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1 引言
淬硬钢是一类较难加工的材料，硬度高达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。由于其典型的耐磨结构，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(淬硬钢的种类及其组织形态如图1所示)。随着超硬刀具材料——陶 瓷和PCBN性能的提高和价格的调整，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 态切削是指采用超硬刀具对硬度大于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，在精磨工序中 采用硬态切削是加工淬硬钢的最佳选择。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应用。本文通过综合国内外大量文献，对硬态切削过程中切削力的特征、切屑的 形成机理、硬态切削力与金属软化效应的作用、冷却润滑技术和已加工表面质量等进行了讨论，以期促进硬态切削工艺的推广应用。2 硬态切削力特征精密硬态切削区的形状及切削力的特征如图2所示。影响硬态切削力的因素主要包括切削速度、进给量、切削深度、后刀面磨损量和工件硬度等。国内外学者的研究表明，在不同精度等级的机床上实施硬态切削时，切削力并不发生变化。巴 西Abrao Mendes 博士分别选用陶瓷刀具、低CBN含量和高CBN含量的PCBN刀具切削AISI52100 轴承钢(硬度62HRC)时发现：径向切削力最大，其次是主切削力和轴向切削力；粗加工时切削力约为精加工时的6～9 倍；切削力与进给量、切削深度和后刀面磨损量成近似线性关系；当切削速度增大时，切削力稍有下降。德国阿亨工业大学W.König 教授通过用陶瓷刀具和PCBN刀具切削100Cr6 淬硬轴承钢的切削力对比实验，研究了切削速度、切削深度和进给量对切削力的影响趋势。研究表明：主切削力和轴向力的变化与切深呈线性增长趋势，而径向力增 长缓慢；不同的进给量对切削力的变化影响趋势一致，轴向力的增长速率稍低于主切削力和径向力，而当进给量很小时，会出现径向力大于主切削力的现象。日本中 山一雄教授认为，提高切削速度使切削力有所下降的主要原因是切削温度升高使工件塑性增强(即金属的硬度因切削温度的作用而降低，如图3所示)。不过这种性 质的变化仅限于一定的切削速度范围，当切削速度超过200m/min时，切削力并不沿下降通道变化。这与W.König教授的研究结果一致。中山一雄教授 认为，尽管淬硬材料的硬度较高，但切削力较小，其原因一是由于断裂的产生使塑性变形十分小，二是因为刀—屑接触面积小，使摩擦力减小。哈尔滨理工大学刘献 礼教授采用正交试验对切削力的各影响因素进行设计，得出了切削速度、切削深度、进给量和工件硬度对应切削力的三维曲面，在试验条件下得出了主切削力变化规 律基本符合传统金属切削理论的结论。
图3 硬态切削的金属软化效应 |
英 国伯明翰大学E.G.Ng博士对PCBN刀具切削AISI HI3 淬硬钢时的切削温度和切削力进行了有限仿真求解，其最大误差达25%，精度分散性大，同时有限元计算量也很大。张弘弢教授运用挤压和轧制理论，根据能量原 理对倒棱刀具的切削机理进行了深入阐述，提出了倒棱刀具的三区模型(第一变形区、金属死区、第二变形区)，并能对剪切角和切削力进行预报和仿真；根据金相 分析和快速落刀装置，发现金属死区的存在并不依赖于切削速度、前角和倒棱角度；在同样的切削条件下，倒棱刀具的剪切角小于单尖刀具剪切角约2°～3°。台 湾学者K.Fuh利用最小能量原理修正了臼井英治的切削模型，依据切削面积和考虑后刀面作用力，对切削力进行仿真，其综合精度较高。由于引入的经验系数较 多，对于不同的刀具和工件材料这些系数往往是变化的，因此其实用性受到一定限制。3 硬态切削的切屑形态金属切削过 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。K.F.Koch博士和P. Fallboehmer博士认为，硬态切削的切屑形态受切屑厚度的影响最大，当切屑厚度小于20µm 时易产生带状切屑，否则生成锯齿形切屑(见图4)。形成锯齿形切屑的原因主要是刀具前刀面附近的工件材料受到挤压而堆积在前刀面上，刀具继续向前切削致使 切屑材料发生突然断裂。
