2008年3月22日星期六

硬车加工中的冷冻www.tool-tool.com

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一项新的硬车加工工艺即将问世，其开发者称它可以将粗磨时间从原来的4小时降低到15分钟。此外，该工艺还被认为可以将刀具成本降低85% ，同时改善工件公差及表面粗糙度。

该工艺是由哈挺公司与空气产品及化学物质有限公司(Air Products and Chemicals Inc.)共同开发的，原理是在车削操作中在切口处导入液态氮。在该工艺中，液态氮能将切削刀具冷却到非常低的温度，并阻止在工件中形成温升现象，提高切削操作效率，产生巨大的好处。

该工艺被称作“IceFly”，据空气产产品公司IceFly的技术主管Ranajit Ghosh 说，该工艺可以用于替代粗磨操作，在硬度为78Rc的材料粗加工操作中可以将公差保持在0.008英寸，同时提高切深和主轴速度。

Ghosh 在次采访中说，空气产品公司大约于5年前开发出在切削操作中应用液态氮的该工艺。在切削中采用液态氮原来是开发用于加工制作扁钢的重型工艺辊及支撑辊的。这些辊子是用难加工淬硬工其钢制造的。Ghosh说其公司的冷却工艺当前正在美国5台生产这种辊子的机床上使用。

空气产品公司与哈挺之间的合作使得该工艺应用到了更宽阔的市场及更小的零件上。

除了冷却切削刀具以外，IceFly工艺还可以在特定温度下将工件保持冷却。

小零件，大挑战

给各种各样的零件硬车操作进行低温冷却不是件简单的事情。当在加工过程中导入极低温液体时，液体容易快速达到自己的沸点(氮的沸点为-320华氏度或-196摄氏度)。在液体与温度比液体高得多的刀具及工件之间会形成一个气体层，该气体层将成为热屏障。

对这个问题，空气产品公司找到了解决方案，Ghosh说：“该工艺并不是仅仅往工件上倒液态氮那么简单。在这样做的过程中，会形成气体分界层，该分界层会降低传热效率，几乎会消除(从工件)传热的能力。”

空气产品公司开发了一种两相系统，其中在液态氮中悬置专用固体粒子。结合击打刀具和工件的气体的速度，这些粒子会破坏气体分界层。液态氮通过可以调整其流速的喷嘴喷到刀其和工件上。

Ghosh说，喷嘴附在刀其转塔上，液态氮从储箱中供应。喷嘴将液态氮直接喷到刀具前倾面上。

优势

硬材料的粗切削时间降低到了以前的1/16。
提高了表面硬度，耐磨及疲劳强度。
刀具成本降低85%。

需要权衡的方面：

改造机床需要发生成本。
每个零件的加工成本增加。
投资回报率依据应用场合不同而不同。
(当前)仅适合车削操作。

优势

冷液体可以去除切削过程中产生的热，将工件保持恒温。哈挺的高级应用工程师Tom Sheehy说，让工件保持恒温可以保障恒定的切削条件，从而维持精确的公差，即使切深比通常的更深也可以实现这一点。

此外，液态氮还将刀具保持在极冷状态。Ghosh说低温冷冻改变了陶瓷刀其的特征，使它们变得更硬，更韧。Sheehy说．这样陶瓷刀具可以以 0.003～0.005英寸的切深切割硬度超过78Rc的硬质合金材料。Sheehy补充说，陶瓷刀具的低温制冷还可以对那些淬硬材料进行断续切割。 Sheehy 说：“低温冷却使陶瓷刀具强度更高，韧度更大，所以可以不用100美元的立方氮化硼刀具而用15美元的陶瓷刀具，同时性能还更好。”

第三个加工方面的好处是冷的氮气可以淬冷工件，提高表面硬度。

表面质量的改善

Ghosh 说：“在实践中我们已经在加工好的零件中发现表面和次表面硬度提高，压缩残余应力提高，同时白色层减少。”他解释说，压缩残余应力的增加使零件提高了疲劳强度。“白色层”指的是，在加工件表面，受热影响的金属中发现的未蚀刻的脆层，人们相信该层是在特定加工条件及采用特定切削刀具时，在某些钢成分中形成的。

