淬硬钢旋削时的刀具特性对切削温度的影响

林勇传 覃海英

(广西大学机械工程学院,广西 南宁530004)

耐磨性要求较高的零部件往往使用表面进行过淬火处理的淬硬钢。在对这种淬硬钢进行表面切削加工时，如果使用导热性差的Si3N4陶瓷刀具,由于其导热性差,同时切削的淬硬钢的硬度又非常高,会导致很高的切削温度[1]。因此高速切削加工中不宜使用导热性差的陶瓷刀具或其他的刀具。在现代先进的切削加工中常常使用硬度仅次于金刚石,且在切削刀具当中有较高的热传导率的CBN (立方氮化硼)刀具。

但是,切削加工而成的材料多用于要求严格的环境当中,因此对加工后的零部件要求具有很好的表面质量。众所周知，淬硬钢加工后的表层会形成与母材所不同特性的加工变质层的，即使是在使用CBN刀具的淬硬钢的加工中也会形成叫做白层的加工变质层[2]。虽然这种白层的硬度高，但是质地脆，容易剥落，因此，应力求尽可能地不要使其生成。

有关学者对这种白层在限定切削条件下的影响[3]和它的组织以及机械特性进行过研究[4]，但并不涉及切削刀具的各种特性与切削温度之间关系的系统研究。

1 实验装置以及实验方法

在本实验中,CNC(计算机数字控制)车床的卡盘上安装了扩孔车刀,在刀台上对固定住的圆筒形的淬硬钢（SCM415）的内圆面进行切削。刀具的后刀面的切削温度使用光纤维耦合器型的2色温度计测量[5]。这种温度计是通过检测出波长范围不同的两个光电变换素子的输出比来换算成温度的,因此可以不受测定对象的辐射率的影响。切削中的刀具刀尖在穿过被切削材料穿出的小孔的下面的时候,安装在小孔内的光纤维会接收到刀具的后刀面的辐射的红外线。

实验所用工件的材料是SCM415，淬硬处理后表面硬度为650HV。使用刀具为热传导率不同的3种CBN工具，两种表面涂层工具和1种陶瓷工具。在每一种类的刀具里，准备

表1刀具的化学成分和热传导率有后刀面平均磨损(VB)为0，0.05mm，0.1mm三种不同的刀具，以便于讨论在不同的磨损状态下刀具特性对切削温度的影响。切削速度在100m/min到200m/min之间，进给速度是0.08mm/rev，切削深度是0.2mm保持不变。表1表示了刀具的化学成分和热传导率，从表中可以得知，刀具CBN3的热传导率最高，陶瓷工具的最低。

2 实验结果

图2中，显示了在使用不同热传导率的工具的情况下刀具的后刀面温度的测定结果。无论是哪个工具，切削速度越快切削温度就变得越高。另外还表明刀具后刀面的磨损程度越高，切削的温度也变得越高。

CBN工具和陶瓷工具试验对比表明，热传导率高的CBN工具的刀具，其后刀面温度较低。3种CBN工具虽然材质相同，但结合材料和CBN的粒子的比例不同，热传导率也不同。试验结果同样显示热传导率高的刀具，其后刀面温度低。另外，通过实验也了解到热传导率越小，在刀具的后刀面的摩擦损耗越大的情况下，切削速度的增加会使刀具的后刀面的温度有较大幅度的上升。

3 结论

在本研究中，使用光纤维耦合器型的2色温度计测量了硬钢切削时后刀面的温度，对刀具的热传导率、材质对后刀面的温度的影响进行了研究调查，得出了以下的结论：

① 切削速度对刀具的后刀面的温度影响很大，高速切削会使刀尖的温度上升。

② 后刀面的磨损幅度越大，刀尖的温度就越高。

③ 刀具热传导率对其后刀面的温度有较大的影响，热传导率越高的，刀尖温度越低。

[1]王宝棣,葛黄斌,邵杰.淬硬钢切削过程分析[J].广西大学学报:自然科学版,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,細川晃.光ファイバを用いた赤外線輻射温度計の開発 [J].材料,1987,36: 404-409.