磨損(VB)為0，0.05mm，0.1mm三種不同的刀具，以便于討論在不同的磨損狀態(tài)下刀具特性對(duì)切削溫度的影響。切削速度在100m/min到200m/min之間，進(jìn)給速度是0.08mm/rev，切削深度是0.2mm保持不變。表1表示了刀具的化學(xué)成分和熱傳導(dǎo)率，從表中可以得知，刀具CBN3的熱傳導(dǎo)率最高，陶瓷工具的最低。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2中，顯示了在使用不同熱傳導(dǎo)率的工具的情況下刀具的后刀面溫度的測(cè)定結(jié)果。無(wú)論是哪個(gè)工具，切削速度越快切削溫度就變得越高。另外還表明刀具后刀面的磨損程度越高，切削的溫度也變得越高。

CBN工具和陶瓷工具試驗(yàn)對(duì)比表明，熱傳導(dǎo)率高的CBN工具的刀具，其后刀面溫度較低。3種CBN工具雖然材質(zhì)相同，但結(jié)合材料和CBN的粒子的比例不同，熱傳導(dǎo)率也不同。試驗(yàn)結(jié)果同樣顯示熱傳導(dǎo)率高的刀具，其后刀面溫度低。另外，通過實(shí)驗(yàn)也了解到熱傳導(dǎo)率越小，在刀具的后刀面的摩擦損耗越大的情況下，切削速度的增加會(huì)使刀具的后刀面的溫度有較大幅度的上升。

3 結(jié)論

在本研究中，使用光纖維耦合器型的2色溫度計(jì)測(cè)量了硬鋼切削時(shí)后刀面的溫度，對(duì)刀具的熱傳導(dǎo)率、材質(zhì)對(duì)后刀面的溫度的影響進(jìn)行了研究調(diào)查，得出了以下的結(jié)論：

① 切削速度對(duì)刀具的后刀面的溫度影響很大，高速切削會(huì)使刀尖的溫度上升。

② 后刀面的磨損幅度越大，刀尖的溫度就越高。

③ 刀具熱傳導(dǎo)率對(duì)其后刀面的溫度有較大的影響，熱傳導(dǎo)率越高的，刀尖溫度越低。

[1]王寶棣,葛黃斌,邵杰.淬硬鋼切削過程分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1993,18(1):39-42.

[2]KEVIN Y,HUI S.Thermal modeling for white layer predictions in finish hard turning[ J].International Journal of Machine Tools& Manufacture,2005,45:481-487.

[3]EVANS C J.The influence of the microstructure of harded tool steel workpiece on the wear of PCBN cutting tools[J].International journal of Machine Tools&Manufacture,2003,43:139-147.

[4]POULAUCHON G,MOISAN A,JAWAHIR I S.Tool-wear mechanisms in hard turning with polycrystalline cubic boron nitride tools[ J].Wear,2001,250:576-586.

[5]上田隆司,細(xì)川晃.光ファイバを用いた赤外線輻射溫度計(jì)の開発 [J].材料,1987,36: 404-409.