切削参数和刀具磨损对硬切削加工表面三维形貌的影响

李 林，陈 涛，王广越

(1.航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司复合材料加工中心， 哈尔滨 150000； 2.哈尔滨理工大学机械动力工程学院，哈尔滨 150000)

硬态切削是指硬度值超过HRC45以上零件的切削加工，常用于淬硬钢、渗碳钢、氮化钢等材料零件的精加工或半精加工，尤其当它作为最终的精加工方法时，对加工件的使用性能具有绝对的影响[1-2]。切削表面是零件与外界相接触的界面，其表面形貌直接影响零件的摩擦、配合和润滑等性能，同时对零件的磨损、腐蚀和疲劳等使用性能也具有显著的影响。切削加工表面形貌可以用二维和三维参数进行表征，相对于表面形貌二维表征方法，三维表征方法能更准确反映表面的微观结构和状态[3]。多年来，关于硬切削加工表面形貌的研究还主要集中在直观的表面二维粗糙度的分析上，硬态切削作为一种先进洁净的加工技术，开展三维表面形貌影响因素研究无疑加速该技术推广应用的关键。

图1 试验现场布置

国内外学者针对硬切削加工表面质量方面开展了一定的研究。Das等[4]探讨了切削参数对表面粗糙度的影响，结果表明，进给量是影响切削表面粗糙度的主要因素，其次是切削速度。Thiele等[5]研究了CBN刀具切削不同硬度AISI 52100钢时，切削刃几何参数对切削表面粗糙度的影响。Waikar等[6]对硬车削和磨削的表面形貌、振幅参数、面积和体积参数、空间参数和混合参数进行了比较分析。Agrawal等[7]通过试验研究了硬度为69HRC的AISI 4340钢的切削参数对其加工表面粗糙度的影响规律。肖露等[8]开展了硬切削加工表面完整性的研究，结合实验结果分析了加工表面质量的影响因素。由此可见，国内外相关学者针对硬切削加工表面质量研究还主要停留在二维粗糙度指标上，针对三维表面质量研究较少，为了加速推进高品质硬切削技术的应用，本文将开展硬切削加工表面三维形貌试验研究，以获得切削参数和刀具磨损对加工表面三维形貌的影响规律。

1 试验设计

试验现场布置如图1所示，包括装夹的工件、PCBN刀具及相关试验测试设备。PCBN刀片选用山特维克公司生产的7015型刀片，试验机床采用CKA6150型数控车床。试验材料为淬硬轴承钢GCr15(60±2HRC)，环形样件外径47mm，内径38mm，宽度10mm，并参照样件尺寸制备相应的装配芯轴。

切削速度分别为100m/min、150m/min、200m/min和300m/min，进给量为0.05mm/r、切深为0.1mm保持不变，试验共选用4个刀片，分别对应以上试验参数，每次切削行程保持不变，每次试验完毕使用VHX-1000型超景深显微镜测量刀具后刀面的磨损量，Axio CSM 700型激光共聚焦显微镜测量加工表面三维形貌，直至刀具后刀面磨损量达到0.2mm结束试验。另外，选用1个刀片，在切削速度100m/min条件下，进行进给量分别为0.05、0.1和0.15mm/r的试验，并检测加工表面质量。

2 试验结果与分析

2.1 切削参数对表面三维粗糙度的影响

图2 硬切削加工表面三维形貌

图2为刀具未发生磨损、切削速度为100m/min时的硬切削加工表面三维形貌。由图可知，沿切削进给方向，硬切削加工表面出现明显的波峰和波谷，这些波峰和波谷在一定范围内规则变化。而随着切削速度的增大，波峰的高度变得越来越高，波谷的深度也变得越来越深，两波峰之间的距离变得更为随机，导致硬切削加工表面变得粗糙。

图3为刀具未磨损时切削速度对表面三维粗糙度Sa的影响。如图所示，随切削速度的增大，表面三维粗糙度Sa也随之增加；切削速度为100m/min时，表面三维粗糙度较小为0.21μm，切削速度增大到200m/min时，表面三维粗糙度达到0.25μm，增大了18%；而切削速度达到300m/min时，表面三维粗糙度达到了0.36μm，相对于切削速度为200m/min时增大了74%。这是由于高速切削时，切削力较大，并伴随着较大的切削震颤，从而导致表面三维粗糙度Sa急剧增大。