图4 切屑厚度对锯齿形切屑的影响 |
关 于锯齿形切屑形成机理有很多著名的论断。1964 年Recht 提出了切削加工时突变剪切失稳的经典模型，当名义应力—真实应变曲线斜率为零时，即温度变化的局部速率对强度的负面影响等于或大于强度所产生的应变硬化的 正面影响时，材料内部的塑性变形区便产生突变剪断。美国俄克拉荷马州立大学的Hou Zhen-Bin和Ranga Komanduri提出了锯齿形切屑形成过程中的热力学模型，他们的实验表明，切削速度和进给量在剪切发生失稳中起着重要作用。Samiatin和Rab 发现当正常的流动软化率对应变速率敏感值之比等于或大于5时，金属切削过程的非均匀流动立刻发生。热塑过程的不稳定性(应变硬化与热软化)导致剪断区产 生，即使没有热软化效应，其它机理也可使剪切带抗剪强度明显减小。例如当剪切带产生微裂纹时，使承受应力的实际面积减小，Walker和Shaw认为这是 机加工中切屑断裂的一种可能机理。最近Shaw和Vyas对较低切速下加工AISI 4340钢和低速加工钛合金产生节状切屑的研究更清楚地证实了上述概念。由于此时的切削速度很低，剪切面产生的热可向任意侧面扩散，热软化相当困难，因此 可解释为由于微裂纹的存在使实际剪断强度降低。剪断失稳的其它机理包括材料组织转变，如在某些钢中马氏体向奥氏体的逆转变。中山一雄对淬硬钢硬态车削时锯 齿形切屑形成机理的观点是：切屑形成起源于自由表面上剪应变值最大处，邻近自由表面的变形假设为纯剪切作用的结果，剪切断裂与自由表面夹角为45°。 Sih用解析法获得“应变能密度”因子S，并在平面应变条件下模拟了锯齿形切屑的生成机理，提出硬态切削淬硬钢时锯齿形切屑形成的新模型，给出了负载角f与断裂角q0之间的关系式。大 连理工大学王敏杰、胡荣生教授的研究表明，锯齿形切屑主要是因为高速切削产生的热塑剪切失稳所致。热塑剪切失稳是广泛存在于许多动态塑性变形过程中的一种 材料破坏现象，其先决条件是变形材料的局部温升引起的热软化效应足以抵消材料的变形强化效应。金属切削过程中的热塑剪切失稳是指发生在第一变形区的强烈局 部剪切集中，其结果导致不对称的锯齿形切屑，它与普通金属材料在低速下形成的挤裂切屑不同，特征是切屑的各锯齿之间以变形很大的热塑剪切带相隔。采用金属 陶瓷刀片SNMG120412N-UG(牌号ZK01)切削GCr15轴承钢的试验结果表明：当切削深度为0.5～4mm、进给量 0.07～0.43mm/r、切削速度≥130～160m/min 时，开始产生热塑剪切失稳。
图5 切削过程对已加工表面的破坏过程 |
4 硬态切削的已加工表面完整性切 削加工过程中切削热的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工表面造成一定程度的破坏(如图5 所示)。用硬态切削取代磨削加工的关键是如何获得理想的加工表面粗糙度、形状精度和加工表面状态，而提高硬态切削的加工精度和硬态切削工件的性能是一个需 要长期深入研究的课题。硬态切削已加工表面的完整性主要包括以下内容：表层组织形态及其硬度、表面粗糙度、尺寸精度、残余应力的分布和白层的产生。美 国普渡大学C.R.Liu教授早在1976年便发表了切屑形成过程对已加工表面亚表层力学状态的论文，主要分析了尖刃刀具和磨损刀具对残余应力的影响。最 近C.R.Liu还通过实验论证了超精密硬态切削淬硬轴承钢的可行性和切削条件，并在超精密硬态切削加工表面的残余应力模型、模拟和优化研究方面做了大量 工作。德国P. Leskovar的研究工作表明：已加工表面微观硬度受进给量和后刀面磨损量的影响较大，进给量越小，磨损量越大，表面硬度越高。刘献礼教授的正交硬态切 削试验结果表明：切削速度、进给量和切削深度对表面硬度的影响都具有单一变化规律，即已加工表面硬度随切削速度的提高而增加，随进给量和切深的增大而降 低，而且已加工表面硬度越高，硬化层深度越大。通过对试件的基体组织和表层组织的扫描电镜照片进行对比分析，认为硬态切削过程中已加工表面硬度虽有所提 高，产生一定的硬化深度，但对表面表层的金相组织并无破坏。