Ghosh说．提高压缩残余应力和减少白色层可以提高加工件的耐磨和耐疲劳属性。

这典好处改变了粗切硬材料，诸如钴或铬含量比较高的工具钢和工具铁或碳化钨及钨钢等的加工程序。他说，该工艺还可以用于加工多孔材料，诸占如粉未金属产品，以及其他难加工材料，诸如金属基质复合材料等。Ghosh说：“没有任何其他工艺可以应用到所有这些场合。”此外，他补充道，该工艺很环保．并且很容易通过改装方式加到现有机床上。

极低温增加了陶瓷刀片的强度和韧度。

试验

空气产品公司与哈挺在前者位于宾夕法尼亚州Allentown镇的公司现场，在一台试验性车床上试验了该工艺，哈挺的交钥匙工程经理Jeff Thomason说，在此他们正在以试验方式证明该概念。他提到：“我们将它看作是一种可以替代硬磨的工艺。”

哈挺正寻求在多种行业、各种产品上应用该工艺，但是，由于它可以很好地切割极硬材料及稀有材料，第一大应用领域可能是航空及医疗市场或用非常硬的材料生产刀具。Thomason说：“该工艺并非特定行业才可用。”

Thomason和Sheehy拒绝谈及该工艺的安装和使用成本，但是他们说对于不同的应用场合成本是不同的。此外，Thomason说，该工艺预计的投资回报也会因应用场合不同而不同。”

他说：“仅仅因为刀具寿命提高及刀片耐磨性能加强，该工艺有可能立即实现巨大报偿。”而Sheehy补充道，哈挺已经发现，该工艺将粗磨零件的时间已经从4 小时缩短到15分钟，粗加工时间几乎缩短了95%。此外，他说，车出来的零件公差与粗磨的毫无二致。最后，他说，在该工件中，IceFIy工艺采用了廉价的陶瓷刀片而不是CBN刀具。

Sheehy说“采用液态氮成本有所增加，但是这种增加却完全被循环时间的缩短以及刀具成本的降低所抵消。”

Ghosh说空气产品公司针对IceFIy工艺，持有或者已经采用9大专利，并且这些专利既涵盖该工艺，也涵盖了公司为该工艺而开发的设备。Thomason说，对于硬车应用领域，现在已经可以从市场上购买到该工艺。

Ghosh说．他相信可以对其他加工过程诸如铣削开发液态氮工艺，但足为实现这一点，需要进行一定的开发工作。

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硬态切削机理研究的现状与发展www.tool-tool.com

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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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硬态车削工艺及关键技术www.tool-tool.com

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0 引言

硬态车削也称“以车代磨”，是指把淬硬钢的车削作为最终精加工工序的工艺方法。一般情况下，淬硬钢工件的粗加工是在淬火前进行的，淬火后进行磨削精加工。但磨削加工成本高、效率低。随着高硬刀具材料和相关技术的发展，可以采用PCBN刀具、陶瓷刀具或新型硬质合金刀具在车床或车削加工中心对淬硬钢进行车削，其加工质量也可以达到精磨的水平。

1 硬态车削的特点

与磨削相比，硬态车削有如下特点：

加工效率高、经济效益好 去除相同体积的金属时，硬态车削往往可以采用较大的切削深度和较高的转速，而磨削则只能采用小切深，否则容易产生磨削烧伤，径向分力大引起变形，硬态车削的金属去除率可为磨削的3～4倍，能耗仅为磨削的1/5；车削一次装夹可完成多表面的加工(如外圆、内孔、端面、台阶、沟槽等)，磨削则不能；在加工效率相同的情况下，车床投资仅为磨床的1/3～1/2，占地面积小、辅助系统费用低。
是一种洁净的加工工艺 硬态车削所用的刀具，基本可不使用切削液，这样就节省了相关的切削液传输装置和处理装置，大大节省了投资费用；切削液中一般都含有毒有害物质，会对环境造成污染，也损害了操作者的健康。不使用切削液的硬态车削是一种洁净的加工工艺。
可获得良好的整体加工质量 工件安装次数的减少，可使工件得到较高的位置精度和圆度，车削不会引起表面烧伤和微裂纹。目前硬态车削的加工精度可达IT5级，表面粗糙度Ra可达0.8～0.2µm。