图3 切削速度对表面三维粗糙度的影响 图4 进给量对表面三维粗糙度的影响

图4为切削速度和切削深度不变时，进给量对表面三维粗糙Sa的影响。如图可知，随着进给量的增大，表面三维粗糙度也明显增大；进给量由0.05mm/r增大到0.1mm/r，表面三维粗糙度增幅较大，增大了42%，进给量由0.1mm/r增大到0.15mm/r，表面三维粗糙度增大了48%；可以发现，进给量对表面三维粗糙度影响较大，随进给量增大，表面三维粗糙度增幅变化较小，但表面三维粗糙度数值变化较大。这是因为圆弧形车刀在两次连续的进给量周期内，加工表面会形成一定的残留区域，在进给量增大后，使残留区域增大，导致表面三维粗糙度升高。并且，由于硬切削过程中采用干式切削，进给量增大，使切削温度增大，加工表面金属发生热软化效应，导致刀具后刀面发生粘结，从而产生积屑瘤或者鳞次，使表面三维粗糙度增幅加大。

2.2 后刀面磨损形貌特征

图5为切削速度在200m/min时刀具的后刀面磨损形貌。由图中可知，在刀具倒棱区域和后刀面上出现了不同的磨损形貌，刀具倒棱磨损区域呈月牙状，后刀面磨损区呈长条状。在切削初始阶段，倒棱区域月牙洼磨损面积较小，且深度较浅；后刀面磨损区域也只发生了轻微的刮擦磨损。随着切削的继续进行，倒棱磨损区域逐渐向前刀面扩展，月牙洼面积和深度不断增加，后刀面磨损宽度逐渐增大。由于后刀面磨损增大，导致刀具后刀面与工件过渡表面产生摩擦作用增强，进而使加工表面的形貌变差。

图5 后刀面磨损形貌

2.3 刀具后刀面磨损对表面形貌特性影响研究

图4为切削速度在200m/min时刀具磨损对加工表面纹理的影响。由图可知，随刀具磨损增加，加工表面划痕数量逐渐增加，且划痕间距也更加随机。在刀具磨损初期，加工表面划痕较稀疏，且划痕间距较规则。随切削继续进行，刀具后刀面磨损量逐渐增大，后刀面与工件过渡表面产生剧烈的摩擦，使刀具切削刃变得不平整，导致加工表面出现大量的沟壑，划痕变得密集且不规则，从而降低了加工表面的质量。

图6 硬切削加工刀具磨损对加工表面纹理的影响

图7为刀具磨损对硬切削加工表面粗糙度影响。由图可知，随刀具后刀面磨损量逐渐增大，表面三维粗糙度也随之明显增大；在后刀面磨损量为50μm时，表面三维粗糙度变化趋势与未磨损较相似。当后刀面磨损量为100μm，切削速度小于200m/min时，表面三维粗糙度增幅明显变大，在切削速度达到300m/min时，表面三维粗糙度骤增；切削继续进行，后刀面磨损量达到150μm时，随切削速度增大，表面三维粗糙度均急剧增大，尤其在切削速度达到300m/min时，表面三维粗糙度达到1.3μm。这是由于在后刀面磨损量较小时，刀具属于稳定磨损阶段，后刀面磨损与工件过渡面摩擦作用较稳定，切削温度增长缓慢，加之切削速度增大，切削力升高，使表面三维粗糙度明显增大。而在后刀面磨损量较大时，刀具临近破损阶段，后刀面磨损与工件过渡面摩擦作用剧烈，使在不同切削速度下，表面三维粗糙度均急剧增大。

图7 刀具磨损对硬切削加工表面粗糙度影响

3 结语

本文开展了硬切削加工表面形貌实验分析，获得了切削参数及刀具磨损对表面三维形貌的影响规律。刀具未磨损时，仅在高切削速度条件下，表面三维粗糙度增加较为显著；然而刀具后刀面磨损量却对表面三维粗糙度存在着较为明显的影响，尤其当切削速度达到300m/min时，随着后刀面磨损量的增大，在切削速度和磨损量叠加影响作用下，加工表面已严重恶化。