CBN刀片硬车削GCr15轴承钢表面粗糙度的切削参数优化

刘培培

摘 要：与圆柱磨削工艺相比，硬车削已发展成为一种加工硬化零件的经济方法。通过硬车削工艺获得的表面粗糙度，尺寸和几何精度与通过磨削工艺获得的相似。立方氮化硼（CBN）通常在硬车削中用作切削工具。轴承衬套是使用硬度为60HRC的非常坚硬的材料制造的，这需要非常高的表面光洁度和精度。表面粗糙度在轴承应用中起着至关重要的作用，硬车削可用于实现所需的高表面光洁度并保持紧密的公差和精度。本文使用硬车床并选用CBN刀具在干燥条件下对淬硬的GCr15钢进行实验，以研究切削参数对表面粗糙度的影响，并通过田口矩阵方法获得了使表面粗糙度最小的最佳切削参数分析。在最佳条件下获得的最小表面粗糙度为0.1492 mm，与磨削轴承衬套进行比较，发现硬车削轴承衬套的表面粗糙度要比磨削轴承衬套更好。

关键词：硬车削;轴承衬套;切削参数;表面粗糙度

使用CBN刀片可以轻松地完成硬度高达60-62HRC的工件材料的车削，并且在某些特定应用中，比磨削可以获得更好的表面光洁度。硬车削在某些应用中被认为是替代选择，因为通过硬车削完成零件的生产步骤更少，并且能够去除材料至指定的公差，获得所需的表面光洁度。CBN的硬度仅次于金刚石，是陶瓷的两倍，耐磨性几乎与金刚石相同，因为它比陶瓷好2至5倍，比碳化物好5至10倍。因此，CBN可用于淬硬钢，各种钴、镍和铁基硬质合金的机械加工和精加工。在硬车削中，大多数工件都可以轻松地加工完成，这是硬车削的主要优势之一。切削参数取决于许多变量，例如材料类型，硬度，公差，表面光洁度要求和切削刀具几何形状。在大多数情况下，取决于上述参数，可能有必要进行试验测试以找出给定应用的最佳条件。田口法是找出改善表面质量的最佳参数的最佳方法。

实验中使用三个切削参数，分别是切削速度，进给量和三个切削深度。通过使用田口矩阵方法选定切削条件实验，以获得最佳切削参数，实现轴承衬套组件上的最小表面粗糙度。

实验使用硬车床进行，该机床主要用于加工硬度范围从40HRC到70HRC的非常硬的材料。硬车床是专门用于加工非常硬的材料，由线性导轨和强大的主轴组成，具有很高的动态刚度，床身由复合材料制成，具有很高的减振效果。用于实验的工件材料是GCr15钢，该钢主要用于轴承钢应用。使用机床将直径为50mm的GCr15棒料粗加工成直径为43mm，热处理至硬度为60HRC。根据实验设计，准备9个工件，车刀选用CBN（立方氮化硼）刀片，刀尖半径0.8mm。对所有9个硬车削实验的组合进行比较。

通过使用表面粗糙度测试仪，测量9种硬车削轴承套表面粗糙度。在轴承钢硬车削之前和之后测量轴承衬套组件的表面粗糙度。硬车削前的表面粗糙度值为1.02mm，硬车削实验后得到的最小表面粗糙度值为0.153mm。

对于所有实验，均获得了使用表面粗糙度测量仪得到的表面粗糙度值，以及通过田口实验分析获得了S/N比率值。从实验结果可以看出，切削速度V=200mm/min，进给量F=0.04mm/re和切削深度D=0.2mm（S/N比）时，切削参数组合的最小表面粗糙度值为0.153mm，信噪比值为16.3062。

从数据中可以清楚地看出，进给（9.156），其次是深度（2.3560）和切削速度（0.461）的信噪比（S/N）最大值和最小值平均值之间的差异更大。因此，进给是决定表面粗糙度的重要参数。

通过田口分析得出的表面粗糙度预测值V=100m/min，F=0.04mm/rev和D=0.2mm为0.1489mm。使用CBN刀片在干式加工条件下V=100m/min，F=0.04mm/rev和D=0.2mm。将最佳条件0.1492mm的结果与田口方法的预测值0.1489进行比较，结果非常接近预测值，并且小于4号实验的切削条件，即0.153mm。将该结果与研磨工件的表面粗糙度进行比较，发现硬车削工件比研磨工件产生的表面粗糙度最小。

结论

①结果表明，对于所有不同的切削速度和切削深度值，GCr15钢的表面粗糙度都随着进给量的增加而增加。因此，进给量是改善表面粗糙度最有影响力和最主要的参数。②从田口矩阵和主效应图获得了用于实现最小表面粗糙度的最佳切削参数，它们是V=100m/min，F=0.04mm/rev和D=0.2mm。③进行确认测试以验证最佳和预测的切削参数，并且获得的结果几乎等于预测值。在最佳条件V=100m/min，F=0.04mm/rev和D=0.2mm的条件下，可获得更好的表面粗糙度為0.1492mm。④将硬车削轴承套的表面粗糙度与磨削的轴承套进行比较，发现硬车削轴承套的表面粗糙度比磨削的轴承套的小。

参考文献

[1]詹华西.零件的数控车削加工.电子工业出版社，2011

[2]杨琳.数控车床加工工艺与编程（第二版）.中国劳动社会保障出版社，2009

[3]王启仲.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2008