2 硬态车削的关键技术

实施硬态车削工艺时，切削力大(特别是径向力比主切削力还大)、切削温度高、刀具使用寿命短，这就要求作为硬态车削的刀具耐热性和耐磨性应更好，机床工艺系统也要有足够的刚度。

刀具材料与几何参数 能够作为硬态车削的刀具材料有立方氮化硼(CBN)，陶瓷和新型硬质合金。CBN具有很高的硬度和耐磨性，适合加工硬度大于HRC55的淬硬钢工件。陶瓷刀具材料的成本低于CBN，且具有良好的化学热稳定性，但硬度和耐磨性不如CBN，对于硬度小于HRC50的淬硬钢工件选用陶瓷刀具更为合适。我国陶瓷刀具技术已较完善，刀片性能也较可靠，国产Al₂O₃,陶瓷刀片已有近20个品种。新型硬质合金及涂层硬质合金刀具材料的抗弯强度和冲击韧性比CBN和陶瓷材料要高，价格又低，可用于加工硬度为HRC40～50的淬硬钢工件。刀片形状及刀具几何参数的选择合理与否，对充分发挥刀具的切削性能至关重要。对于各种材料的刀片来说，均应选择强度高、散热条件好的刀片形状和尽可能大的刀尖圆弧半径。刀具几何参数的主要特点是选择较大的负前角或预磨出负倒棱。
切削用量与切削条件 切削用量选择得合理与否，对硬态车削效果影响很大。由于CBN和陶瓷刀具材料的耐热性和耐磨性好，可选用较高的切削速度和较大的切削深度以及较小的进给量。而切削用量对硬质合金刀具磨损的影响比CBN刀具要大些，故用硬质合金刀具就不宜选用较高的切削速度和切削深度。一般情况下硬态车削不用切削液.但有时对工件的加工精度和表面质量和刀具寿命有特殊要求时，也可使用水基切削液并采用连续均匀的冷却方式，避免刀片产生微裂纹。
硬态车削机床 硬态车削与非淬硬钢车削相比，切削力增加30%～100%，切削所需功率增加1.5～2倍，所以对硬态车削对机床提出了更高要求，如高刚度、大功率等。机床本身的主轴系统除了要保证高刚度以外，还应具有高转速，以保证充分发挥CBN或陶瓷刀具的性能优势。但主轴的高转速，往往容易引起振动，为防止和消除振动包括夹具在内的整个主轴系统必须经过良好平衡，主轴的径向跳动和端面跳动都不得大于3µm。机床导轨的精度要高、直线性要好、间隙要小，特别不能有爬行现象。此外，机床要有良好的热稳定性，机床热变形量要在一定范围内，这样才能保证连续生产的加工精度要求。

3 硬态车削的应用与展望

实践证明，硬态车削比磨削可降低成本40%～60%。在德国、美国的汽车工业中，加工曲轴、凸轮轴等零件均采用硬态车削工艺，收到良好效果。我国也有少数工厂在CNC车床上对淬硬薄壁套、轴承环、齿轮内孔与端面以及量刃具等零件，用硬态车削也达到了磨削效果，并提高了加工效率。目前硬态车削工艺的应用还不够广泛，主要原因有：该项技术要求机床、刀具、夹具及工艺应有最佳组合；工件硬度和余量应均匀，对硬态车削机理研究不够；硬态车削加工成功实例的实际指导作用不强；对硬态车削效果的宣传推广不够等。尽管如此，硬态车削以其鲜明的特点和优势必将成为切削加工领域中重要的发展方向之一。