CBN 磨削和车削淬硬轴承钢的表面

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

摘要 介绍了超硬材料CBN 加工淬硬轴承钢的磨削和车削形式，对比了这两种加工过程的特点，综述了CBN 磨削和车削淬硬轴承钢时白层的形成、残余应力的大小和分布等差异，零件的工作寿命表明CBN刀具硬态车削淬硬轴承钢后零件的性能优于CBN 磨料磨削，分析表明采用CBN 刀具硬态切削淬硬轴承钢可以实现以车代磨。主题词CBN 淬硬轴承钢 表面完整性1 引言1957 年美国通用电器公司超硬材料研究部的R.H.Wentorf 联想石墨转化成金刚石的道理，采用相似的方法成功地合成立方氮化硼(Cubic Boron Nitride)微粉。从六十年代初到七十年代初期，前苏联、英国、前西德、日本和我国都相继掌握了立方氮化硼的合成技术。由于立方氮化硼的高硬度和具有优于金刚石的热稳定性和化学惰性，首先引起加工技术界的极大关注。在金刚石砂轮制作经验的基础上，使得立方氮化硼制品首先在砂轮及磨削加工方面实现了商品化。至70 年代研制成功立方氮化硼烧结块也称聚晶立方氮化硼(Polycrystalline CubicBoron Nitride)，才使其作为切削刀具使用。2 磨削与硬态车削过程过去淬硬轴承钢零件的精加工一直是在磨削领域进行，磨削工序加工效率低、砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程度严重，从而造成了大型淬火轴承工件加工的工艺瓶颈。如大型轴承套圈淬火件和小直径孔的磨削加工中，由于热处理变形量大和砂轮线速度低等原因，其磨削效率很低，资料表明大型轴承套圈的加工总工时中，磨削加工占三分之一以上，很难适应经济飞速发展和产品竞争的市场快速响应要求。由于超硬材料刀具的出现及数控机床等加工设备精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径。磨削过程中，砂轮是由粘结剂和许多微小磨粒组成，磨粒通常制成锋利的切削刃。与此同时，单个切削刃在砂轮上是随机分布和取向的，切削深度非常小且所有磨粒的情况互不相同。当磨粒与工件之间啮合深度很小时，仅发生弹性变形且工件材料不发生切除现象，弹性变形和摩擦消耗诸多能量。当切深加大时，磨粒从工件表面耕犁过，偶尔也会去除一些材料，但这种加工过程是不经济的，这时磨粒与工件之间的摩擦现象十分严重。磨削加工后角通常为零甚至为负值，因此，大量能量消耗在克服摩擦和弹性变形上，由此实验可知，磨削过程中的单位切削能大约为硬态切削过程的10 倍以上。硬态切削过程的单位切削能包括剪切区的变形能和克服后刀面摩擦力及耕犁力所需的附加能量。为降低后刀面摩擦，刀具的后角通常为6°。硬态切削的加工周期可缩短到磨削加工的1/3-1/4。在生产过程中，决定是否采用硬态切削作为淬硬钢的精加工手段时，还考虑到加工精度及其它因素的综合作用，硬态切削与磨削之间的比较如表1 所示。硬态切削磨削加工经济性切削成本低，仅为磨削的1/4，金属去除速度高，机床投资成本低。磨削效率低，加工周期长，磨床维护成本高。加工柔性易加工复杂零件，可在一个工步内完成。柔性差，当工件的外形和加工方向变化时，只能用成型砂轮。加工质量能获得精确的圆度，尺寸精度14μm。表面粗糙度Ra0.3，Rz6～20。但表面粗糙度一致性比较差。表面热量可能导致产生表面烧伤和裂纹，可保证1μm 尺寸精度，表面粗糙度Ra0.25，Rz10以下。环保特性可实现干式和准干式切削，切屑易回收和处理。会产生磨屑和冷却液的混合物，不易分离和再利用污染环境。表1 硬态切削与磨削的比较3 实验结果和分析￥实验采用PCBN 刀具硬态切削GCr15 淬硬轴承钢(HRC62～64)，并与文献［6］中的CBN砂轮磨削的实验组织数据相比较。实验结果表明CBN 砂轮磨削GCr15 淬硬轴承钢将导致发生氧化和脱碳现象，伴随回火烧伤、硬化烧伤和微观断裂，这主要是磨削过程中的高温导致的。磨削表面完整性的问题集中体现在“磨削烧伤”问题上，磨削过程中砂轮和工件接触面忽冷忽热的热循环导致压应力和拉应力的交替变化，通常会在工件表面产生很高的拉应力。工件表面组织与磨削深度的关系很大，当在淬火应力层内磨削时，工件表面残留着淬火时所造成的融碳组织，因此当磨削深度大于淬火应力层深度时，则不存在融碳组织，此时具有较高的表面完整性，如图1 所示。图1 不同磨削深度时的工件表层组织硬态切削过程中，切削热大部分被切屑带走，而且PCBN 刀具的导热性能也比较好，因此进入工件内的热量很小。硬态切削已加工表面的完整性与刀具后刀面的磨损深度关系密切，如图2 所示，伴随后刀面磨损的发生，已加工工件表面会出现不同程度的白层，后刀面磨损深度越大白层厚度也有加大的趋势。采用PCBN 刀具切削淬硬GCr15 轴承钢时还发现工件表层和亚表层的组织状态有所变化，其微观组织是由白色的未回火层和黑色的过回火层组成，而且白层厚度小于2μm。工件表层以下20～40μm 处工件硬度最高可达900HV 。