图6 硬态切削已加工表面的白层 |
伯 明翰大学D. K. Aspinwsll教授在高刚性数控车床上采用陶瓷和PCBN刀具切削淬硬AISI E52100轴承钢时发现：工件表层和亚表层的组织状态发生变化，其微观组织由白色的未回火层和黑色的过回火层组成。实验结果显示硬态切削后工件表面均为 残余压应力，而磨削后工件的最大压应力主要集中在工件表面。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动速度、切削刃的几何形状、工件材料以及刀具磨 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，加拿 大Kurt Jacobus运用平面应变粘弹塑性理论、美国普渡大学S.Mittal运用多项式拟合原理预测切削参数对残余应力分布的影响，其不足之处是都需要进行大 量的标定实验来估计系数。J.D.Thiele等研究了精密硬态切削过程中切削刃几何形状和工件硬度对工件表面残余应力的影响，实验中分别选用尖刃、倒 棱、钝圆三种刃部的PCBN刀具。测试结果显示：刀具钝圆半径越大，残余压应力值越大；工件硬度越高，残余压应力值越大。Y.Matsumoto和 D.W.Wu也认为工件硬度对工件表面完整性的影响极大，工件硬度值越大，越有利于残余压应力的形成。Y.Matsumoto还认为，刀具几何形状也影响 残余应力的形成，双倒棱和大钝圆刀具所形成的残余压应力远远优于单一倒棱和尖刃刀具，但切削参数(切深和进给量)对残余应力没有显著影响。影 响硬态切削已加工表面质量的另一个重要因素是白层的形成。白层是伴随着硬态切削过程所形成的一种组织形态(如图6所示)，它具有独特的磨损特性：一方面硬 度高，耐蚀性好；另一方面又表现出较高脆性，易引起早期剥落失效。白层尺寸较薄，难于准确分析其组织特征，它的形成机理至今仍有争议。一种观点认为白层是 相变的结果，是由材料在切削过程中被快速加热和骤然冷却而形成的晶粒细小的细晶马氏体组成。另一种观点认为白层的形成仅属于变形机制，只是由塑性变形而得 到的非常规型马氏体。目前将白层视为马氏体组织的观点得到一致认可，主要争议在于白层的精细结构。Y.K.Chou和C.J.Evans认为硬态切削过程 中白层的形成与切削热有关，后刀面磨损量的增加将导致白层深度加大，在VB 达到0.31mm 时白层深度高达10µm。B. J. Griffiths认为切削过程中产生白层现象的原因是高速滑动磨损，白层的组织形态是超细晶粒结构的奥氏体和马氏体的混合组织，并与刀具磨损密切相关 (见图7)。因此，需要进一步深入研究白层的形成机理及其对零件寿命的影响。
图7 白层组织形态与后刀面磨损的关系 |
5 硬态切削技术的发展趋势目 前硬态切削加工技术已引起世界范围内制造业界和科研机构的高度重视和极大兴趣，但推广应用硬态切削加工技术仍存在一定障碍，主要问题有：如何使已加工表面 保持稳定的表面粗糙度和尺寸精度；已加工表面质量能否满足零件的工况需要并具有一定的寿命；如何进行硬态切削加工刀具的选择、使用、成本控制等。因此，未 来硬态切削加工机理及其技术的研究重点是：控制切削过程中切削力的大小并保持其稳定性；消除和减小切削热对工件尺寸精度的作用；硬态切削过程中冷却润滑技 术的合理化；已加工表面硬度的梯度、残余应力的分布、表层组织形态和白层形成机理的研究。 |
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